Kosmonautik sentiasa mencapai kejayaan yang menakjubkan. Satelit buatan Bumi sentiasa mencari aplikasi yang lebih dan lebih pelbagai. Menjadi angkasawan di orbit berhampiran Bumi telah menjadi perkara biasa. Ini adalah mustahil tanpa formula utama angkasawan - persamaan Tsiolkovsky.
Pada zaman kita, kajian kedua-dua planet dan jasad lain sistem suria kita (Venus, Marikh, Musytari, Uranus, Bumi, dll.) dan objek jauh (asteroid, sistem lain dan galaksi) diteruskan. Kesimpulan tentang ciri-ciri gerakan kosmik badan Tsiolkovsky meletakkan asas bagi asas teori angkasawan, yang membawa kepada penciptaan berpuluh-puluh model enjin jet elektrik dan mekanisme yang sangat menarik, contohnya, layar solar.
Masalah utama penerokaan angkasa lepas
Tiga bidang penyelidikan dan pembangunan dalam sains dan teknologi dikenal pasti dengan jelas sebagai masalah penerokaan angkasa lepas:
- Terbang mengelilingi Bumi atau membina satelit buatan.
- Penerbangan bulan.
- Penerbangan planet dan penerbangan ke objek sistem suria.
Persamaan Tsiolkovsky untuk pendorongan jet telah menyumbang kepada fakta bahawa manusia telah mencapai hasil yang menakjubkan dalam setiap bidang ini. Selain itu, banyak sains gunaan baharu telah muncul: perubatan angkasa lepas dan biologi, sistem sokongan hidup pada kapal angkasa, komunikasi angkasa lepas, dsb.
Pencapaian dalam bidang angkasawan
Kebanyakan orang hari ini pernah mendengar tentang pencapaian besar: pendaratan pertama di bulan (AS), satelit pertama (USSR) dan seumpamanya. Sebagai tambahan kepada pencapaian paling terkenal yang semua orang dengar, terdapat banyak lagi. Khususnya, USSR kepunyaan:
- stesen orbit pertama;
- terbang pertama bulan dan foto di sebelah jauh;
- pendaratan pertama di bulan stesen automatik;
- penerbangan pertama kenderaan ke planet lain;
- pendaratan pertama di Zuhrah dan Marikh, dsb.
Ramai orang tidak menyedari betapa hebatnya pencapaian USSR dalam bidang kosmonautik. Jika ada, ia lebih penting daripada sekadar satelit pertama.
Tetapi Amerika Syarikat tidak kurang juga menyumbang kepada pembangunan angkasawan. Di AS diadakan:
- Semua kemajuan besar dalam penggunaan orbit Bumi (satelit dan komunikasi satelit) untuk tujuan dan aplikasi saintifik.
- Banyak misi ke Bulan, penerokaan Marikh, Musytari, Zuhrah dan Utarid dari jarak terbang.
- Seteksperimen saintifik dan perubatan dijalankan dalam graviti sifar.
Dan walaupun pada masa ini pencapaian negara lain pucat berbanding USSR dan AS, tetapi China, India dan Jepun secara aktif menyertai penerokaan angkasa lepas dalam tempoh selepas 2000.
Walau bagaimanapun, pencapaian angkasawan tidak terhad kepada lapisan atas planet dan teori saintifik yang tinggi. Dia juga mempunyai pengaruh yang besar dalam kehidupan sederhana. Hasil daripada penerokaan angkasa lepas, perkara seperti itu telah datang ke dalam kehidupan kita: kilat, Velcro, Teflon, komunikasi satelit, manipulator mekanikal, alat wayarles, panel solar, jantung buatan dan banyak lagi. Dan formula halaju Tsiolkovsky, yang membantu mengatasi tarikan graviti dan menyumbang kepada kemunculan amalan angkasa lepas dalam sains, yang membantu mencapai semua ini.
Istilah "kosmodinamik"
Persamaan Tsiolkovsky membentuk asas kosmodinamik. Walau bagaimanapun, istilah ini harus difahami dengan lebih terperinci. Terutamanya dalam soal konsep yang hampir dengannya dalam makna: angkasawan, mekanik cakerawala, astronomi, dll. Kosmonautik diterjemahkan dari bahasa Yunani sebagai "berenang di Alam Semesta." Dalam kes biasa, istilah ini merujuk kepada jisim semua keupayaan teknikal dan pencapaian saintifik yang membolehkan kajian angkasa lepas dan badan angkasa.
Penerbangan angkasa lepas adalah impian manusia selama berabad-abad. Dan impian ini berubah menjadi realiti, dari teori kepada sains, dan semuanya terima kasih kepada formula Tsiolkovsky untuk kelajuan roket. Daripada karya saintis hebat ini, kita tahu bahawa teori angkasawan berdiri di atas tigatiang:
- Teori yang menerangkan pergerakan kapal angkasa.
- Enjin roket elektrik dan pengeluarannya.
- Pengetahuan astronomi dan penerokaan Alam Semesta.
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, banyak disiplin saintifik dan teknikal lain muncul pada zaman angkasa lepas, seperti: sistem kawalan kapal angkasa, komunikasi dan sistem penghantaran data di angkasa, navigasi angkasa, perubatan angkasa lepas dan banyak lagi. Perlu diingat bahawa pada masa kelahiran asas-asas angkasawan, tidak ada radio seperti itu. Kajian tentang gelombang elektromagnet dan penghantaran maklumat dalam jarak jauh dengan bantuan mereka baru sahaja bermula. Oleh itu, pengasas teori itu dengan serius menganggap isyarat cahaya - sinar matahari yang dipantulkan ke arah Bumi - sebagai cara menghantar data. Hari ini adalah mustahil untuk membayangkan kosmonautik tanpa semua sains gunaan yang berkaitan. Pada masa yang jauh itu, imaginasi sebilangan saintis sungguh menakjubkan. Selain kaedah komunikasi, mereka juga menyentuh topik seperti formula Tsiolkovsky untuk roket berbilang peringkat.
Adakah mungkin untuk memilih mana-mana disiplin sebagai yang utama di antara semua jenis? Ia adalah teori pergerakan badan kosmik. Dialah yang berfungsi sebagai pautan utama, tanpanya angkasawan adalah mustahil. Bidang sains ini dipanggil kosmodinamik. Walaupun ia mempunyai banyak nama yang sama: balistik angkasa atau angkasa, mekanik penerbangan angkasa, mekanik angkasa gunaan, sains pergerakan badan angkasa buatan dandan lain-lain Mereka semua merujuk kepada bidang pengajian yang sama. Secara formal, kosmodinamik memasuki mekanik cakerawala dan menggunakan kaedahnya, tetapi terdapat perbezaan yang sangat penting. Mekanik cakerawala hanya mengkaji orbit; ia tidak mempunyai pilihan, tetapi kosmodinamik direka untuk menentukan trajektori optimum untuk mencapai badan angkasa tertentu dengan kapal angkasa. Dan persamaan Tsiolkovsky untuk pendorongan jet membolehkan kapal menentukan dengan tepat cara mereka boleh mempengaruhi laluan penerbangan.
Kosmodinamik sebagai sains
Sejak K. E. Tsiolkovsky menyimpulkan formula itu, sains pergerakan benda angkasa telah terbentuk dengan kukuh sebagai kosmodinamik. Ia membolehkan kapal angkasa menggunakan kaedah untuk mencari peralihan optimum antara orbit yang berbeza, yang dipanggil manuver orbit, dan merupakan asas kepada teori pergerakan di angkasa, sama seperti aerodinamik adalah asas penerbangan atmosfera. Walau bagaimanapun, ia bukan satu-satunya sains yang menangani isu ini. Selain itu, terdapat juga dinamik roket. Kedua-dua sains ini membentuk asas yang kukuh untuk teknologi angkasa moden, dan kedua-duanya termasuk dalam bahagian mekanik cakerawala.
Kosmodinamik terdiri daripada dua bahagian utama:
- Teori pergerakan pusat inersia (jisim) objek di angkasa, atau teori trajektori.
- Teori pergerakan jasad kosmik berbanding pusat inersianya, atau teori putaran.
Untuk mengetahui apakah persamaan Tsiolkovsky, anda perlu mempunyai pemahaman yang baik tentang mekanik, iaitu, hukum Newton.
undang-undang pertama Newton
Mana-mana jasad bergerak secara seragam dan rectilinearly atau berada dalam keadaan rehat sehingga daya luar dikenakan ke atasnya memaksanya menukar keadaan ini. Dalam erti kata lain, vektor halaju gerakan tersebut kekal malar. Tingkah laku badan ini juga dipanggil gerakan inersia.
Sebarang kes lain di mana sebarang perubahan dalam vektor halaju berlaku bermakna jasad itu mempunyai pecutan. Contoh menarik dalam kes ini ialah pergerakan titik material dalam bulatan atau mana-mana satelit di orbit. Dalam kes ini, terdapat gerakan seragam, tetapi bukan rectilinear, kerana vektor halaju sentiasa berubah arah, yang bermaksud bahawa pecutan tidak sama dengan sifar. Perubahan halaju ini boleh dikira menggunakan formula v2 / r, dengan v ialah halaju malar dan r ialah jejari orbit. Pecutan dalam contoh ini akan dihalakan ke tengah bulatan pada mana-mana titik trajektori badan.
Berdasarkan takrifan undang-undang, hanya daya boleh menyebabkan perubahan arah titik material. Dalam peranannya (untuk kes dengan satelit) ialah graviti planet. Tarikan planet dan bintang, seperti yang anda boleh teka dengan mudah, adalah sangat penting dalam kosmodinamik secara umum dan apabila menggunakan persamaan Tsiolkovsky khususnya.
undang-undang kedua Newton
Pecutan adalah berkadar terus dengan daya dan berkadar songsang dengan jisim badan. Atau dalam bentuk matematik: a=F / m, atau lebih biasa - F=ma, dengan m ialah faktor kekadaran, yang mewakili ukuranuntuk inersia badan.
Memandangkan mana-mana roket diwakili sebagai pergerakan jasad dengan jisim berubah, persamaan Tsiolkovsky akan berubah setiap unit masa. Dalam contoh di atas tentang satelit yang bergerak mengelilingi planet, mengetahui jisimnya m, anda boleh mengetahui dengan mudah daya di mana ia berputar di orbit, iaitu: F=mv2/r. Jelas sekali, daya ini akan diarahkan ke pusat planet ini.
Timbul persoalan: mengapa satelit tidak jatuh di planet ini? Ia tidak jatuh, kerana trajektorinya tidak bersilang dengan permukaan planet, kerana alam semula jadi tidak memaksanya untuk bergerak sepanjang tindakan daya, kerana hanya vektor pecutan yang diarahkan bersama kepadanya, dan bukan halaju.
Perlu juga diperhatikan bahawa dalam keadaan di mana daya yang bertindak ke atas jasad dan jisimnya diketahui, adalah mungkin untuk mengetahui pecutan badan. Dan menurutnya, kaedah matematik menentukan jalan di mana badan ini bergerak. Di sini kita sampai kepada dua masalah utama yang ditangani oleh kosmodinamik:
- Mendedahkan kuasa yang boleh digunakan untuk memanipulasi pergerakan kapal angkasa.
- Tentukan pergerakan kapal ini jika daya yang bertindak ke atasnya diketahui.
Masalah kedua ialah soalan klasik untuk mekanik cakerawala, manakala soalan pertama menunjukkan peranan luar biasa kosmodinamik. Oleh itu, dalam bidang fizik ini, sebagai tambahan kepada formula Tsiolkovsky untuk pendorongan jet, adalah amat penting untuk memahami mekanik Newtonian.
Hukum Newton Ketiga
Punca daya yang bertindak ke atas jasad sentiasa badan lain. Tetapi benarjuga sebaliknya. Ini adalah intipati undang-undang ketiga Newton, yang menyatakan bahawa bagi setiap tindakan terdapat tindakan yang sama besarnya, tetapi berlawanan arah, dipanggil tindak balas. Dalam erti kata lain, jika jasad A bertindak dengan daya F pada jasad B, maka jasad B bertindak pada jasad A dengan daya -F.
Dalam contoh dengan satelit dan planet, undang-undang ketiga Newton membawa kita kepada pemahaman bahawa dengan kekuatan apa planet itu menarik satelit, satelit yang sama menarik planet itu. Daya tarikan ini bertanggungjawab untuk memberikan pecutan kepada satelit. Tetapi ia juga memberikan pecutan kepada planet, tetapi jisimnya sangat besar sehingga perubahan kelajuan ini boleh diabaikan untuknya.
Formula Tsiolkovsky untuk pendorongan jet sepenuhnya berdasarkan pemahaman undang-undang terakhir Newton. Lagipun, kerana jisim gas yang dikeluarkan, badan utama roket memperoleh pecutan, yang membolehkannya bergerak ke arah yang betul.
Sedikit tentang sistem rujukan
Apabila mempertimbangkan sebarang fenomena fizikal, adalah sukar untuk tidak menyentuh topik sedemikian sebagai kerangka rujukan. Pergerakan kapal angkasa, seperti mana-mana badan lain di angkasa, boleh ditetapkan dalam koordinat yang berbeza. Tidak ada sistem rujukan yang salah, hanya ada yang lebih mudah dan kurang. Sebagai contoh, pergerakan badan dalam sistem suria paling baik diterangkan dalam kerangka rujukan heliosentrik, iaitu, dalam koordinat yang dikaitkan dengan Matahari, juga dipanggil bingkai Copernican. Walau bagaimanapun, pergerakan Bulan dalam sistem ini kurang sesuai untuk dipertimbangkan, jadi ia dikaji dalam koordinat geosentrik - kiraan adalah relatif kepadaBumi, ini dipanggil sistem Ptolemaic. Tetapi jika persoalannya ialah sama ada asteroid yang terbang berdekatan akan melanda Bulan, adalah lebih mudah untuk menggunakan koordinat heliosentrik sekali lagi. Adalah penting untuk dapat menggunakan semua sistem koordinat dan dapat melihat masalah dari sudut pandangan yang berbeza.
Pergerakan roket
Cara utama dan satu-satunya untuk mengembara di angkasa lepas ialah roket. Untuk pertama kalinya prinsip ini dinyatakan, menurut laman web Habr, oleh formula Tsiolkovsky pada tahun 1903. Sejak itu, jurutera angkasawan telah mencipta berpuluh-puluh jenis enjin roket menggunakan pelbagai jenis tenaga, tetapi semuanya disatukan oleh satu prinsip operasi: mengeluarkan sebahagian jisim daripada rizab bendalir kerja untuk mendapatkan pecutan. Daya yang terhasil akibat daripada proses ini dipanggil daya tarikan. Berikut ialah beberapa kesimpulan yang akan membolehkan kita sampai kepada persamaan Tsiolkovsky dan terbitan bentuk utamanya.
Jelas sekali, daya tarikan akan meningkat bergantung pada isipadu jisim yang dikeluarkan dari roket setiap unit masa dan kelajuan yang jisim ini dapat dilaporkan. Oleh itu, hubungan F=wq diperoleh, di mana F ialah daya tarikan, w ialah kelajuan jisim yang dilontar (m/s) dan q ialah jisim yang digunakan seunit masa (kg/s). Perlu diperhatikan secara berasingan kepentingan sistem rujukan yang dikaitkan secara khusus dengan roket itu sendiri. Jika tidak, adalah mustahil untuk mencirikan daya tujahan enjin roket jika semuanya diukur secara relatif kepada Bumi atau badan lain.
Penyelidikan dan eksperimen telah menunjukkan bahawa nisbah F=wq kekal sah hanya untuk kes di mana jisim yang dikeluarkan adalah cecair atau pepejal. Tetapi roket menggunakan jet gas panas. Oleh itu, beberapa pembetulan mesti dimasukkan ke dalam nisbah, dan kemudian kita mendapat sebutan tambahan nisbah S(pr - pa), yang ditambahkan pada wq asal. Di sini pr ialah tekanan yang dikenakan oleh gas pada pintu keluar muncung; pa ialah tekanan atmosfera dan S ialah kawasan muncung. Oleh itu, formula yang diperhalusi akan kelihatan seperti ini:
F=wq + Spr - Spa.
Di mana anda boleh melihat bahawa semasa roket naik, tekanan atmosfera akan menjadi kurang dan daya tujahan akan meningkat. Walau bagaimanapun, ahli fizik menyukai formula yang mudah. Oleh itu, formula yang serupa dengan bentuk asalnya sering digunakan F=weq, dengan we ialah halaju aliran keluar jisim berkesan. Ia ditentukan secara eksperimen semasa ujian sistem pendorong dan secara berangka sama dengan ungkapan w + (Spr - Spa) / q.
Mari kita pertimbangkan konsep yang sama dengan we - impuls tujahan tertentu. Khusus bermaksud berkaitan dengan sesuatu. Dalam kes ini, ia adalah kepada graviti Bumi. Untuk melakukan ini, dalam formula di atas, bahagian kanan didarab dan dibahagikan dengan g (9.81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg atau F=I ud qg
Nilai ini diukur Isp dalam Ns/kg atau apa sahajam/s yang sama Dengan kata lain, impuls tujahan tertentu diukur dalam unit kelajuan.
rumus Tsiolkovsky
Seperti yang anda boleh meneka dengan mudah, sebagai tambahan kepada tujahan enjin, banyak daya lain bertindak ke atas roket: tarikan Bumi, graviti objek lain dalam sistem suria, rintangan atmosfera, tekanan ringan, dsb. Setiap daya ini memberikan pecutan sendiri kepada roket, dan jumlah daripada tindakan itu mempengaruhi pecutan akhir. Oleh itu, adalah mudah untuk memperkenalkan konsep pecutan jet atau ar=Ft / M, di mana M ialah jisim roket dalam sesuatu tempoh masa. Pecutan jet ialah pecutan yang mana roket akan bergerak tanpa ketiadaan daya luar yang bertindak ke atasnya. Jelas sekali, apabila jisim dibelanjakan, pecutan akan meningkat. Oleh itu, terdapat satu lagi ciri mudah - pecutan jet awal ar0=FtM0, di mana M 0 ialah jisim roket pada permulaan gerakan.
Adalah logik untuk bertanya sejauh manakah kelajuan roket mampu berkembang di ruang kosong sedemikian selepas ia menggunakan sejumlah jisim badan kerja. Biarkan jisim roket berubah daripada m0 kepada m1. Kemudian kelajuan roket selepas penggunaan seragam jisim sehingga nilai m1 kg akan ditentukan oleh formula:
V=wln(m0 / m1)
Ini tidak lain hanyalah formula untuk pergerakan jasad dengan jisim berubah atau persamaan Tsiolkovsky. Ia mencirikan sumber tenaga roket. Dan kelajuan yang diperolehi oleh formula ini dipanggil ideal. Boleh ditulisformula ini dalam versi lain yang serupa:
V=Iudln(m0 / m1)
Perlu diperhatikan penggunaan Formula Tsiolkovsky untuk mengira bahan api. Lebih tepat lagi, jisim kenderaan pelancar, yang diperlukan untuk membawa berat tertentu ke orbit Bumi.
Pada akhirnya ia harus dikatakan tentang seorang saintis yang hebat seperti Meshchersky. Bersama-sama dengan Tsiolkovsky mereka adalah nenek moyang angkasawan. Meshchersky memberi sumbangan besar kepada penciptaan teori pergerakan objek jisim berubah-ubah. Khususnya, formula Meshchersky dan Tsiolkovsky adalah seperti berikut:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, di mana v ialah kelajuan titik bahan, u ialah kelajuan jisim yang dilontar berbanding roket. Hubungan ini juga dipanggil persamaan pembezaan Meshchersky, maka formula Tsiolkovsky diperoleh daripadanya sebagai penyelesaian tertentu untuk titik material.
