Cosmonautics mara kwa mara hupata mafanikio ya ajabu. Satelaiti Bandia za Dunia zinaendelea kupata matumizi tofauti zaidi na zaidi. Kuwa mwanaanga katika obiti ya Near-Earth imekuwa jambo la kawaida. Hili lisingewezekana bila fomula kuu ya unajimu - mlinganyo wa Tsiolkovsky.
Katika wakati wetu, uchunguzi wa sayari zote mbili na miili mingine ya mfumo wetu wa jua (Venus, Mirihi, Jupiter, Uranus, Dunia, n.k.) na vitu vya mbali (asteroids, mifumo mingine na galaksi) unaendelea. Hitimisho kuhusu sifa za mwendo wa ulimwengu wa miili ya Tsiolkovsky iliweka msingi wa misingi ya kinadharia ya unajimu, ambayo ilisababisha uvumbuzi wa mifano kadhaa ya injini za ndege za umeme na mifumo ya kupendeza sana, kwa mfano, meli ya jua.
Matatizo makuu ya utafutaji wa nafasi
Sehemu tatu za utafiti na maendeleo katika sayansi na teknolojia zimetambuliwa kwa uwazi kuwa matatizo ya uchunguzi wa anga:
- Kuruka kuzunguka Dunia au kutengeneza satelaiti bandia.
- safari za mwezini.
- Safari za sayari na safari za ndege kwenda kwa vitu vya mfumo wa jua.
Mlinganyo wa Tsiolkovsky wa mwendo wa ndege umechangia ukweli kwamba ubinadamu umepata matokeo ya kushangaza katika kila moja ya maeneo haya. Na pia, sayansi nyingi mpya zilizotumika zimeonekana: dawa na biolojia ya anga, mifumo ya usaidizi wa maisha kwenye chombo cha anga, mawasiliano ya anga, n.k.
Mafanikio katika unajimu
Watu wengi leo wamesikia kuhusu mafanikio makubwa: kutua kwa mwezi kwa mara ya kwanza (Marekani), setilaiti ya kwanza (USSR) na kadhalika. Mbali na mafanikio maarufu ambayo kila mtu husikia, kuna mengine mengi. Hasa, USSR ni ya:
- stesheni ya kwanza ya obiti;
- njizi ya kwanza ya mwezi na picha za upande wa mbali;
- ilitua kwa mara ya kwanza kwenye mwezi wa kituo kiotomatiki;
- safari za kwanza za magari kwenda sayari zingine;
- ilitua kwa mara ya kwanza kwenye Venus na Mirihi, n.k.
Watu wengi hawatambui hata jinsi mafanikio ya USSR yalivyokuwa makubwa katika uwanja wa cosmonautics. Ikiwa chochote, zilikuwa zaidi ya satelaiti ya kwanza tu.
Lakini Marekani imetoa mchango mkubwa katika ukuzaji wa unajimu. Nchini Marekani ilifanyika:
- Mafanikio yote makubwa katika matumizi ya obiti ya Dunia (satelaiti na mawasiliano ya satelaiti) kwa madhumuni na matumizi ya kisayansi.
- Misheni nyingi kwa Mwezi, uchunguzi wa Mihiri, Jupiter, Venus na Zebaki kutoka umbali wa flyby.
- Wekamajaribio ya kisayansi na kimatibabu yaliyofanywa katika mvuto sifuri.
Na ingawa kwa sasa mafanikio ya nchi zingine ni madogo ukilinganisha na USSR na USA, lakini Uchina, India na Japan zilijiunga kikamilifu na uchunguzi wa anga katika kipindi cha baada ya 2000.
Hata hivyo, mafanikio ya unajimu hayakomei kwenye tabaka za juu za sayari na nadharia za juu za kisayansi. Pia alikuwa na ushawishi mkubwa juu ya maisha rahisi. Kama matokeo ya uchunguzi wa anga, vitu kama hivyo vimeingia katika maisha yetu: umeme, Velcro, Teflon, mawasiliano ya satelaiti, manipulators ya mitambo, zana zisizo na waya, paneli za jua, moyo wa bandia, na mengi zaidi. Na ilikuwa formula ya kasi ya Tsiolkovsky, ambayo ilisaidia kushinda mvuto wa mvuto na kuchangia kuibuka kwa mazoezi ya anga katika sayansi, ambayo ilisaidia kufanikisha haya yote.
Neno "cosmodynamics"
Mlinganyo wa Tsiolkovsky uliunda msingi wa cosmodynamics. Walakini, neno hili linapaswa kueleweka kwa undani zaidi. Hasa katika suala la dhana karibu nayo kwa maana: astronautics, mechanics ya mbinguni, astronomy, nk Cosmonautics inatafsiriwa kutoka kwa Kigiriki kama "kuogelea katika Ulimwengu." Katika hali ya kawaida, neno hili linarejelea wingi wa uwezo wote wa kiufundi na mafanikio ya kisayansi ambayo huruhusu uchunguzi wa anga na miili ya anga.
Safari za anga ndio ubinadamu umekuwa ukitamani kwa karne nyingi. Na ndoto hizi ziligeuka kuwa ukweli, kutoka kwa nadharia hadi sayansi, na shukrani zote kwa formula ya Tsiolkovsky kwa kasi ya roketi. Kutoka kwa kazi za mwanasayansi huyu mkuu, tunajua kwamba nadharia ya astronautics inasimama juu ya tatunguzo:
- Nadharia inayoelezea mwendo wa vyombo vya angani.
- Injini za roketi za kielektroniki na utayarishaji wake.
- Maarifa ya unajimu na uchunguzi wa Ulimwengu.
Kama ilivyobainishwa awali, taaluma nyingine nyingi za kisayansi na kiufundi zilionekana katika enzi ya anga, kama vile: mifumo ya udhibiti wa vyombo vya angani, mifumo ya mawasiliano na upokezaji wa data angani, urambazaji angani, dawa za angani na mengine mengi. Ni muhimu kuzingatia kwamba wakati wa kuzaliwa kwa misingi ya astronautics, hakukuwa na redio kama hiyo. Utafiti wa mawimbi ya sumakuumeme na usambazaji wa habari kwa umbali mrefu kwa msaada wao ulikuwa mwanzo tu. Kwa hivyo, waanzilishi wa nadharia hiyo walizingatia kwa umakini ishara za mwanga - miale ya jua iliyoakisiwa kuelekea Dunia - kama njia ya kusambaza data. Leo haiwezekani kufikiria cosmonautics bila sayansi zote zinazohusiana zilizotumika. Katika nyakati hizo za mbali, mawazo ya wanasayansi kadhaa yalikuwa ya kushangaza sana. Mbali na mbinu za mawasiliano, pia waligusia mada kama vile fomula ya Tsiolkovsky ya roketi ya hatua nyingi.
Je, inawezekana kubainisha nidhamu yoyote kama ndiyo kuu kati ya aina zote? Ni nadharia ya mwendo wa miili ya ulimwengu. Ni yeye ambaye hutumika kama kiunga kikuu, bila ambayo unajimu hauwezekani. Eneo hili la sayansi linaitwa cosmodynamics. Ingawa ina majina mengi yanayofanana: balistiki ya mbinguni au ya anga, mechanics ya anga ya juu, mechanics iliyotumika ya mbinguni, sayansi ya harakati za miili ya mbinguni ya bandia na.nk. Zote zinarejelea uwanja mmoja wa masomo. Hapo awali, cosmodynamics huingia kwenye mechanics ya mbinguni na hutumia njia zake, lakini kuna tofauti muhimu sana. Mitambo ya anga huchunguza mizunguko pekee; haina chaguo, lakini kosmodynamics imeundwa ili kubainisha mikondo mwafaka ya kufikia baadhi ya miili ya angani kwa kutumia vyombo vya anga. Na mlinganyo wa Tsiolkovsky wa kusongesha ndege huruhusu meli kuamua hasa jinsi zinavyoweza kuathiri njia ya ndege.
Kosmodynamics kama sayansi
Tangu K. E. Tsiolkovsky agundue fomula, sayansi ya mwendo wa miili ya mbinguni imechukua sura thabiti kama cosmodynamics. Inaruhusu vyombo vya anga kutumia mbinu kupata mpito bora kati ya obiti tofauti, ambayo huitwa uendeshaji wa obiti, na ni msingi wa nadharia ya harakati katika nafasi, kama vile aerodynamics ni msingi wa kuruka kwa anga. Walakini, sio sayansi pekee inayoshughulikia suala hili. Mbali na hayo, pia kuna mienendo ya roketi. Sayansi hizi zote mbili huunda msingi thabiti wa teknolojia ya kisasa ya anga, na zote zimejumuishwa katika sehemu ya ufundi wa angani.
Cosmodynamics ina sehemu kuu mbili:
- Nadharia ya msogeo wa kituo cha hali ya hewa (misa) ya kitu katika nafasi, au nadharia ya trajectories.
- Nadharia ya mwendo wa mwili wa ulimwengu unaohusiana na kituo chake cha hali ya hewa, au nadharia ya mzunguko.
Ili kufahamu mlinganyo wa Tsiolkovsky ni nini, unahitaji kuwa na ufahamu mzuri wa mechanics, yaani, sheria za Newton.
Sheria ya kwanza ya Newton
Kiwiliwili chochote kinasogea sawasawa na kwa mstatili au kimepumzika hadi pale nguvu za nje zitakapotumika kulilazimisha kubadilisha hali hii. Kwa maneno mengine, vector ya kasi ya mwendo huo inabaki mara kwa mara. Tabia hii ya miili pia inaitwa mwendo usio na nguvu.
Kesi nyingine yoyote ambayo mabadiliko yoyote katika vekta ya kasi hutokea inamaanisha kuwa mwili una kasi. Mfano wa kuvutia katika kesi hii ni harakati ya hatua ya nyenzo kwenye mduara au satelaiti yoyote katika obiti. Katika kesi hii, kuna mwendo wa sare, lakini sio rectilinear, kwa sababu vector ya kasi hubadilika mara kwa mara mwelekeo, ambayo ina maana kwamba kuongeza kasi si sawa na sifuri. Mabadiliko haya ya kasi yanaweza kuhesabiwa kwa kutumia fomula v2 / r, ambapo v ni kasi isiyobadilika na r ni radius ya obiti. Uongezaji kasi katika mfano huu utaelekezwa katikati ya duara katika sehemu yoyote ya mwelekeo wa mwili.
Kulingana na ufafanuzi wa sheria, nguvu pekee ndiyo inaweza kusababisha mabadiliko katika mwelekeo wa sehemu muhimu. Katika jukumu lake (kwa kesi na satelaiti) ni mvuto wa sayari. Mvuto wa sayari na nyota, kama unavyoweza kukisia kwa urahisi, ni muhimu sana katika cosmodynamics kwa ujumla na wakati wa kutumia equation ya Tsiolkovsky haswa.
Sheria ya pili ya Newton
Kuongeza kasi kunawiana moja kwa moja na kulazimisha na kunawiana kinyume na uzito wa mwili. Au katika fomu ya hisabati: a=F / m, au zaidi ya kawaida - F=ma, ambapo m ni sababu ya uwiano, ambayo inawakilisha kipimo.kwa hali ya mwili.
Kwa kuwa roketi yoyote inawakilishwa kama mwendo wa mwili wenye wingi unaobadilika, mlinganyo wa Tsiolkovsky utabadilika kila kitengo cha wakati. Katika mfano hapo juu wa satelaiti inayozunguka sayari, ukijua wingi wake m, unaweza kujua kwa urahisi nguvu ambayo inazunguka kwenye obiti, ambayo ni: F=mv2/r. Ni wazi, nguvu hii itaelekezwa katikati ya sayari.
Swali linatokea: kwa nini satelaiti haianguki kwenye sayari? Haianguka, kwa kuwa trajectory yake haiingiliani na uso wa sayari, kwa sababu asili hailazimishi kusonga pamoja na hatua ya nguvu, kwa sababu tu vector ya kuongeza kasi inaelekezwa kwa hiyo, na sio kasi.
Ikumbukwe pia kwamba katika hali ambapo nguvu inayofanya kazi kwenye mwili na uzito wake inajulikana, inawezekana kujua kasi ya mwili. Na kulingana na hayo, njia za hisabati huamua njia ambayo mwili huu unasonga. Hapa tunakuja kwa shida kuu mbili ambazo cosmodynamics hushughulikia:
- Nguvu za kufichua zinazoweza kutumika kudhibiti mwendo wa chombo cha anga za juu.
- Amua mwendo wa meli hii ikiwa nguvu zinazoiendesha zinajulikana.
Tatizo la pili ni swali la kawaida kwa mechanics ya angani, ilhali la kwanza linaonyesha dhima ya kipekee ya cosmodynamics. Kwa hivyo, katika eneo hili la fizikia, pamoja na formula ya Tsiolkovsky ya kusukuma ndege, ni muhimu sana kuelewa mechanics ya Newton.
Sheria ya Tatu ya Newton
Sababu ya nguvu inayofanya kazi kwenye mwili daima ni mwili mwingine. Lakini kwelipia kinyume chake. Hiki ndicho kiini cha sheria ya tatu ya Newton, ambayo inasema kwamba kwa kila hatua kuna hatua sawa kwa ukubwa, lakini kinyume katika mwelekeo, inayoitwa majibu. Kwa maneno mengine, ikiwa mwili A hufanya kazi kwa nguvu F kwenye mwili B, basi mwili B hutenda kwa mwili A kwa nguvu -F.
Katika mfano wa satelaiti na sayari, sheria ya tatu ya Newton inatuongoza kuelewa kwamba kwa nguvu gani sayari huvutia satelaiti, satelaiti hiyo hiyo huvutia sayari. Nguvu hii ya kuvutia inawajibika kwa kutoa kasi kwa satelaiti. Lakini pia inatoa kasi kwa sayari, lakini wingi wake ni mkubwa sana hivi kwamba mabadiliko haya ya kasi hayafai kwa hilo.
Mchanganyiko wa Tsiolkovsky wa kusukuma ndege unategemea kabisa uelewa wa sheria ya mwisho ya Newton. Baada ya yote, ni kwa sababu ya wingi wa gesi zilizotolewa ambapo mwili mkuu wa roketi hupata kasi, ambayo huiruhusu kuhamia upande sahihi.
Machache kuhusu mifumo ya marejeleo
Unapozingatia matukio yoyote ya kimwili, ni vigumu kutogusia mada kama vile fremu ya marejeleo. Mwendo wa chombo cha angani, kama mwili mwingine wowote angani, unaweza kusasishwa katika kuratibu tofauti. Hakuna mifumo isiyo sahihi ya kumbukumbu, kuna rahisi zaidi na kidogo. Kwa mfano, harakati ya miili katika mfumo wa jua inaelezewa vyema katika sura ya rejeleo la heliocentric, ambayo ni, katika kuratibu zinazohusiana na Jua, pia huitwa sura ya Copernican. Walakini, harakati za Mwezi katika mfumo huu sio rahisi kuzingatia, kwa hivyo inasomwa katika kuratibu za kijiografia - hesabu ni sawa naDunia, hii inaitwa mfumo wa Ptolemaic. Lakini ikiwa swali ni ikiwa asteroid inayoruka karibu itagonga Mwezi, itakuwa rahisi zaidi kutumia viwianishi vya heliocentric tena. Ni muhimu kuweza kutumia mifumo yote ya kuratibu na kuweza kuangalia tatizo kwa mitazamo tofauti.
Nyendo za roketi
Njia kuu na pekee ya kusafiri katika anga ya juu ni roketi. Kwa mara ya kwanza kanuni hii ilionyeshwa, kulingana na wavuti ya Habr, na formula ya Tsiolkovsky mnamo 1903. Tangu wakati huo, wahandisi wa anga wamevumbua aina kadhaa za injini za roketi kwa kutumia aina nyingi za nishati, lakini zote zimeunganishwa na kanuni moja ya operesheni: kutoa sehemu ya misa kutoka kwa akiba ya giligili ya kufanya kazi ili kupata kasi. Nguvu inayotokana na mchakato huu inaitwa nguvu ya kuvuta. Hapa kuna baadhi ya hitimisho ambalo litaturuhusu kuja kwenye mlinganyo wa Tsiolkovsky na kupatikana kwa fomu yake kuu.
Ni wazi, nguvu ya kuvuta itaongezeka kulingana na kiasi cha wingi kinachotolewa kutoka kwa roketi kwa kila kitengo cha muda na kasi ambayo wingi huu utaweza kuripoti. Kwa hivyo, uhusiano F=wq unapatikana, ambapo F ni nguvu ya traction, w ni kasi ya molekuli iliyopigwa (m / s) na q ni wingi unaotumiwa kwa kitengo cha wakati (kg / s). Inafaa kuzingatia kando umuhimu wa mfumo wa kumbukumbu unaohusishwa haswa na roketi yenyewe. Vinginevyo, haiwezekani kubainisha nguvu ya msukumo ya injini ya roketi ikiwa kila kitu kitapimwa kulingana na Dunia au miili mingine.
Utafiti na majaribio yameonyesha kuwa uwiano F=wq unasalia kuwa halali kwa hali tu ambapo misa iliyotolewa ni kioevu au kigumu. Lakini roketi hutumia ndege ya gesi ya moto. Kwa hivyo, idadi ya masahihisho lazima iingizwe katika uwiano, na kisha tupate muda wa ziada wa uwiano S(pr - pa), ambayo imeongezwa kwa asili wq. Hapa pr ni shinikizo linalotolewa na gesi kwenye njia ya kutoka ya pua; pa ni shinikizo la angahewa na S ni eneo la pua. Kwa hivyo, fomula iliyosafishwa ingeonekana kama hii:
F=wq + Spr - Spa.
Ambapo unaweza kuona kwamba roketi inapopanda, shinikizo la angahewa litapungua, na nguvu ya msukumo itaongezeka. Walakini, wanafizikia wanapenda fomula zinazofaa. Kwa hivyo, fomula inayofanana na umbo lake la asili mara nyingi hutumiwa F=weq, ambapo we ni kasi ya utiririshaji mkubwa wa wingi. Hubainishwa kimajaribio wakati wa majaribio ya mfumo wa kusogeza na kwa nambari ni sawa na usemi w + (Spr - Spa) / q.
Hebu tuzingatie dhana ambayo inafanana na we - msukumo mahususi wa msukumo. Maana mahususi kuhusiana na jambo fulani. Katika kesi hii, ni kwa mvuto wa Dunia. Ili kufanya hivyo, katika fomula iliyo hapo juu, upande wa kulia unazidishwa na kugawanywa na g (9.81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg au F=I udqg
Thamani hii inapimwa Isp kwa Ns/kg au chochote kilesawa m/s. Kwa maneno mengine, msukumo mahususi wa msukumo hupimwa kwa vizio vya kasi.
Mfumo wa Tsiolkovsky
Kama unavyoweza kukisia kwa urahisi, pamoja na msukumo wa injini, nguvu nyingine nyingi hutenda kwenye roketi: mvuto wa Dunia, uzito wa vitu vingine kwenye mfumo wa jua, upinzani wa angahewa, shinikizo la mwanga, nk Kila moja ya nguvu hizi inatoa kuongeza kasi yake kwa roketi, na jumla kutoka kwa hatua huathiri kuongeza kasi ya mwisho. Kwa hivyo, ni rahisi kuanzisha wazo la kuongeza kasi ya ndege au r=Ft // M, ambapo M ni wingi wa roketi katika sehemu fulani. kipindi cha muda. Kuongeza kasi kwa ndege ni kuongeza kasi ambayo roketi ingesonga bila kuwepo kwa nguvu za nje zinazoikabili. Kwa wazi, kama wingi unavyotumika, kasi itaongezeka. Kwa hivyo, kuna sifa nyingine inayofaa - kuongeza kasi ya ndege ya awali ar0=FtM0, ambapo M 0 ni wingi wa roketi wakati wa kuanza kwa mwendo.
Itakuwa jambo la kimantiki kuuliza ni kasi gani roketi ina uwezo wa kutengeneza katika nafasi hiyo tupu baada ya kutumia kiasi fulani cha wingi wa chombo kinachofanya kazi. Acha wingi wa roketi ubadilike kutoka m0 hadi m1. Kisha kasi ya roketi baada ya utumiaji sare wa uzito hadi thamani m1 kg itabainishwa na fomula:
V=wln(m0 / m1)
Hii si chochote ila fomula ya mwendo wa miili yenye wingi wa kutofautiana au mlinganyo wa Tsiolkovsky. Ni sifa ya rasilimali ya nishati ya roketi. Na kasi iliyopatikana kwa formula hii inaitwa bora. Inaweza kuandikwafomula hii katika toleo lingine linalofanana:
V=mimiudln(m0 / m1)
Inafaa kuzingatia matumizi ya Mfumo wa Tsiolkovsky kwa kuhesabu mafuta. Kwa usahihi zaidi, wingi wa gari la uzinduzi, ambalo litahitajika kuleta uzito fulani kwenye mzunguko wa Dunia.
Mwishowe inapaswa kusemwa kuhusu mwanasayansi mkubwa kama Meshchersky. Pamoja na Tsiolkovsky wao ni mababu wa astronautics. Meshchersky alitoa mchango mkubwa katika uundaji wa nadharia ya mwendo wa vitu vya misa tofauti. Hasa, formula ya Meshchersky na Tsiolkovsky ni kama ifuatavyo:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, ambapo v ni kasi ya sehemu ya nyenzo, u ni kasi ya misa ya kurushwa kuhusiana na roketi. Uhusiano huu pia huitwa mlinganyo wa kutofautisha wa Meshchersky, kisha formula ya Tsiolkovsky inapatikana kutoka humo kama suluhu mahususi kwa nukta ya nyenzo.
