Kosmonavtika müntəzəm olaraq heyrətamiz uğur qazanır. Yerin süni peykləri getdikcə daha çox müxtəlif tətbiqlər tapır. Yerə yaxın orbitdə astronavt olmaq adi hala çevrilib. Astronavtikanın əsas düsturu - Tsiolkovski tənliyi olmadan bu, qeyri-mümkün olardı.
Dövrümüzdə Günəş sistemimizin həm planetlərinin, həm də digər cisimlərinin (Venera, Mars, Yupiter, Uran, Yer və s.) və uzaq obyektlərin (asteroidlər, digər sistemlər və qalaktikalar) tədqiqi davam edir. Tsiolkovskinin cəsədlərinin kosmik hərəkətinin xüsusiyyətlərinə dair nəticələr astronavtikanın nəzəri əsaslarının əsasını qoydu və bu, onlarla elektrik reaktiv mühərrik modelinin və son dərəcə maraqlı mexanizmlərin, məsələn, günəş yelkəninin ixtirasına səbəb oldu.
Kosmosun kəşfiyyatının əsas problemləri
Elm və texnologiyada tədqiqat və təkmilləşdirmənin üç sahəsi açıq şəkildə kosmosun tədqiqi problemləri kimi müəyyən edilmişdir:
- Yer ətrafında uçmaq və ya süni peyklər yaratmaq.
- Ay uçuşları.
- Planet uçuşları və Günəş sisteminin obyektlərinə uçuşlar.
Tsiolkovskinin reaktiv hərəkət üçün tənliyi bəşəriyyətin bu sahələrin hər birində heyrətamiz nəticələr əldə etməsinə kömək etdi. Həmçinin, bir çox yeni tətbiqi elmlər yaranıb: kosmik tibb və biologiya, kosmik gəmidə həyatı təmin edən sistemlər, kosmik rabitə və s.
Astronavtikada nailiyyətlər
Bu gün insanların çoxu böyük nailiyyətlər haqqında eşitmişdir: Aya ilk eniş (ABŞ), ilk peyk (SSRİ) və s. Hər kəsin eşitdiyi ən məşhur nailiyyətlərə əlavə olaraq, bir çox başqaları var. Xüsusilə, SSRİ aşağıdakılara aiddir:
- birinci orbital stansiya;
- Ayın ilk uçuşu və uzaq tərəfin fotoşəkilləri;
- avtomatlaşdırılmış stansiyanın Aya ilk enişi;
- avtomobillərin digər planetlərə ilk uçuşları;
- Venera və Marsa ilk eniş və s.
Bir çox insanlar SSRİ-nin kosmonavtika sahəsində əldə etdiyi nailiyyətlərin nə qədər böyük olduğunu dərk etmirlər. Hər halda, onlar ilk peykdən əhəmiyyətli dərəcədə daha çox idi.
Lakin ABŞ astronavtikanın inkişafına heç də az töhfə verməyib. ABŞ-da keçirilən:
- Yer orbitinin (peyklər və peyk rabitəsi) elmi məqsədlər və tətbiqlər üçün istifadəsində bütün əsas irəliləyişlər.
- Aya çoxlu missiyalar, uçuş məsafələrindən Mars, Yupiter, Venera və Merkurinin tədqiqi.
- Quraşdırınsıfır çəkisi şəraitində aparılan elmi və tibbi təcrübələr.
Və hal-hazırda digər ölkələrin nailiyyətləri SSRİ və ABŞ ilə müqayisədə solğun olsa da, 2000-ci ildən sonrakı dövrdə Çin, Hindistan və Yaponiya kosmosun tədqiqinə fəal qoşulmuşlar.
Lakin astronavtikanın nailiyyətləri təkcə planetin yuxarı təbəqələri və yüksək elmi nəzəriyyələrlə məhdudlaşmır. Onun sadə həyata da böyük təsiri olub. Kosmosun tədqiqi nəticəsində həyatımıza belə şeylər daxil olub: ildırım, Velcro, Teflon, peyk rabitəsi, mexaniki manipulyatorlar, simsiz alətlər, günəş panelləri, süni ürək və s. Məhz Tsiolkovskinin sürət düsturu cazibə cazibəsini dəf etməyə kömək etdi və elmdə kosmik təcrübənin yaranmasına kömək etdi, bütün bunlara nail olmağa kömək etdi.
"Kosmodinamik" termini
Tsiolkovski tənliyi kosmodinamikanın əsasını təşkil etmişdir. Ancaq bu termin daha ətraflı başa düşülməlidir. Xüsusilə mənaca ona yaxın anlayışlar məsələsində: astronavtika, səma mexanikası, astronomiya və s.. Kosmonavtika yunan dilindən “Kainatda üzmək” kimi tərcümə olunur. Adi halda bu termin kosmosun və göy cisimlərinin tədqiqinə imkan verən bütün texniki imkanların və elmi nailiyyətlərin kütləsinə aiddir.
Kosmos uçuşları bəşəriyyətin əsrlər boyu arzuladığı şeydir. Və bu xəyallar nəzəriyyədən elmə qədər reallığa çevrildi və hamısı raket sürəti üçün Tsiolkovski düsturu sayəsində. Bu böyük alimin əsərlərindən bilirik ki, astronavtika nəzəriyyəsi üç üzərində dayanırsütunlar:
- Kosmik gəmilərin hərəkətini təsvir edən nəzəriyyə.
- Elektro-raket mühərrikləri və onların istehsalı.
- Astronomik bilik və Kainatın kəşfi.
Əvvəlcə qeyd edildiyi kimi, kosmik əsrdə bir çox digər elmi və texniki fənlər meydana çıxdı, məsələn: kosmik gəmilərin idarəetmə sistemləri, kosmosda rabitə və məlumat ötürülməsi sistemləri, kosmik naviqasiya, kosmik tibb və s. Qeyd etmək lazımdır ki, astronavtikanın əsasları yarandığı dövrdə belə bir radio belə yox idi. Elektromaqnit dalğalarının tədqiqi və onların köməyi ilə informasiyanın uzaq məsafələrə ötürülməsi yeni başlayırdı. Buna görə də nəzəriyyənin baniləri işıq siqnallarını - Yerə doğru əks olunan günəş şüalarını məlumatların ötürülməsi üsulu kimi ciddi hesab edirdilər. Bu gün kosmonavtikanı bütün əlaqəli tətbiqi elmlər olmadan təsəvvür etmək mümkün deyil. O uzaq dövrlərdə bir sıra elm adamlarının təxəyyülü həqiqətən heyrətamiz idi. Onlar ünsiyyət üsullarından əlavə, çoxmərhələli raket üçün Tsiolkovski düsturu kimi mövzulara da toxunublar.
Bütün çeşidlər arasında hər hansı bir intizamı əsas kimi qeyd etmək mümkündürmü? Bu, kosmik cisimlərin hərəkət nəzəriyyəsidir. Məhz o, əsas əlaqə rolunu oynayır, onsuz astronavtika mümkün deyil. Bu elm sahəsi kosmodinamik adlanır. Çoxlu eyni adlara malik olsa da: göy və ya kosmik ballistika, kosmik uçuş mexanikası, tətbiqi göy mexanikası, süni göy cisimlərinin hərəkəti elmi vəs. Onların hamısı eyni tədqiqat sahəsinə aiddir. Formal olaraq kosmodinamika səma mexanikasına daxil olur və onun metodlarından istifadə edir, lakin son dərəcə mühüm fərq var. Səma mexanikası yalnız orbitləri öyrənir, onun seçimi yoxdur, lakin kosmodinamikanın müəyyən səma cisimlərinə kosmik gəmilər vasitəsilə çatması üçün optimal trayektoriyaları müəyyən etmək üçün nəzərdə tutulub. Reaktiv hərəkət üçün Tsiolkovski tənliyi gəmilərə uçuş yoluna necə təsir edə biləcəklərini dəqiq müəyyən etməyə imkan verir.
Kosmodinamik bir elm kimi
K. E. Tsiolkovski düsturu çıxardığı vaxtdan göy cisimlərinin hərəkəti haqqında elm kosmodinamikası kimi möhkəm şəkildə formalaşmışdır. O, kosmik gəmilərə müxtəlif orbitlər arasında optimal keçidi tapmaq üçün üsullardan istifadə etməyə imkan verir ki, bu da orbital manevr adlanır və aerodinamika atmosfer uçuşunun əsasını təşkil etdiyi kimi, kosmosda hərəkət nəzəriyyəsinin əsasını təşkil edir. Ancaq bu, bu məsələ ilə məşğul olan yeganə elm deyil. Bundan əlavə, raket dinamikası da var. Bu elmlərin hər ikisi müasir kosmik texnologiya üçün möhkəm təməl təşkil edir və hər ikisi səma mexanikası bölməsinə daxildir.
Kosmodinamika iki əsas bölmədən ibarətdir:
- Cismin kosmosda ətalət mərkəzinin (kütləsinin) hərəkəti nəzəriyyəsi və ya trayektoriyalar nəzəriyyəsi.
- Kosmik cismin ətalət mərkəzinə nisbətən hərəkəti nəzəriyyəsi və ya fırlanma nəzəriyyəsi.
Tsiolkovski tənliyinin nə olduğunu anlamaq üçün siz mexanikanı, yəni Nyuton qanunlarını yaxşı başa düşməlisiniz.
Nyutonun birinci qanunu
Hər hansı bir cisim bərabər və düzxətli hərəkət edir və ya ona tətbiq olunan xarici qüvvələr onu bu vəziyyəti dəyişməyə məcbur edənə qədər sükunətdədir. Başqa sözlə, belə hərəkətin sürət vektoru sabit qalır. Cismlərin bu davranışı həm də ətalət hərəkəti adlanır.
Sürət vektorunda hər hansı dəyişikliyin baş verdiyi hər hansı digər hal bədənin sürətlənməsi deməkdir. Bu vəziyyətdə maraqlı bir nümunə maddi nöqtənin bir dairədə və ya orbitdəki hər hansı bir peykin hərəkətidir. Bu halda vahid hərəkət var, lakin düzxətti deyil, çünki sürət vektoru daim istiqaməti dəyişir, yəni sürətlənmə sıfıra bərabər deyil. Sürətdəki bu dəyişiklik v2 / r düsturundan istifadə etməklə hesablana bilər, burada v sabit sürət və r orbitin radiusudur. Bu nümunədəki sürətlənmə bədənin trayektoriyasının istənilən nöqtəsində dairənin mərkəzinə yönəldiləcək.
Qanunun tərifinə əsasən, yalnız qüvvə maddi nöqtənin istiqamətində dəyişikliyə səbəb ola bilər. Onun rolunda (peyklə bağlı vəziyyət üçün) planetin cazibə qüvvəsi var. Planetlərin və ulduzların cazibəsi, asanlıqla təxmin edə biləcəyiniz kimi, ümumiyyətlə kosmodinamikada və xüsusən də Tsiolkovski tənliyindən istifadə edərkən böyük əhəmiyyət kəsb edir.
Nyutonun ikinci qanunu
Sürətlənmə qüvvə ilə düz mütənasibdir və bədən kütləsi ilə tərs mütənasibdir. Və ya riyazi formada: a=F / m və ya daha çox - F=ma, burada m ölçünü ifadə edən mütənasiblik əmsalıdır.bədən ətaləti üçün.
Hər hansı bir raket dəyişən kütləsi olan cismin hərəkəti kimi göstərildiyi üçün Tsiolkovski tənliyi hər zaman vahidini dəyişəcək. Yuxarıdakı nümunədə planetin ətrafında hərəkət edən peyk öz kütləsini m bilərək, onun orbitdə fırlanma qüvvəsini asanlıqla öyrənə bilərsiniz, yəni: F=mv2/r. Aydındır ki, bu qüvvə planetin mərkəzinə doğru yönələcək.
Sual yaranır: niyə peyk planetə düşmür? O, yıxılmır, çünki onun trayektoriyası planetin səthi ilə kəsişmir, çünki təbiət onu qüvvənin təsiri ilə hərəkət etməyə məcbur etmir, çünki ona sürət deyil, yalnız sürətlənmə vektoru birgə yönəlir.
Onu da qeyd etmək lazımdır ki, cismə təsir edən qüvvə və onun kütləsi məlum olan şəraitdə cismin sürətlənməsini öyrənmək olar. Və ona görə, riyazi üsullar bu cismin hərəkət etdiyi yolu müəyyən edir. Burada kosmodinamikanın məşğul olduğu iki əsas problemə gəlirik:
- Uzay gəmisinin hərəkətini manipulyasiya etmək üçün istifadə edilə bilən qüvvələr.
- Bu gəmiyə təsir edən qüvvələr məlumdursa, onun hərəkətini təyin edin.
İkinci problem səma mexanikası üçün klassik sualdır, birincisi isə kosmodinamikanın müstəsna rolunu göstərir. Buna görə də, fizikanın bu sahəsində reaktiv hərəkət üçün Tsiolkovski düsturuna əlavə olaraq, Nyuton mexanikasını başa düşmək son dərəcə vacibdir.
Nyutonun Üçüncü Qanunu
Cismə təsir edən qüvvənin səbəbi həmişə başqa cisimdir. Amma doğrudurhəm də əksinə. Nyutonun üçüncü qanununun mahiyyəti budur ki, hər bir hərəkət üçün böyüklüyünə bərabər, lakin istiqaməti əks olan, reaksiya adlanan bir hərəkət var. Başqa sözlə, əgər A cismi B cisminə F qüvvəsi ilə təsir edirsə, B cismi A cisminə -F qüvvəsi ilə təsir edir.
Peyk və planet nümunəsində Nyutonun üçüncü qanunu bizi belə başa düşməyə aparır ki, planet hansı qüvvə ilə peyki cəlb edirsə, eyni peyk də planeti cəlb edir. Bu cəlbedici qüvvə peyki sürətləndirməyə cavabdehdir. Lakin o, həm də planetə sürətlənmə verir, lakin onun kütləsi o qədər böyükdür ki, sürətdəki bu dəyişiklik onun üçün əhəmiyyətsizdir.
Tsiolkovskinin reaktiv hərəkət düsturu tamamilə Nyutonun sonuncu qanununun başa düşülməsinə əsaslanır. Axı, məhz atılan qaz kütləsi hesabına raketin əsas gövdəsi onun düzgün istiqamətdə hərəkət etməsinə imkan verən sürətlənmə əldə edir.
İstinad sistemləri haqqında bir az
Hər hansı fiziki hadisəni nəzərdən keçirərkən istinad çərçivəsi kimi belə bir mövzuya toxunmamaq çətindir. Kosmik gəminin hərəkəti, kosmosdakı hər hansı digər cisim kimi, müxtəlif koordinatlarda sabitlənə bilər. Yanlış istinad sistemləri yoxdur, yalnız daha rahat və daha az var. Məsələn, Günəş sistemindəki cisimlərin hərəkəti ən yaxşı şəkildə heliosentrik istinad sistemində, yəni Günəşlə əlaqəli koordinatlarda təsvir edilir və buna Kopernik çərçivəsi də deyilir. Bununla belə, bu sistemdə Ayın hərəkətini nəzərə almaq daha az əlverişlidir, ona görə də geosentrik koordinatlarda öyrənilir - hesablama nisbidir. Yer, buna Ptolemey sistemi deyilir. Ancaq sual, yaxınlıqda uçan asteroidin Aya çarpıb-çarpmayacağıdırsa, heliosentrik koordinatlardan yenidən istifadə etmək daha rahat olacaq. Bütün koordinat sistemlərindən istifadə edə bilmək və problemə müxtəlif nöqteyi-nəzərdən baxa bilmək vacibdir.
Raket hərəkəti
Kosmosda səyahət etməyin əsas və yeganə yolu raketdir. İlk dəfə bu prinsip, Habr saytına görə, 1903-cü ildə Tsiolkovski düsturu ilə ifadə edildi. O vaxtdan bəri astronavtika mühəndisləri müxtəlif növ enerjilərdən istifadə edərək onlarla növ raket mühərrikləri icad etdilər, lakin onların hamısı bir iş prinsipi ilə birləşdi: sürətlənmə əldə etmək üçün kütlənin bir hissəsini işçi mayesinin ehtiyatlarından çıxarmaq. Bu proses nəticəsində yaranan qüvvəyə dartma qüvvəsi deyilir. Tsiolkovski tənliyinə və onun əsas formasının törəməsinə gəlməyə imkan verəcək bəzi nəticələr buradadır.
Aydındır ki, dartma qüvvəsi vaxt vahidi başına raketdən atılan kütlənin həcmindən və bu kütlənin hesabat verə biləcəyi sürətdən asılı olaraq artacaq. Beləliklə, F=wq əlaqəsi alınır, burada F dartma qüvvəsi, w atılan kütlənin sürəti (m/s) və q zaman vahidi üçün sərf olunan kütlədir (kq/s). Xüsusilə raketin özü ilə əlaqəli istinad sisteminin əhəmiyyətini ayrıca qeyd etmək lazımdır. Əks halda, hər şey Yerə və ya digər cisimlərə nisbətən ölçülürsə, raket mühərrikinin təkan qüvvəsini xarakterizə etmək mümkün deyil.
Tədqiqatlar və təcrübələr göstərdi ki, F=wq nisbəti yalnız atılan kütlənin maye və ya bərk cisim olduğu hallar üçün etibarlı olaraq qalır. Lakin raketlər isti qaz axınından istifadə edir. Buna görə də nisbətə bir sıra düzəlişlər daxil edilməlidir və sonra biz Snisbətinin əlavə müddətini alırıq (pr - pa), orijinal wq əlavə olunur. Burada pr burun çıxışında qazın göstərdiyi təzyiqdir; pa atmosfer təzyiqidir, S isə burun sahəsidir. Beləliklə, dəqiqləşdirilmiş düstur belə görünəcək:
F=wq + Spr - Spa.
Raket dırmaşdıqca atmosfer təzyiqinin azalacağını və itələmə qüvvəsinin artacağını görə bilərsiniz. Bununla belə, fiziklər rahat formulları sevirlər. Buna görə də, onun ilkin formasına bənzər düstur tez-tez istifadə olunur F=weq, burada we effektiv kütlə axını sürətidir. Hərəkət sisteminin sınaqları zamanı eksperimental olaraq müəyyən edilir və ədədi olaraq w + (Spr - Spa) / q. ifadəsinə bərabərdir.
Gəlin we - xüsusi təkan impulsu ilə eyni olan konsepsiyanı nəzərdən keçirək. Xüsusi bir şeyə aid olan deməkdir. Bu vəziyyətdə, Yerin cazibə qüvvəsinə aiddir. Bunun üçün yuxarıdakı düsturda sağ tərəf vurulur və g-ə bölünür (9,81 m/s2):
F=weq=(we / g)qg və ya F=I ud qg
Bu dəyər Isp Ns/kq və ya hər hansı bir şəkildə ölçülüreyni m/s. Başqa sözlə, xüsusi təkan impulsu sürət vahidləri ilə ölçülür.
Tsiolkovskinin düsturu
Asanlıqla təxmin edə bildiyiniz kimi, mühərrikin təkan gücündən əlavə, raketdə bir çox başqa qüvvələr də fəaliyyət göstərir: Yerin cazibəsi, Günəş sistemindəki digər cisimlərin cazibə qüvvəsi, atmosfer müqaviməti, işıq təzyiqi, və s. Bu qüvvələrin hər biri raketə öz sürətini verir və hərəkətdən əldə olunan cəmi son sürətlənməyə təsir edir. Buna görə də, reaktiv sürətlənmə anlayışını və ya ar=Ft / M anlayışını təqdim etmək rahatdır, burada M müəyyən bir yerdə raketin kütləsidir. müddət. Reaktiv sürətlənmə, raketin üzərinə hərəkət edən xarici qüvvələrin olmadığı zaman hərəkət edəcəyi sürətdir. Aydındır ki, kütlə sərf olunduqca, sürətlənmə artacaq. Buna görə də, başqa bir əlverişli xüsusiyyət var - ilkin reaktiv sürətlənmə ar0=FtM0, burada M 0 raketin hərəkətin başlanğıcındakı kütləsidir.
Rəketin işçi orqanının kütləsinin müəyyən hissəsini istifadə etdikdən sonra belə bir boş məkanda hansı sürətlə inkişaf edə biləcəyini soruşmaq məntiqli olardı. Raketin kütləsi m0-dan m1-a dəyişsin. Sonra m1 kq-a qədər kütlənin vahid istehlakından sonra raketin sürəti düsturla müəyyən ediləcək:
V=wln(m0 / m1)
Bu, dəyişən kütləli cisimlərin hərəkət düsturundan və ya Tsiolkovski tənliyindən başqa bir şey deyil. Raketin enerji resursunu xarakterizə edir. Və bu düsturla alınan sürət ideal adlanır. Yazmaq olarbu düstur başqa eyni versiyada:
V=Iudln(m0 / m1)
Yanacağın hesablanması üçün Tsiolkovski Formulasından istifadəni qeyd etmək lazımdır. Daha dəqiq desək, Yerin orbitinə müəyyən çəki gətirmək üçün tələb olunacaq reaktiv daşıyıcının kütləsi.
Sonda Meşçerski kimi böyük alim haqqında demək lazımdır. Tsiolkovski ilə birlikdə onlar astronavtikanın əcdadlarıdır. Meshchersky, dəyişən kütləli cisimlərin hərəkət nəzəriyyəsinin yaradılmasına böyük töhfə verdi. Xüsusilə, Meşçerski və Tsiolkovskinin düsturu belədir:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, burada v maddi nöqtənin sürətidir, u atılan kütlənin raketə nisbətən sürətidir. Bu əlaqəyə Meşçerski diferensial tənliyi də deyilir, sonra maddi nöqtə üçün xüsusi həll kimi ondan Tsiolkovski düsturu alınır.
