Kosmonautik erzielt regelmäßig erstaunliche Erfolge. Künstliche Satelliten der Erde finden immer vielfältigere Anwendungen. Astronaut im erdnahen Orbit zu sein, ist alltäglich geworden. Dies wäre ohne die Hauptformel der Raumfahrt - die Tsiolkovsky-Gleichung - unmöglich gewesen.
In unserer Zeit wird das Studium von Planeten und anderen Körpern unseres Sonnensystems (Venus, Mars, Jupiter, Uranus, Erde usw.) und entfernten Objekten (Asteroiden, andere Systeme und Galaxien) fortgesetzt. Die Schlussfolgerungen über die Eigenschaften der kosmischen Bewegung von Tsiolkovskys Körpern legten den Grundstein für die theoretischen Grundlagen der Raumfahrt, die zur Erfindung von Dutzenden von Modellen elektrischer Strahltriebwerke und äußerst interessanter Mechanismen, beispielsweise eines Sonnensegels, führten.
Hauptprobleme der Weltraumforschung
Drei Forschungs- und Entwicklungsbereiche in Wissenschaft und Technologie werden eindeutig als Probleme der Weltraumforschung identifiziert:
- Um die Erde fliegen oder künstliche Satelliten bauen.
- Mondflüge.
- Planetenflüge und Flüge zu den Objekten des Sonnensystems.
Tsiolkovskys Gleichung für den Düsenantrieb hat dazu beigetragen, dass die Menschheit in jedem dieser Bereiche erstaunliche Ergebnisse erzielt hat. Außerdem sind viele neue angewandte Wissenschaften aufgetaucht: Weltraummedizin und -biologie, Lebenserh altungssysteme in einem Raumschiff, Weltraumkommunikation usw.
Erfolge in der Raumfahrt
Die meisten Menschen haben heute von großen Errungenschaften gehört: die erste Landung auf dem Mond (USA), der erste Satellit (UdSSR) und dergleichen. Neben den berühmtesten Errungenschaften, von denen jeder hört, gibt es noch viele andere. Insbesondere gehört die UdSSR zu:
- erste Orbitalstation;
- erster Vorbeiflug am Mond und Fotos von der anderen Seite;
- erste Mondlandung einer automatisierten Station;
- erste Flüge von Fahrzeugen zu anderen Planeten;
- erste Landung auf Venus und Mars usw.
Viele Menschen wissen nicht einmal, wie groß die Errungenschaften der UdSSR auf dem Gebiet der Kosmonautik waren. Wenn überhaupt, waren sie deutlich mehr als nur der erste Satellit.
Aber die Vereinigten Staaten haben einen nicht geringeren Beitrag zur Entwicklung der Raumfahrt geleistet. In den USA statt:
- Alle wichtigen Fortschritte bei der Nutzung der Erdumlaufbahn (Satelliten und Satellitenkommunikation) für wissenschaftliche Zwecke und Anwendungen.
- Viele Missionen zum Mond, Erforschung von Mars, Jupiter, Venus und Merkur aus Vorbeiflugentfernungen.
- Setzenwissenschaftliche und medizinische Experimente in der Schwerelosigkeit.
Und obwohl die Errungenschaften anderer Länder im Moment im Vergleich zur UdSSR und den USA verblassen, haben sich China, Indien und Japan in der Zeit nach 2000 aktiv an der Erforschung des Weltraums beteiligt.
Die Errungenschaften der Raumfahrt beschränken sich jedoch nicht auf die oberen Schichten des Planeten und hohe wissenschaftliche Theorien. Sie hatte auch einen großen Einfluss auf das einfache Leben. Als Ergebnis der Weltraumforschung sind solche Dinge in unser Leben gekommen: Blitze, Klettverschluss, Teflon, Satellitenkommunikation, mechanische Manipulatoren, drahtlose Werkzeuge, Sonnenkollektoren, ein künstliches Herz und vieles mehr. Und es war Tsiolkovskys Geschwindigkeitsformel, die half, die Anziehungskraft der Gravitation zu überwinden und zur Entstehung der Weltraumpraxis in der Wissenschaft beitrug, die dazu beitrug, all dies zu erreichen.
Der Begriff "Kosmodynamik"
Tsiolkovskys Gleichung bildete die Grundlage der Kosmodynamik. Dieser Begriff sollte jedoch genauer verstanden werden. Besonders in Bezug auf Begriffe, die der Bedeutung nahe stehen: Raumfahrt, Himmelsmechanik, Astronomie usw. Kosmonautik wird aus dem Griechischen mit "Schwimmen im Universum" übersetzt. Üblicherweise bezeichnet dieser Begriff die Masse aller technischen Möglichkeiten und wissenschaftlichen Errungenschaften, die die Erforschung des Weltalls und der Himmelskörper ermöglichen.
Weltraumflüge sind das, wovon die Menschheit seit Jahrhunderten geträumt hat. Und diese Träume wurden Wirklichkeit, von der Theorie zur Wissenschaft, und das alles dank der Tsiolkovsky-Formel für Raketengeschwindigkeit. Aus den Werken dieses großen Wissenschaftlers wissen wir, dass die Theorie der Raumfahrt auf drei stehtSäulen:
- Theorie, die die Bewegung von Raumfahrzeugen beschreibt.
- Elektroraketentriebwerke und ihre Herstellung.
- Astronomisches Wissen und Erforschung des Universums.
Wie bereits erwähnt, tauchten im Weltraumzeit alter viele andere wissenschaftliche und technische Disziplinen auf, wie zum Beispiel: Steuersysteme für Raumfahrzeuge, Kommunikations- und Datenübertragungssysteme im Weltraum, Weltraumnavigation, Weltraummedizin und vieles mehr. Es ist erwähnenswert, dass es zum Zeitpunkt der Geburt der Grundlagen der Raumfahrt noch nicht einmal ein Radio als solches gab. Die Erforschung elektromagnetischer Wellen und die Übertragung von Informationen über große Entfernungen mit ihrer Hilfe standen noch am Anfang. Daher haben die Begründer der Theorie ernsthaft Lichtsignale - die zur Erde reflektierten Sonnenstrahlen - als Mittel zur Übertragung von Daten in Betracht gezogen. Die Kosmonautik ist heute ohne alle verwandten angewandten Wissenschaften nicht mehr vorstellbar. In jenen fernen Zeiten war die Vorstellungskraft einiger Wissenschaftler wirklich erstaunlich. Neben Kommunikationsmethoden berührten sie auch Themen wie die Tsiolkovsky-Formel für eine mehrstufige Rakete.
Ist es möglich, eine Disziplin als die Hauptdisziplin unter all der Vielf alt herauszuheben? Es ist die Theorie der Bewegung kosmischer Körper. Sie dient als Hauptverbindung, ohne die die Raumfahrt unmöglich ist. Dieses Wissenschaftsgebiet wird Kosmodynamik genannt. Obwohl es viele identische Namen hat: Himmels- oder Weltraumballistik, Raumfahrtmechanik, angewandte Himmelsmechanik, die Wissenschaft von der Bewegung künstlicher Himmelskörper undetc. Sie beziehen sich alle auf die gleiche Studienrichtung. Formal tritt die Kosmodynamik in die Himmelsmechanik ein und verwendet ihre Methoden, aber es gibt einen äußerst wichtigen Unterschied. Die Himmelsmechanik studiert nur Umlaufbahnen, sie hat keine Wahl, aber die Kosmodynamik ist darauf ausgelegt, die optimalen Bahnen zu bestimmen, um bestimmte Himmelskörper mit Raumfahrzeugen zu erreichen. Und die Tsiolkovsky-Gleichung für den Strahlantrieb erlaubt es Schiffen, genau zu bestimmen, wie sie die Flugbahn beeinflussen können.
Kosmodynamik als Wissenschaft
Seit K. E. Tsiolkovsky die Formel hergeleitet hat, hat die Wissenschaft von der Bewegung der Himmelskörper als Kosmodynamik feste Gest alt angenommen. Es ermöglicht Raumfahrzeugen Methoden zu verwenden, um den optimalen Übergang zwischen verschiedenen Umlaufbahnen zu finden, was als orbitales Manövrieren bezeichnet wird und die Grundlage der Theorie der Bewegung im Weltraum darstellt, ebenso wie die Aerodynamik die Grundlage des Atmosphärenflugs ist. Sie ist jedoch nicht die einzige Wissenschaft, die sich mit diesem Thema beschäftigt. Darüber hinaus gibt es auch Raketendynamik. Diese beiden Wissenschaften bilden eine solide Grundlage für die moderne Weltraumtechnologie, und beide sind in der Abteilung der Himmelsmechanik enth alten.
Kosmodynamik besteht aus zwei Hauptabschnitten:
- Die Theorie der Bewegung des Trägheitszentrums (Masse) eines Objekts im Raum oder die Theorie der Bahnen.
- Die Theorie der Bewegung eines kosmischen Körpers relativ zu seinem Trägheitszentrum oder die Rotationstheorie.
Um herauszufinden, was die Tsiolkovsky-Gleichung ist, müssen Sie ein gutes Verständnis der Mechanik haben, d. h. der Newtonschen Gesetze.
Newtons erstes Gesetz
Jeder Körper bewegt sich gleichförmig und geradlinig oder befindet sich in Ruhe, bis äußere Kräfte ihn zwingen, diesen Zustand zu ändern. Mit anderen Worten, der Geschwindigkeitsvektor einer solchen Bewegung bleibt konstant. Dieses Verh alten von Körpern wird auch Trägheitsbewegung genannt.
Jeder andere Fall, in dem eine Änderung des Geschwindigkeitsvektors auftritt, bedeutet, dass der Körper eine Beschleunigung hat. Ein interessantes Beispiel in diesem Fall ist die Bewegung eines materiellen Punktes auf einem Kreis oder eines beliebigen Satelliten im Orbit. In diesem Fall liegt eine gleichförmige Bewegung vor, aber keine geradlinige Bewegung, weil der Geschwindigkeitsvektor ständig die Richtung ändert, was bedeutet, dass die Beschleunigung ungleich Null ist. Diese Geschwindigkeitsänderung kann mit der Formel v2 / r berechnet werden, wobei v die konstante Geschwindigkeit und r der Radius der Umlaufbahn ist. Die Beschleunigung in diesem Beispiel wird an jedem Punkt der Flugbahn des Körpers auf den Mittelpunkt des Kreises gerichtet.
Nach der Definition des Gesetzes kann nur Kraft eine Richtungsänderung eines materiellen Punktes bewirken. In seiner Rolle (für den Fall mit einem Satelliten) ist die Schwerkraft des Planeten. Wie Sie leicht erraten können, ist die Anziehungskraft von Planeten und Sternen in der Kosmodynamik im Allgemeinen und bei der Verwendung der Tsiolkovsky-Gleichung im Besonderen von großer Bedeutung.
Newtons zweites Gesetz
Beschleunigung ist direkt proportional zur Kraft und umgekehrt proportional zur Körpermasse. Oder in mathematischer Form: a=F / m, oder häufiger - F=ma, wobei m der Proportionalitätsfaktor ist, der das Maß darstelltfür Körperträgheit.
Da jede Rakete als Bewegung eines Körpers mit variabler Masse dargestellt wird, ändert sich die Tsiolkovsky-Gleichung mit jeder Zeiteinheit. Im obigen Beispiel eines Satelliten, der sich um den Planeten bewegt und dessen Masse m bekannt ist, können Sie leicht die Kraft herausfinden, unter der er sich auf der Umlaufbahn dreht, nämlich: F=mv2/r. Offensichtlich wird diese Kraft auf das Zentrum des Planeten gerichtet sein.
Es stellt sich die Frage: Warum fällt der Satellit nicht auf den Planeten? Es fällt nicht, da seine Flugbahn die Oberfläche des Planeten nicht schneidet, weil die Natur es nicht zwingt, sich entlang der Wirkung der Kraft zu bewegen, weil nur der Beschleunigungsvektor darauf ausgerichtet ist und nicht die Geschwindigkeit.
Es sollte auch beachtet werden, dass es unter Bedingungen, bei denen die auf den Körper wirkende Kraft und seine Masse bekannt sind, möglich ist, die Beschleunigung des Körpers herauszufinden. Und danach bestimmen mathematische Methoden den Weg, auf dem sich dieser Körper bewegt. Hier kommen wir zu zwei Hauptproblemen, mit denen sich die Kosmodynamik beschäftigt:
- Enthüllende Kräfte, die verwendet werden können, um die Bewegung eines Raumschiffs zu manipulieren.
- Bestimme die Bewegung dieses Schiffes, wenn die darauf wirkenden Kräfte bekannt sind.
Das zweite Problem ist eine klassische Frage der Himmelsmechanik, während das erste die herausragende Rolle der Kosmodynamik zeigt. Daher ist es in diesem Bereich der Physik neben der Tsiolkovsky-Formel für den Strahlantrieb äußerst wichtig, die Newtonsche Mechanik zu verstehen.
Drittes Newtonsches Gesetz
Die Ursache einer auf einen Körper wirkenden Kraft ist immer ein anderer Körper. Aber richtigauch das Gegenteil. Dies ist die Essenz von Newtons drittem Gesetz, das besagt, dass es für jede Aktion eine Aktion von gleicher Größe, aber entgegengesetzter Richtung gibt, die als Reaktion bezeichnet wird. Mit anderen Worten, wenn Körper A mit der Kraft F auf Körper B wirkt, dann wirkt Körper B mit der Kraft -F auf Körper A.
Im Beispiel mit einem Satelliten und einem Planeten führt uns das dritte Newtonsche Gesetz zu dem Verständnis, dass mit welcher Kraft der Planet den Satelliten anzieht, derselbe Satellit den Planeten anzieht. Diese Anziehungskraft ist dafür verantwortlich, dem Satelliten eine Beschleunigung zu verleihen. Aber es beschleunigt den Planeten auch, aber seine Masse ist so groß, dass diese Geschwindigkeitsänderung für ihn vernachlässigbar ist.
Tsiolkovskys Formel für den Strahlantrieb basiert vollständig auf dem Verständnis von Newtons letztem Gesetz. Schließlich erhält der Hauptkörper der Rakete gerade durch die ausgestoßene Gasmasse eine Beschleunigung, die es ihm ermöglicht, sich in die richtige Richtung zu bewegen.
Ein bisschen über Bezugssysteme
Wenn man irgendwelche physikalischen Phänomene betrachtet, ist es schwierig, ein solches Thema nicht als Bezugsrahmen zu berühren. Die Bewegung eines Raumfahrzeugs kann wie jeder andere Körper im Weltraum in verschiedenen Koordinaten festgelegt werden. Es gibt keine falschen Bezugssysteme, es gibt nur bequemere und weniger. Beispielsweise lässt sich die Bewegung von Körpern im Sonnensystem am besten in einem heliozentrischen Bezugssystem beschreiben, d. h. in Koordinaten, die mit der Sonne verbunden sind, auch als kopernikanisches Bezugssystem bezeichnet. Die Bewegung des Mondes in diesem System ist jedoch weniger bequem zu berücksichtigen, daher wird sie in geozentrischen Koordinaten untersucht - die Zählung ist relativ zuErde, das nennt man das ptolemäische System. Aber wenn die Frage ist, ob ein Asteroid, der in der Nähe fliegt, den Mond treffen wird, wird es bequemer sein, wieder heliozentrische Koordinaten zu verwenden. Es ist wichtig, alle Koordinatensysteme verwenden zu können und das Problem aus verschiedenen Blickwinkeln betrachten zu können.
Raketenbewegung
Das wichtigste und einzige Fortbewegungsmittel im Weltall ist eine Rakete. Zum ersten Mal wurde dieses Prinzip laut der Habr-Website 1903 durch die Tsiolkovsky-Formel ausgedrückt. Seitdem haben Raumfahrtingenieure Dutzende Arten von Raketentriebwerken erfunden, die eine Vielzahl von Energiearten verwenden, aber sie alle sind durch ein Funktionsprinzip vereint: einen Teil der Masse aus den Reserven der Arbeitsflüssigkeit auszustoßen, um eine Beschleunigung zu erzielen. Die dabei entstehende Kraft wird Zugkraft genannt. Hier sind einige Schlussfolgerungen, die es uns ermöglichen, zur Tsiolkovsky-Gleichung und zur Ableitung ihrer Hauptform zu gelangen.
Offensichtlich erhöht sich die Zugkraft in Abhängigkeit von der Menge der Masse, die von der Rakete pro Zeiteinheit ausgestoßen wird, und der Geschwindigkeit, die diese Masse zu melden vermag. Somit ergibt sich die Beziehung F=wq, wobei F die Zugkraft, w die Geschwindigkeit der Wurfmasse (m/s) und q die pro Zeiteinheit verbrauchte Masse (kg/s) ist. Es ist erwähnenswert, die Bedeutung des Referenzsystems, das speziell mit der Rakete selbst verbunden ist, gesondert zu erwähnen. Andernfalls ist es unmöglich, die Schubkraft eines Raketentriebwerks zu charakterisieren, wenn alles relativ zur Erde oder zu anderen Körpern gemessen wird.
Forschungen und Experimente haben gezeigt, dass das Verhältnis F=wq nur dann gültig bleibt, wenn die ausgestoßene Masse eine Flüssigkeit oder ein Feststoff ist. Aber Raketen verwenden einen heißen Gasstrahl. Daher müssen einige Korrekturen in das Verhältnis eingeführt werden, und dann erh alten wir einen zusätzlichen Term des Verhältnisses S(pr - pa), die zum ursprünglichen wq addiert wird. Dabei ist pr der Druck, den das Gas am Düsenaustritt ausübt; pa ist der atmosphärische Druck und S ist die Düsenfläche. Die verfeinerte Formel würde also so aussehen:
F=wq + Spr - Spa.
Wo Sie sehen können, dass der atmosphärische Druck beim Steigen der Rakete geringer wird und die Schubkraft zunimmt. Physiker lieben jedoch bequeme Formeln. Daher wird häufig eine der ursprünglichen Form ähnliche Formel F=weq verwendet, wobei we die effektive Massenaustrittsgeschwindigkeit ist. Sie wird während der Prüfung des Antriebssystems experimentell ermittelt und ist numerisch gleich dem Ausdruck w + (Spr - Spa) / q.
Betrachten wir ein Konzept, das identisch ist mit we - spezifischer Schubimpuls. Spezifisch bedeutet, sich auf etwas beziehend. In diesem Fall liegt es an der Schwerkraft der Erde. Dazu wird in obiger Formel die rechte Seite mit g multipliziert und dividiert (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg oder F=I ud qg
Dieser Wert wird Isp in Ns/kg oder was auch immer gemessengleiche m/s. Mit anderen Worten, der spezifische Schubimpuls wird in Geschwindigkeitseinheiten gemessen.
Tsiolkovskys Formel
Wie Sie leicht erraten können, wirken neben dem Schub des Triebwerks noch viele andere Kräfte auf die Rakete ein: die Anziehungskraft der Erde, die Schwerkraft anderer Objekte im Sonnensystem, atmosphärischer Widerstand, Lichtdruck, usw. Jede dieser Kräfte gibt der Rakete ihre eigene Beschleunigung, und die Summe aus der Aktion beeinflusst die endgültige Beschleunigung. Daher ist es zweckmäßig, das Konzept der Strahlbeschleunigung oder ar=Ft / M einzuführen, wobei M die Masse der Rakete in einem bestimmten ist Zeitspanne. Die Strahlbeschleunigung ist die Beschleunigung, mit der sich die Rakete bewegen würde, wenn keine äußeren Kräfte auf sie einwirken. Offensichtlich wird die Beschleunigung zunehmen, wenn die Masse verbraucht wird. Daher gibt es eine weitere praktische Eigenschaft – die anfängliche Strahlbeschleunigung ar0=FtM0, wobei M 0 ist die Masse der Rakete beim Start der Bewegung.
Es wäre logisch zu fragen, welche Geschwindigkeit eine Rakete in einem so leeren Raum entwickeln kann, nachdem sie einen Teil der Masse des Arbeitskörpers verbraucht hat. Lassen Sie die Masse der Rakete von m0 zu m1 ändern. Dann wird die Geschwindigkeit der Rakete nach dem gleichmäßigen Massenverbrauch bis zum Wert m1 kg bestimmt durch die Formel:
V=wln(m0 / m1)
Das ist nichts anderes als die Formel für die Bewegung von Körpern mit veränderlicher Masse oder die Tsiolkovsky-Gleichung. Es charakterisiert die Energiequelle der Rakete. Und die durch diese Formel erh altene Geschwindigkeit wird als ideal bezeichnet. Kann geschrieben werdendiese Formel in einer anderen identischen Version:
V=Iudln(m0 / m1)
Es ist erwähnenswert, dass die Tsiolkovsky-Formel zur Berechnung des Kraftstoffs verwendet wird. Genauer gesagt die Masse der Trägerrakete, die benötigt wird, um ein bestimmtes Gewicht in die Erdumlaufbahn zu bringen.
Am Ende sollte es über einen so großen Wissenschaftler wie Meshchersky gesagt werden. Zusammen mit Tsiolkovsky sind sie die Urväter der Raumfahrt. Meshchersky hat einen großen Beitrag zur Schaffung der Theorie der Bewegung von Objekten mit variabler Masse geleistet. Insbesondere lautet die Formel von Meshchersky und Tsiolkovsky wie folgt:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, wobei v die Geschwindigkeit des materiellen Punktes ist, u die Geschwindigkeit der geschleuderten Masse relativ zur Rakete ist. Man nennt diese Beziehung auch Meshchersky-Differentialgleichung, dann erhält man daraus die Tsiolkovsky-Formel als spezielle Lösung für einen materiellen Punkt.
