Kosmonavtika muntazam ravishda ajoyib muvaffaqiyatlarga erishadi. Erning sun'iy yo'ldoshlari doimo ko'proq va ko'proq turli xil ilovalarni topmoqda. Erga yaqin orbitada astronavt bo'lish odatiy holga aylandi. Bu kosmonavtikaning asosiy formulasi - Tsiolkovskiy tenglamasisiz imkonsiz bo'lar edi.
Zamonamizda quyosh sistemamizning ikkala sayyorasi va boshqa jismlarini (Venera, Mars, Yupiter, Uran, Yer va boshqalar) hamda uzoqdagi ob'ektlarni (asteroidlar, boshqa tizimlar va galaktikalar) o'rganish davom etmoqda. Tsiolkovskiy jismlarining kosmik harakatining xarakteristikalari haqidagi xulosalar kosmonavtikaning nazariy asoslariga asos soldi, bu esa oʻnlab elektroreaktiv dvigatellar modellarini va nihoyatda qiziqarli mexanizmlarni, masalan, quyosh yelkanini ixtiro qilishga olib keldi.
Kosmosni tadqiq qilishning asosiy muammolari
Fan va texnologiya sohasidagi tadqiqot va ishlanmalarning uchta yo'nalishi fazoni o'rganish muammolari sifatida aniq belgilangan:
- Yer atrofida uchish yoki sun'iy sun'iy yo'ldoshlarni qurish.
- Oydagi parvozlar.
- Sayyoraviy parvozlar va Quyosh tizimi ob'ektlariga parvozlar.
Tsiolkovskiyning reaktiv harakatlanish tenglamasi insoniyat ushbu sohalarning har birida ajoyib natijalarga erishganiga yordam berdi. Shuningdek, ko'plab yangi amaliy fanlar paydo bo'ldi: kosmik tibbiyot va biologiya, kosmik kemadagi hayotni ta'minlash tizimlari, kosmik aloqa va boshqalar.
Astronavtikadagi yutuqlar
Bugungi kunda koʻpchilik katta yutuqlar haqida eshitgan: Oyga birinchi qoʻnish (AQSh), birinchi sunʼiy yoʻldosh (SSSR) va boshqalar. Hamma eshitadigan eng mashhur yutuqlardan tashqari, boshqalar ham bor. Xususan, SSSR quyidagilarga tegishli:
- birinchi orbital stansiya;
- oyning birinchi parvozi va uzoq tarafdagi fotosuratlar;
- avtomatlashtirilgan stansiyaning Oyga birinchi qoʻnishi;
- avtomobillarning boshqa sayyoralarga birinchi parvozlari;
- Venera va Marsga birinchi qoʻnish va hokazo.
Koʻpchilik SSSRning kosmonavtika sohasidagi yutuqlari naqadar buyuk boʻlganini hatto anglamaydi. Agar biror narsa bo'lsa, ular birinchi sun'iy yo'ldoshdan sezilarli darajada ko'proq edi.
Ammo Qo'shma Shtatlar kosmonavtika rivojiga kam hissa qo'shgan. AQShda o'tkaziladi:
- Yer orbitasidan (sun'iy yo'ldoshlar va sun'iy yo'ldosh aloqalari) ilmiy maqsadlar va ilovalar uchun foydalanishdagi barcha asosiy yutuqlar.
- Oyga ko'plab missiyalar, Mars, Yupiter, Venera va Merkuriyni parvoz masofasidan o'rganish.
- Sozlashnol tortishish sharoitida olib borilgan ilmiy va tibbiy tajribalar.
Hozirgi vaqtda boshqa mamlakatlarning yutuqlari SSSR va AQSHga nisbatan past boʻlsa-da, ammo 2000-yildan keyingi davrda Xitoy, Hindiston va Yaponiya fazoni tadqiq qilishga faol qoʻshildi.
Ammo, kosmonavtika yutuqlari sayyoramizning yuqori qatlamlari va yuqori ilmiy nazariyalar bilan cheklanib qolmaydi. U oddiy hayotga ham katta ta'sir ko'rsatdi. Koinotni o'rganish natijasida hayotimizga shunday narsalar kirdi: chaqmoq, Velcro, Teflon, sun'iy yo'ldosh aloqalari, mexanik manipulyatorlar, simsiz asboblar, quyosh panellari, sun'iy yurak va boshqalar. Bularning barchasiga erishishga aynan Tsiolkovskiyning tezlik formulasi gravitatsiyaviy tortishishni engishga yordam berdi va fanda kosmik amaliyotning paydo bo'lishiga yordam berdi.
"Kosmodinamik" atamasi
Tsiolkovskiy tenglamasi kosmodinamikaning asosini tashkil etdi. Biroq, bu atamani batafsilroq tushunish kerak. Ayniqsa, ma’no jihatdan unga yaqin tushunchalar masalasida: astronavtika, samoviy mexanika, astronomiya va hokazo. Kosmonavtika yunon tilidan “Koinotda suzish” deb tarjima qilingan. Odatiy holatda bu atama koinot va samoviy jismlarni oʻrganish imkonini beruvchi barcha texnik imkoniyatlar va ilmiy yutuqlarning massasini bildiradi.
Kosmik parvozlar insoniyat asrlar davomida orzu qilgan narsadir. Va bu orzular nazariyadan fanga qadar haqiqatga aylandi va barchasi raketa tezligi uchun Tsiolkovskiy formulasi tufayli. Bu buyuk olimning asarlaridan bilamizki, kosmonavtika nazariyasi uchta asosda turadiustunlar:
- Kosmik kemalar harakatini tavsiflovchi nazariya.
- Elektro-raketa dvigatellari va ularni ishlab chiqarish.
- Koinotning astronomik bilimlari va tadqiqi.
Avval ta'kidlanganidek, kosmik asrda boshqa ko'plab ilmiy va texnik fanlar paydo bo'ldi, masalan: kosmik kemalarni boshqarish tizimlari, kosmosdagi aloqa va ma'lumotlarni uzatish tizimlari, kosmik navigatsiya, kosmik tibbiyot va boshqalar. Shunisi e'tiborga loyiqki, kosmonavtikaning asoslari paydo bo'lgan davrda hatto radio ham bo'lmagan. Elektromagnit to'lqinlarni o'rganish va ular yordamida ma'lumotlarni uzoq masofalarga uzatish endigina boshlangan edi. Shuning uchun nazariya asoschilari yorug'lik signallari - Yerga qaragan quyosh nurlarini ma'lumotlarni uzatish usuli sifatida jiddiy ko'rib chiqdilar. Bugungi kunda kosmonavtikani barcha tegishli amaliy fanlarsiz tasavvur qilib bo'lmaydi. O'sha uzoq vaqtlarda bir qator olimlarning tasavvurlari haqiqatan ham hayratlanarli edi. Ular muloqot usullaridan tashqari, ko‘p bosqichli raketa uchun Tsiolkovskiy formulasi kabi mavzularga ham to‘xtalib o‘tishdi.
Har qanday fanni barcha xilma-xillik orasida asosiysi sifatida ajratib ko'rsatish mumkinmi? Bu kosmik jismlarning harakati nazariyasi. Aynan u asosiy bo'g'in bo'lib xizmat qiladi, usiz kosmonavtikani amalga oshirish mumkin emas. Ushbu fan sohasi kosmodinamika deb ataladi. Uning bir xil nomlari ko'p bo'lsa-da: samoviy yoki kosmik ballistika, kosmik parvozlar mexanikasi, amaliy samoviy mexanika, sun'iy samoviy jismlarning harakati haqidagi fan vava hokazo. Ularning barchasi bir xil ta'lim sohasiga tegishli. Rasmiy ravishda kosmodinamika samoviy mexanikaga kiradi va uning usullaridan foydalanadi, ammo juda muhim farq bor. Osmon mexanikasi faqat orbitalarni o'rganadi, uning tanlovi yo'q, lekin kosmodinamikada kosmik kemalar orqali ma'lum samoviy jismlarga erishish uchun optimal traektoriyalarni aniqlash uchun mo'ljallangan. Reaktiv harakatlanish uchun Tsiolkovskiy tenglamasi kemalarga parvoz yo‘liga qanday ta’sir qilishini aniq aniqlash imkonini beradi.
Kosmodinamika fan sifatida
K. E. Tsiolkovskiy formulani chiqarganidan beri samoviy jismlarning harakati haqidagi fan kosmodinamika sifatida mustahkam shakllandi. U kosmik kemalarga turli orbitalar orasidagi optimal oʻtishni topish usullarini qoʻllash imkonini beradi, bu esa orbital manevr deb ataladi va aerodinamika atmosfera parvozining asosi boʻlgani kabi fazoda harakatlanish nazariyasining asosi hisoblanadi. Biroq, bu muammo bilan shug'ullanadigan yagona fan emas. Undan tashqari raketa dinamikasi ham mavjud. Bu fanlarning ikkalasi ham zamonaviy kosmik texnologiyalar uchun mustahkam poydevor bo‘lib xizmat qiladi va ikkala fan ham samoviy mexanika bo‘limiga kiritilgan.
Kosmodinamika ikkita asosiy bo'limdan iborat:
- Jismning kosmosdagi inersiya markazi (massasi) harakati nazariyasi yoki traektoriyalar nazariyasi.
- Kosmik jismning inersiya markaziga nisbatan harakati nazariyasi yoki aylanish nazariyasi.
Tsiolkovskiy tenglamasi nima ekanligini aniqlash uchun siz mexanikani, ya'ni Nyuton qonunlarini yaxshi bilishingiz kerak.
Nyutonning birinchi qonuni
Har qanday jism bir tekis va toʻgʻri chiziqli harakat qiladi yoki unga taʼsir etuvchi tashqi kuchlar uni bu holatni oʻzgartirishga majburlamaguncha tinch holatda boʻladi. Boshqacha qilib aytganda, bunday harakatning tezlik vektori doimiy bo'lib qoladi. Jismlarning bunday harakati inertial harakat deb ham ataladi.
Tezlik vektoridagi har qanday o'zgarish sodir bo'ladigan boshqa har qanday holat tananing tezlashishini bildiradi. Bu holatda qiziqarli misol aylana yoki orbitadagi har qanday sun'iy yo'ldoshning moddiy nuqtaning harakatidir. Bunday holda, bir tekis harakat bor, lekin to'g'ri chiziqli emas, chunki tezlik vektori doimo yo'nalishni o'zgartiradi, ya'ni tezlanish nolga teng emas. Tezlikning bu o'zgarishini v2 / r formulasi yordamida hisoblash mumkin, bu erda v - doimiy tezlik va r - orbita radiusi. Ushbu misoldagi tezlanish tananing traektoriyasining istalgan nuqtasida aylananing markaziga yo'n altiriladi.
Qonun ta'rifiga asoslanib, faqat kuch moddiy nuqta yo'nalishini o'zgartirishi mumkin. Uning rolida (sun'iy yo'ldosh uchun) sayyoraning tortishish kuchi. Sayyoralar va yulduzlarning jozibadorligi, siz osongina taxmin qilganingizdek, umuman kosmodinamikada, xususan, Tsiolkovskiy tenglamasidan foydalanganda katta ahamiyatga ega.
Nyutonning ikkinchi qonuni
Tezlashuv kuchga toʻgʻri proportsional va tana massasiga teskari proportsionaldir. Yoki matematik shaklda: a=F / m yoki ko'proq - F=ma, bu erda m - o'lchovni ifodalovchi proportsionallik omilitana inertsiyasi uchun.
Har qanday raketa oʻzgaruvchan massali jismning harakati sifatida ifodalanganligi sababli, Tsiolkovskiy tenglamasi har bir vaqt birligida oʻzgaradi. Yuqoridagi misolda, sun'iy yo'ldoshning sayyora bo'ylab harakatlanishi, uning massasi m ni bilgan holda, siz uning orbitada aylanish kuchini osongina topishingiz mumkin, ya'ni: F=mv2/r. Shubhasiz, bu kuch sayyora markaziga yo'n altiriladi.
Savol tug'iladi: nega sun'iy yo'ldosh sayyoraga tushmaydi? U tushmaydi, chunki uning traektoriyasi sayyora yuzasi bilan kesishmaydi, chunki tabiat uni kuch ta'sirida harakat qilishga majburlamaydi, chunki unga tezlik emas, balki faqat tezlanish vektori birgalikda yo'n altiriladi.
Shuni ham ta'kidlash kerakki, jismga ta'sir qiluvchi kuch va uning massasi ma'lum bo'lgan sharoitlarda tananing tezlanishini aniqlash mumkin. Va unga ko'ra, matematik usullar bu jismning harakatlanish yo'lini aniqlaydi. Bu erda biz kosmodinamikaning ikkita asosiy muammosiga keldik:
- Kosmik kemaning harakatini boshqarish uchun ishlatilishi mumkin boʻlgan fosh qiluvchi kuchlar.
- Ushbu kemaning harakatini aniqlang, agar unga ta'sir qiluvchi kuchlar ma'lum bo'lsa.
Ikkinchi muammo osmon mexanikasi uchun klassik savol bo'lsa, birinchisi kosmodinamikaning alohida rolini ko'rsatadi. Shuning uchun, fizikaning ushbu sohasida reaktiv harakatga oid Tsiolkovskiy formulasidan tashqari, Nyuton mexanikasini tushunish juda muhimdir.
Nyutonning uchinchi qonuni
Jismga ta'sir qiluvchi kuchning sababi har doim boshqa jismdir. Lekin haqiqatham aksincha. Nyutonning uchinchi qonunining mohiyati shundan iboratki, har bir harakat uchun kattaligi teng, lekin yo‘nalishi qarama-qarshi bo‘lgan harakat reaksiya deb ataladi. Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, agar A tanasi B jismga F kuch bilan ta'sir qilsa, B tanasi A jismga -F kuch bilan ta'sir qiladi.
Sun'iy yo'ldosh va sayyora misolida Nyutonning uchinchi qonuni bizni sayyora sun'iy yo'ldoshni qanday kuch bilan jalb qilsa, xuddi shu sun'iy yo'ldosh sayyorani o'ziga jalb qilishini tushunishga olib keladi. Ushbu jozibador kuch sun'iy yo'ldoshga tezlashtirish uchun javobgardir. Ammo u sayyoraga tezlanishni ham beradi, lekin uning massasi shunchalik kattaki, tezlikdagi bu o'zgarish u uchun ahamiyatsiz.
Tsiolkovskiyning reaktiv harakatlanish formulasi butunlay Nyutonning oxirgi qonunini tushunishga asoslangan. Zero, aynan tashqariga chiqarilgan gazlar massasi hisobiga raketaning asosiy korpusi tezlanishga ega bo‘lib, uning to‘g‘ri yo‘nalishda harakatlanishiga imkon beradi.
Malumot tizimlari haqida bir oz
Har qanday jismoniy hodisalarni ko'rib chiqayotganda, bunday mavzuga murojaat qilmaslik qiyin. Kosmosdagi boshqa jismlar kabi kosmik kemaning harakati ham turli koordinatalarda aniqlanishi mumkin. Noto'g'ri mos yozuvlar tizimlari mavjud emas, faqat qulayroq va kamroq. Masalan, Quyosh sistemasidagi jismlarning harakati geliotsentrik sanoq sistemasida, ya'ni Quyosh bilan bog'langan koordinatalarda eng yaxshi tasvirlangan, uni Kopernik ramkasi deb ham ataladi. Biroq, bu tizimda Oyning harakatini hisobga olish unchalik qulay emas, shuning uchun u geosentrik koordinatalarda o'rganiladi - hisoblash nisbiydir. Yer, bu Ptolemey tizimi deb ataladi. Ammo yaqin atrofda uchayotgan asteroid Oyga uriladimi degan savol tug‘ilsa, geliotsentrik koordinatalardan yana foydalanish qulayroq bo‘ladi. Barcha koordinata tizimlaridan foydalana olish va muammoga turli nuqtai nazardan qaray olish muhim.
Raketa harakati
Kosmosda sayohat qilishning asosiy va yagona usuli bu raketa. Birinchi marta bu tamoyil, Habr veb-saytiga ko'ra, 1903 yilda Tsiolkovskiy formulasi bilan ifodalangan. O'shandan beri kosmonavtika muhandislari turli xil energiya turlaridan foydalangan holda o'nlab turdagi raketa dvigatellarini ixtiro qildilar, ammo ularning barchasi bitta ishlash printsipi bilan birlashtirilgan: tezlashuvni olish uchun massaning bir qismini ishchi suyuqlik zahirasidan chiqarib tashlash. Ushbu jarayon natijasida hosil bo'lgan kuch tortish kuchi deb ataladi. Tsiolkovskiy tenglamasiga va uning asosiy shaklini olishimizga imkon beradigan ba'zi xulosalar.
Shubhasiz, tortish kuchi vaqt birligida raketadan chiqarilgan massa hajmiga va bu massa hisobot berish tezligiga qarab ortadi. Shunday qilib, F=wq munosabati olinadi, bu erda F - tortish kuchi, w - tashlangan massa tezligi (m/s) va q - vaqt birligi uchun sarflangan massa (kg/s). Raketaning o'zi bilan bog'liq bo'lgan mos yozuvlar tizimining ahamiyatini alohida ta'kidlash kerak. Aks holda, agar hamma narsa Yerga yoki boshqa jismlarga nisbatan o'lchangan bo'lsa, raketa dvigatelining tortishish kuchini tavsiflab bo'lmaydi.
Tadqiqotlar va tajribalar shuni ko'rsatdiki, F=wq nisbati faqat chiqarilgan massa suyuqlik yoki qattiq bo'lgan holatlar uchun amal qiladi. Ammo raketalar issiq gaz oqimidan foydalanadi. Shuning uchun nisbatga bir qator tuzatishlar kiritilishi kerak va keyin biz Snisbatining qo'shimcha atamasini olamiz (pr - pa), asl wq ga qo'shiladi. Bu yerda pr - gazning shtutserdan chiqishidagi bosimi; pa - atmosfera bosimi va S - ko'krak maydoni. Shunday qilib, aniqlangan formula quyidagicha ko'rinadi:
F=wq + Spr - Spa.
Bu erda siz raketa yuqoriga ko'tarilgan sayin atmosfera bosimi pasayib, surish kuchi oshishini ko'rishingiz mumkin. Biroq, fiziklar qulay formulalarni yaxshi ko'radilar. Shuning uchun, uning asl shakliga o'xshash formula ko'pincha ishlatiladi F=weq, bu erda we - massaning samarali chiqish tezligi. U harakatlanish tizimini sinovdan o'tkazishda eksperimental tarzda aniqlanadi va son jihatdan w + (Spr - Spa) / q. ifodasiga teng.
Keling, we bilan bir xil tushunchani ko'rib chiqaylik - o'ziga xos surish impulsi. Spesifik, biror narsaga tegishli degan ma'noni anglatadi. Bu holda, bu Yerning tortishish kuchiga to'g'ri keladi. Buning uchun yuqoridagi formulada o'ng tomon ko'paytiriladi va g ga bo'linadi (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg yoki F=I ud qg
Bu qiymat Isp Ns/kg yoki boshqa narsa bilan oʻlchanadibir xil m/s. Boshqacha qilib aytganda, o'ziga xos surish impulsi tezlik birliklarida o'lchanadi.
Tsiolkovskiy formulasi
Osonlik bilan taxmin qilganingizdek, dvigatelning kuchiga qo'shimcha ravishda, raketada boshqa ko'plab kuchlar ham ta'sir qiladi: Yerning tortishishi, quyosh tizimidagi boshqa jismlarning tortishish kuchi, atmosfera qarshiligi, yorug'lik bosimi, Bu kuchlarning har biri raketaga o'z tezlanishini beradi va harakatdan jami yakuniy tezlanishga ta'sir qiladi. Shuning uchun reaktiv tezlashuv tushunchasini kiritish qulay yoki ar=Ft / M, bu erda M - raketaning ma'lum birdagi massasi. vaqt davri. Reaktiv tezlashuv - bu raketa unga ta'sir qiluvchi tashqi kuchlar bo'lmaganda harakatlanadigan tezlashuv. Shubhasiz, massa sarflanganda, tezlashuv kuchayadi. Shuning uchun, yana bir qulay xususiyat mavjud - dastlabki reaktiv tezlashuvi ar0=FtM0, bu erda M 0 - raketaning harakat boshlanishidagi massasi.
Raketa ishchi organ massasining bir qismini sarflagandan keyin bunday bo'sh fazoda qanday tezlikda rivojlanishga qodirligini so'rash mantiqan to'g'ri bo'lar edi. Raketaning massasi m0 dan m1 ga o’zgartirilsin. Keyin massani bir xil iste'mol qilgandan keyin m1 kg qiymatiga qadar raketaning tezligi quyidagi formula bilan aniqlanadi:
V=wln(m0 / m1)
Bu oʻzgaruvchan massali jismlar harakati formulasi yoki Tsiolkovskiy tenglamasidan boshqa narsa emas. Bu raketaning energiya manbasini tavsiflaydi. Va bu formula bo'yicha olingan tezlik ideal deb ataladi. Yozilishi mumkinbu formula boshqa bir xil versiyada:
V=Iudln(m0 / m1)
Yoqilg'ini hisoblash uchun Tsiolkovskiy formulasidan foydalanishni ta'kidlash kerak. Aniqrog'i, Yer orbitasiga ma'lum bir og'irlikni olib chiqish uchun zarur bo'lgan raketaning massasi.
Oxir-oqibat Meshcherskiydek buyuk olim haqida aytish kerak. Tsiolkovskiy bilan birgalikda ular kosmonavtikaning ota-bobolaridir. Meshcherskiy o'zgaruvchan massali jismlarning harakat nazariyasini yaratishga katta hissa qo'shdi. Xususan, Meshcherskiy va Tsiolkovskiy formulasi quyidagicha:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, bu yerda v - moddiy nuqtaning tezligi, u - raketaga nisbatan tashlangan massa tezligi. Bu munosabat Meshcherskiy differensial tenglamasi deb ham ataladi, keyin undan moddiy nuqta uchun ma'lum yechim sifatida Tsiolkovskiy formulasi olinadi.
