Bolygóközi kiegyensúlyozó aktus. Milyen repülési útvonala van egy kis tolóerejű műholdnak a kis testekre

A kozmosz szó szinonimája az Univerzum szónak. Az űrt gyakran kissé önkényesen osztják fel közeli űrre, amelyet jelenleg mesterséges földi műholdak, űrhajók, bolygóközi állomások és más eszközök segítségével lehet feltárni, és a távoli űrt - minden mást, összehasonlíthatatlanul nagyobbat. Valójában a közeli űr a Naprendszerre, a távoli tér pedig a hatalmas kiterjedésű csillagokra és galaxisokra utal.

A "kozmonautika" szó szó szerinti jelentése, amely két görög szó kombinációja - "úszás az univerzumban". A közhasználatban ez a szó a tudomány és a technológia különféle ágainak összességét jelenti, amelyek a világűr és az égitestek kutatását és fejlesztését végzik űrjárművek – mesterséges műholdak, különféle célú automata állomások, emberes űrhajók – segítségével.

A kozmonautika, vagy ahogy néha nevezik, asztronautika a világűrbe való repüléseket egyesíti, a tudomány és a technológia azon ágainak összessége, amelyek a világűr feltárását és felhasználását szolgálják az emberiség szükségleteinek megfelelően, különféle űreszközök segítségével. Az emberiség űrkorszakának kezdete 1957. október 4-e, amikor a Szovjetunióban felbocsátották az első mesterséges Föld-műholdat.

Az űrrepülés elmélete, az emberiség régi álma, a nagy orosz tudós, Konsztantyin Eduardovics Ciolkovszkij alapműveinek eredményeként vált tudománnyá. Tanulmányozta a rakéta ballisztika alapelveit, javasolt egy folyékony rakétahajtómű diagramját, és megállapította a hajtómű reaktív erejét meghatározó törvényeket. Javaslatot tettek az űrrepülőgépek sémáira is, és megadták a rakétatervezés alapelveit, amelyeket ma már széles körben alkalmaznak a gyakorlatban. Hosszú ideig, egészen addig a pillanatig, amikor a rajongók és tudósok ötletei, képletei és rajzai a tervezőirodákban és gyári műhelyekben „fémből” gyártott tárgyakká kezdtek átalakulni, az asztronautika elméleti alapjai három pilléren nyugszanak: 1) az űrhajózás elmélete. űrhajó mozgása ; 2) rakétatechnika; 3) az Univerzumra vonatkozó csillagászati ​​ismeretek összessége. Ezt követően számos új tudományos és műszaki tudományág jelent meg az űrhajózás mélyén, mint például az űrobjektumok vezérlőrendszereinek elmélete, az űrnavigáció, az űrkommunikációs rendszerek és az információátvitel elmélete, az űrbiológia és az orvostudomány stb. hogy nehéz elképzelnünk az asztronautikát e tudományágak nélkül, érdemes megjegyezni, hogy az asztronautika elméleti alapjait K. E. Ciolkovszkij fektette le akkoriban, amikor még csak az első kísérleteket végezték a rádióhullámok használatával, és a rádió nem tudta kommunikációs eszköznek tekinthető a térben.

A bolygóközi űrhajó fedélzetén lévő tükrök által a Föld felé visszavert napsugarak segítségével történő jelzéseket hosszú évek óta komolyan figyelembe vették kommunikációs eszközként. Most, hogy megszoktuk, hogy nem lepődünk meg sem a Hold felszínéről érkező élő televíziós közvetítéseken, sem a Jupiter közelében vagy a Vénusz felszínén készült rádiófotókon, ezt nehéz elhinni. Ezért vitatható, hogy az űrkommunikáció elmélete minden fontossága ellenére még mindig nem a fő láncszem az űrtudományok láncolatában. Ez a fő láncszem az űrobjektumok mozgásának elmélete. Ez tekinthető az űrrepülés elméletének. Maguk a tudományban érintett szakemberek is másként hívják: alkalmazott égi mechanika, égi ballisztika, űrballisztika, kozmodinamika, űrrepülési mechanika, mesterséges égitestek mozgáselmélete. Ezeknek a neveknek ugyanaz a jelentése, pontosan kifejezve az utolsó kifejezés. A kozmodinamika tehát része az égi mechanikának – egy olyan tudománynak, amely bármely égitest mozgását tanulmányozza, legyen az akár természetes (csillagok, Nap, bolygók, műholdaik, üstökösök, meteoroidok, kozmikus por) és mesterséges (automata űrhajók és emberes űrhajók). . De van valami, ami megkülönbözteti a kozmodinamikát az égi mechanikától. Az égi mechanika kebelében született kozmodinamika alkalmazza módszereit, de nem illeszkedik hagyományos keretei közé.

Lényeges különbség az alkalmazott égi mechanika és a klasszikus mechanika között, hogy a második nem foglalkozik és nem is tud foglalkozni az égitestek pályáinak megválasztásával, míg az első egy adott égitest eléréséhez szükséges hatalmas számú lehetséges pálya közül a kiválasztással foglalkozik. bizonyos pályát, amely számos, gyakran egymásnak ellentmondó igényt vesz figyelembe. A fő követelmény az a minimális sebesség, amelyre az űreszköz felgyorsul a repülés kezdeti aktív szakaszában, és ennek megfelelően a hordozórakéta vagy a keringési felső fokozat minimális tömege (alsó földi pályáról induláskor). Ez biztosítja a maximális hasznos terhet, és ezáltal a repülés legnagyobb tudományos hatékonyságát. Szintén figyelembe veszik a könnyű irányíthatóság követelményeit, a rádiókommunikációs feltételeket (például abban a pillanatban, amikor az állomás átrepülése során belép a bolygóra), a tudományos kutatás feltételeit (leszállás a bolygó nappali vagy éjszakai oldalán) stb. A Cosmodynamics módszerekkel látja el az űrművelet-tervezőket az egyik pályáról a másikra való optimális átmenethez, valamint a pálya korrigálásának módjait. Látóterében a klasszikus égi mechanika számára ismeretlen orbitális manőverezés található. A kozmodinamika az űrrepülés általános elméletének alapja (ahogy az aerodinamika a repülőgépek, helikopterek, léghajók és más repülőgépek légkörében való repülés elméletének alapja). A kozmodinamika megosztja ezt a szerepet a rakétadinamikával – a rakétamozgás tudományával. Mindkét tudomány szorosan összefonódva alkotja az űrtechnológia alapját. Mindkettő az elméleti mechanika része, amely maga a fizika külön része. A kozmodinamika egzakt tudományként matematikai kutatási módszereket használ, és logikailag koherens bemutatási rendszert igényel. Nem hiába, hogy az égi mechanika alapjait Kopernikusz, Galilei és Kepler nagy felfedezései után pontosan azok a tudósok dolgozták ki, akik a legnagyobb mértékben járultak hozzá a matematika és a mechanika fejlődéséhez. Ezek voltak Newton, Euler, Clairaut, d'Alembert, Lagrange, Laplace. És jelenleg a matematika segít megoldani az égi ballisztikai problémákat, és viszont lendületet kap a fejlődéséhez a kozmodinamika által rájuk rótt feladatoknak köszönhetően.

A klasszikus égi mechanika tisztán elméleti tudomány volt. Következtetéseit a csillagászati ​​megfigyelési adatok következetesen megerősítették. A kozmodinamika bevezette a kísérletet az égi mechanikába, és az égi mechanika először vált kísérleti tudománygá, e tekintetben hasonló mondjuk a mechanika egy olyan ágához, mint az aerodinamika. A klasszikus égi mechanika önkéntelen passzív természetét felváltotta az égi ballisztika aktív, támadó szelleme. Az asztronautika minden új vívmánya egyben bizonyítéka a kozmodinamikai módszerek hatékonyságának és pontosságának. A kozmodinamika két részre oszlik: az űrhajó tömegközéppontjának mozgáselméletére (az űrpályák elmélete) és az űrhajó tömegközépponthoz viszonyított mozgáselméletére (a „forgómozgás elmélete”).

Rakéta hajtóművek

A világűrben a fő és szinte egyetlen szállítóeszköz a rakéta, amelyet először 1903-ban K. E. Ciolkovszkij javasolt erre a célra. A rakéta meghajtásának törvényei az űrrepülés elméletének egyik sarokkövét jelentik.

A Cosmonautics számos rakétahajtómű-rendszerrel rendelkezik, amelyek különféle energiafajták felhasználásán alapulnak. De a rakétahajtómű minden esetben ugyanazt a feladatot látja el: így vagy úgy lök ki egy bizonyos tömeget a rakétából, amelynek tartaléka (az úgynevezett munkafolyadék) a rakéta belsejében található. Egy bizonyos erő hat a rakétából kilökött tömegre, és Newton harmadik mechanikai törvénye szerint - a hatás és a reakció egyenlőségének törvénye - ugyanaz az erő, de ellenkező irányú, hat a kilökött tömegből a rakétára. Ezt az utolsó erőt, amely a rakétát meghajtja, tolóerőnek nevezik. Intuitív módon egyértelmű, hogy a tolóerőnek nagyobbnak kell lennie, minél nagyobb az egységnyi idő alatti tömeg kilökődik a rakétából, és annál nagyobb a sebesség, amely a kilökött tömegre hárítható.

A rakétatervezés legegyszerűbb diagramja:

A tudomány és a technológia fejlődésének ezen szakaszában különböző működési elveken alapuló rakétahajtóművek léteznek.

Termokémiai rakétahajtóművek.

A termokémiai (vagy egyszerűen kémiai) motorok működési elve nem bonyolult: egy kémiai reakció (általában égési reakció) eredményeként nagy mennyiségű hő szabadul fel, és a magas hőmérsékletre hevített, gyorsan táguló reakciótermékek felszabadulnak. nagy sebességgel kilökődött a rakétából. A vegyipari motorok a termikus (hőcserélő) motorok tágabb osztályába tartoznak, amelyekben a munkafolyadék a melegítés révén történő tágulása következtében kiáramlik. Az ilyen motoroknál a kipufogógáz sebessége elsősorban a táguló gázok hőmérsékletétől és átlagos molekulatömegétől függ: minél magasabb a hőmérséklet és minél kisebb a molekulatömeg, annál nagyobb a kipufogógáz sebessége. Ezen az elven működnek a folyékony rakétahajtóművek, a szilárd tüzelésű rakétamotorok és a légbeszívású hajtóművek.

Atomtermikus motorok.

Ezeknek a motoroknak a működési elve szinte nem különbözik a vegyi motorok működési elvétől. A különbség az, hogy a munkaközeg nem a saját kémiai energiája, hanem az intranukleáris reakció során felszabaduló „idegen” hő hatására melegszik fel. Ezen elv alapján terveztek pulzáló nukleáris hőmotorokat, termonukleáris fúzión alapuló nukleáris hőmotorokat és izotópok radioaktív bomlását. A légkör radioaktív szennyeződésének veszélye, valamint a légkörben, űrben és víz alatti nukleáris kísérletek leállításáról szóló megállapodás megkötése azonban az említett projektek finanszírozásának megszűnéséhez vezetett.

Hőmotorok külső energiaforrással.

Működésük elve az energia kívülről történő fogadásán alapul. Ezen elv alapján egy napenergiával működő hőmotort terveznek, melynek energiaforrása a Nap. A tükrök által koncentrált napsugarak közvetlenül a munkafolyadék melegítésére szolgálnak.

Elektromos rakétamotorok.

A motorok e széles osztálya különféle motortípusokat egyesít, amelyeket jelenleg nagyon intenzíven fejlesztenek. A munkafolyadékot elektromos energia felhasználásával egy bizonyos kipufogó-sebességre felgyorsítják. Az energiát az űrhajó fedélzetén található atom- vagy naperőműből nyerik (elvileg akár vegyi akkumulátorból is). A fejlesztés alatt álló villanymotorok kialakítása rendkívül változatos. Ide tartoznak az elektrotermikus motorok, elektrosztatikus (ionos) motorok, elektromágneses (plazma) motorok, elektromos motorok, amelyek a légkör felső rétegeiből szívják be a munkafolyadékot.

Űrrakéták

A modern űrrakéta egy összetett szerkezet, amely több százezer és millió alkatrészből áll, amelyek mindegyike betölti a kívánt szerepet. De a rakéta szükséges sebességre gyorsításának mechanikája szempontjából a rakéta teljes kezdeti tömege két részre osztható: 1) a munkafolyadék tömegére és 2) a kibocsátás után fennmaradó végső tömegre. a munkafolyadékból. Ez utóbbit gyakran „száraz” tömegnek nevezik, mivel a munkafolyadék a legtöbb esetben folyékony üzemanyag. A rakéta „száraz” tömege (vagy, ha úgy tetszik, „üres” tömege, munkaközeg nélkül) a szerkezet tömegéből és a hasznos teher tömegéből áll. A konstrukció alatt nem csak a rakéta tartószerkezetét, héját stb. kell érteni, hanem a meghajtórendszert az összes egységgel együtt, a vezérlőrendszert, beleértve a vezérlőket, a navigációs és kommunikációs berendezéseket stb. - egyszóval, mindent, ami biztosítja a rakéta normális repülését. A hasznos teher tudományos berendezésekből, rádiótelemetriai rendszerből, a pályára bocsátandó űrhajó testéből, az űrhajó legénységéből és életfenntartó rendszeréből, stb. áll. A rakéta olyan dolog, amely nélkül a rakéta normális repülést tud végrehajtani.

A rakéta gyorsulását elősegíti, hogy a munkafolyadék kiáramlásával a rakéta tömege csökken, aminek következtében állandó tolóerő mellett a reaktív gyorsulás folyamatosan növekszik. De sajnos a rakéta nem csak egy munkafolyadékból áll. Ahogy a munkafolyadék lejár, a felszabaduló tartályok, a héj felesleges részei stb. elkezdik önsúllyal terhelni a rakétát, ami megnehezíti a gyorsulást. Néhány ponton tanácsos ezeket a részeket leválasztani a rakétáról. Az így megépített rakétát kompozit rakétának nevezzük. Gyakran egy kompozit rakéta független rakétafokozatokból áll (ennek köszönhetően az egyes fokozatokból különféle rakétarendszerek készíthetők), sorba kapcsolva. De lehetséges a lépcsők párhuzamos, egymás melletti összekapcsolása is. Végül vannak kompozit rakéták projektjei, amelyekben az utolsó fokozat az előzőbe kerül, ami az előzőbe van zárva stb.; ebben az esetben a fokozatok közös motorral rendelkeznek, és már nem független rakéták. Az utóbbi séma jelentős hátránya, hogy az elhasznált szakasz leválasztása után a sugár gyorsulása meredeken növekszik, mivel a motor változatlan marad, ezért a tolóerő nem változott, és a rakéta felgyorsult tömege meredeken csökkent. Ez megnehezíti a rakétavezetés pontosságát, és fokozott követelményeket támaszt a szerkezet szilárdságával szemben. A fokozatok sorba kapcsolásakor az újonnan bekapcsolt fokozat kisebb tolóerővel rendelkezik, és a gyorsulás sem változik élesen. Amíg az első szakasz működik, a fennmaradó szakaszokat a valódi hasznos teherrel együtt tekinthetjük az első szakasz hasznos tehernek. Az első fokozat szétválása után megkezdődik a második fokozat működése, amely a további fokozatokkal és a tényleges hasznos teherrel együtt önálló rakétát alkot („első alrakéta”). A második fokozatban az összes következő fokozat a valódi hasznos teherrel együtt a saját hasznos teher szerepét tölti be, stb. Mindegyik alrakéta hozzáteszi a saját ideális sebességét a meglévő sebességhez, és ennek eredményeként a végső ideális sebesség többlépcsős rakéta az egyes részrakéta ideális sebességének összege.

A rakéta nagyon „költséges” jármű. Az űrrepülőgép-hordozórakéták főként a hajtóművek és a főként üzemanyagtartályokból és meghajtórendszerből álló szerkezetük működéséhez szükséges üzemanyagot „szállítják”. A hasznos teher a rakéta kilövési tömegének csak kis részét (1,5-2,0%) teszi ki.

A kompozit rakéta az erőforrások hatékonyabb felhasználását teszi lehetővé, mivel repülés közben leválasztják az üzemanyagát kimerítő fokozatot, és a rakéta-üzemanyag többi részét nem pazarolják a kiégett fokozat tervezésének felgyorsítására. szükségtelen a repülés folytatásához.

Rakéta konfigurációs lehetőségek. Balról jobbra:

1. Egyfokozatú rakéta.
2. Kétfokozatú keresztmetszetű rakéta.
3. Kétfokozatú rakéta hosszirányú elválasztással.
4. Rakéta külső üzemanyagtartályokkal, amelyeket a bennük lévő üzemanyag kimerülése után leválasztanak.

Szerkezetileg a többlépcsős rakéták a fokozatok keresztirányú vagy hosszanti elválasztásával készülnek.

Keresztirányú elválasztásnál a fokozatok egymás fölé helyezkednek, és sorban egymás után működnek, csak az előző szakasz szétválasztása után kapcsolnak be. Ez a séma lehetővé teszi elvileg tetszőleges számú szakaszból álló rendszerek létrehozását. Hátránya, hogy a következő szakaszok erőforrásai nem használhatók fel az előző munkája során, passzív terhelést jelent számára.

Hosszanti elválasztással az első fokozat több egyforma rakétából áll (a gyakorlatban kettőtől nyolcig), amelyek szimmetrikusan helyezkednek el a második fokozat teste körül úgy, hogy az első fokozatú hajtóművek eredő tolóereje a szimmetriatengely mentén irányul. a második, és egyidejűleg működik. Ez a séma lehetővé teszi, hogy a második fokozat hajtóműve egyidejűleg működjön az első hajtóműveivel, ezáltal növelve a teljes tolóerőt, ami különösen az első fokozat működése során szükséges, amikor a rakéta tömege maximális. De a fokozatok hosszirányú elválasztásával rendelkező rakéta csak kétfokozatú lehet.

Létezik egy kombinált elválasztási séma is - hosszanti-keresztirányú, amely lehetővé teszi mindkét séma előnyeinek kombinálását, amelyben az első szakaszt hosszirányban osztják el a másodiktól, és az összes további szakasz elválasztása keresztirányban történik. Példa erre a megközelítésre a hazai Szojuz hordozórakéta.

Az űrrepülőgép egyedi kialakítása egy kétfokozatú, hosszirányban elválasztott rakéta, melynek első fokozata két oldalra szerelt szilárd tüzelőanyag-fokozóból áll, a második fokozatban az üzemanyag egy része a keringő tartályokban (az újrafelhasználható űrhajóban) található. maga), és nagy része egy levehető külső üzemanyagtartályban található. Először is, az orbitális meghajtórendszer üzemanyagot fogyaszt a külső tartályból, és amikor az kimerül, a külső tartályt alaphelyzetbe állítják, és a motorok továbbra is a keringő tartályokban lévő üzemanyaggal működnek. Ez a kialakítás lehetővé teszi a keringő hajtóműrendszerének maximális kihasználását, amely az űrhajó teljes pályára állítása során működik.

Keresztirányú szétválasztáskor a fokozatok speciális szakaszokkal - adapterekkel - hengeres vagy kúpos alakú teherhordó szerkezetekkel vannak összekötve (a fokozatok átmérőinek arányától függően), amelyek mindegyikének ki kell bírnia az összes későbbi teljes tömegét. fokozatok, megszorozva a rakéta által tapasztalt túlterhelés maximális értékével minden olyan szakaszban, amelyen ez az adapter a rakéta részét képezi. Hosszirányú felosztással a második fokozat testén erősávok (elöl és hátul) jönnek létre, amelyekhez az első fokozat blokkjait rögzítik.

A kompozit rakéta részeit összekötő elemek a szilárd test merevségét adják, és a fokozatok szétválasztásakor szinte azonnal el kell engedniük a felső fokozatot. Általában a lépcsőket piroboltokkal kötik össze. A pirobolt egy rögzítőcsavar, amelynek rúdjában a fej mellett üreget alakítanak ki, amelyet elektromos detonátorral töltenek meg erős robbanóanyaggal. Amikor áramimpulzust adnak az elektromos detonátorra, robbanás következik be, ami tönkreteszi a csavarrúd, és a feje leválik. A piroboltban lévő robbanóanyag mennyiségét gondosan adagolják, hogy egyrészt garantáltan letépje a fejet, másrészt ne sértse meg a rakétát. A fokozatok szétválasztásakor a szétválasztott részeket összekötő összes pirobolt elektromos gyutacsára egyidejűleg áramimpulzust adunk, és a kapcsolat megszűnik.

Ezután a lépcsőket biztonságos távolságra kell elhelyezni egymástól. (A magasabb fokozat motorjának indítása az alacsonyabb közelében az üzemanyag-kapacitás kiégését és a maradék üzemanyag felrobbanását okozhatja, ami károsítja a felső fokozatot, vagy destabilizálja annak repülését.) A légkörben lévő fokozatok szétválasztásakor a légkör aerodinamikai ereje a szembejövő légáram segítségével szétválaszthatóak, a leválasztáskor pedig az üregben néha segéd kis szilárd rakétamotorokat is alkalmaznak.

A folyékony rakétákon ugyanezek a hajtóművek a felső fokozat tartályaiban lévő üzemanyag „ülepítését” is szolgálják: az alsó fokozat motorjának kikapcsolásakor a rakéta tehetetlenségből, szabadesésben repül, míg a folyadék a tartályokban lévő üzemanyag felfüggesztve van, ami a motor indításakor meghibásodáshoz vezethet. A segédmotorok enyhe gyorsulással biztosítják a színpadot, melynek hatására az üzemanyag „leül” a tartályok aljára.

A lépések számának növelése csak egy bizonyos határig ad pozitív hatást. Minél több fokozat, annál nagyobb az adapterek össztömege, valamint a csak a repülés egy részén működő hajtóművek, és egy bizonyos ponton a fokozatok számának további növelése kontraproduktívvá válik. A modern rakétatudományi gyakorlatban általában négynél több szakaszt nem készítenek.

A fokozatok számának megválasztásakor a megbízhatósági szempontok is fontosak. A piroboltok és a kiegészítő szilárd hajtóanyagú rakétamotorok eldobható elemek, amelyek működése a rakéta kilövése előtt nem ellenőrizhető. Eközben egyetlen pirobolt meghibásodása a rakéta repülésének vészhelyzeti leállításához vezethet. A funkcionális vizsgálatnak nem alávetett eldobható elemek számának növekedése csökkenti a teljes rakéta megbízhatóságát. Ez arra is kényszeríti a tervezőket, hogy tartózkodjanak a túl sok lépéstől.

Kozmikus sebességek

Rendkívül fontos megjegyezni, hogy azt a sebességet, amelyet a rakéta (és vele együtt az egész űrhajó) az út aktív részén, vagyis azon a viszonylag rövid szakaszon, amíg a rakétahajtómû jár, nagyon-nagyon el kell érni. magas.

Gondolatban helyezzük el a rakétánkat a szabad térbe, és kapcsoljuk be a motorját. A motor tolóerőt hozott létre, a rakéta valamilyen gyorsulást kapott, és elkezdte felvenni a sebességet, egyenes vonalban haladva (ha a tolóerő nem változtatja meg az irányát). Mekkora sebességet ér el a rakéta, mire tömege a kezdeti m 0 értékről a végső m k értékre csökken? Ha feltételezzük, hogy a rakétából az anyag kiáramlásának w sebessége állandó (ezt a modern rakétákban elég pontosan megfigyelik), akkor a rakéta v sebességet fog kifejteni, kifejezve Ciolkovszkij-képlet, amely meghatározza azt a sebességet, amelyet a repülőgép egy rakétahajtómű tolóereje hatására, változatlanul irányul, minden más erő hiányában fejlődik:

ahol az ln a természetes, a log pedig a decimális logaritmusokat jelöli

A Ciolkovszkij-képlettel számított sebesség a rakéta energiaforrásait jellemzi. Ideálisnak hívják. Látjuk, hogy az ideális sebesség nem függ a munkafolyadék második tömegfogyasztásától, hanem csak a w kipufogógáz sebességétől és a z = m 0 /m k számtól, amelyet tömegaránynak vagy Ciolkovszkij-számnak nevezünk.

Létezik az úgynevezett kozmikus sebesség fogalma: első, második és harmadik. Az első kozmikus sebesség az a sebesség, amellyel a Földről indított test (űrhajó) műholdjává válhat. Ha nem vesszük figyelembe a légkör hatását, akkor közvetlenül a tengerszint felett az első szökési sebesség 7,9 km/s, és a Földtől való távolság növekedésével csökken. A Földtől 200 km-es magasságban 7,78 km/s. Gyakorlatilag az első szökési sebességet 8 km/s-nak feltételezzük.

Ahhoz, hogy a Föld gravitációját leküzdje, és például a Nap műholdjává alakuljon, vagy elérje a Naprendszer valamely másik bolygóját, a Földről indított testnek (űrhajónak) el kell érnie egy második szökési sebességet, amelyet egyenlőnek vesszük. 11,2 km/s-ig.

Egy testnek (űrhajónak) a harmadik kozmikus sebességgel kell rendelkeznie a Föld felszínén abban az esetben, ha szükséges, hogy legyőzze a Föld és a Nap gravitációját és elhagyja a Naprendszert. A harmadik szökési sebességet 16,7 km/s-nak feltételezik.

A kozmikus sebességek jelentőségükben óriásiak. Több tízszer gyorsabbak, mint a levegőben lévő hangsebesség. Csak ebből derül ki, hogy milyen összetett feladatok előtt állnak az űrhajózás területén.

Miért olyan hatalmasak a kozmikus sebességek, és miért nem esnek le az űrhajók a Földre? Valóban furcsa: a Nap hatalmas gravitációs erőivel közel tartja a Földet és a Naprendszer összes többi bolygóját, megakadályozva, hogy a világűrbe repüljenek. Furcsának tűnik, hogy a Föld a Holdat a közelében tartja. Minden test között vannak gravitációs erők, de a bolygók nem azért esnek a Napra, mert mozgásban vannak, ez a titok.

Minden lehull a Földre: esőcseppek, hópelyhek, hegyről lehulló kő és asztalról felborult csésze. És a Hold? A Föld körül kering. Ha nem lennének a gravitációs erők, érintőlegesen elrepülne a pályára, és ha hirtelen megállna, a Földre zuhanna. A Hold a Föld gravitációja miatt letér az egyenes útról, mindvégig mintha „esne” a Földre.

A Hold mozgása egy bizonyos ív mentén történik, és amíg a gravitáció működik, a Hold nem esik le a Földre. Ugyanez a helyzet a Földdel – ha megállna, a Napba esne, de ez nem ugyanazon okból fog megtörténni. Kétféle mozgás - az egyik a gravitáció, a másik a tehetetlenség hatására - összeadódik, és görbe vonalú mozgást eredményez.

Az univerzális gravitáció törvényét, amely egyensúlyban tartja az Univerzumot, Isaac Newton angol tudós fedezte fel. Amikor közzétette felfedezését, az emberek azt mondták, hogy megőrült. A gravitáció törvénye nemcsak a Hold és a Föld mozgását határozza meg, hanem a Naprendszerben található összes égitestét, valamint a mesterséges műholdakat, orbitális állomásokat és a bolygóközi űrhajókat is.

Kepler törvényei

Mielőtt megvizsgálnánk az űrhajók pályáit, vegyük figyelembe a Kepler-törvényeket, amelyek leírják őket.

Johannes Keplernek volt szépérzéke. Egész felnőtt életében azt próbálta bebizonyítani, hogy a Naprendszer valamiféle misztikus műalkotás. Felépítését először a klasszikus ógörög geometria öt szabályos poliéderével próbálta összekapcsolni. (A szabályos poliéder egy háromdimenziós alakzat, amelynek minden lapja egyenlő szabályos sokszög.) Kepler idejében hat bolygót ismertek, amelyekről azt hitték, hogy forgó „kristálygömbökön” helyezkedtek el. Kepler azzal érvelt, hogy ezek a gömbök úgy vannak elrendezve, hogy a szabályos poliéderek pontosan illeszkedjenek a szomszédos gömbök közé. A két külső gömb - a Szaturnusz és a Jupiter - közé a külső gömbbe írt kockát helyezett el, amelybe viszont a belső gömb van beleírva; a Jupiter és a Mars gömbjei között – egy tetraéder (szabályos tetraéder) stb. Hat bolygógömb, közéjük öt szabályos poliéder – úgy tűnik, maga a tökéletesség?

Sajnos, miután modelljét összehasonlította a bolygók megfigyelt pályájával, Kepler kénytelen volt elismerni, hogy az égitestek valós viselkedése nem illeszkedik az általa felvázolt harmonikus keretek közé. Kepler fiatalkori impulzusának egyetlen eredménye, amely túlélte az évszázadokat, a naprendszer modellje volt, amelyet maga a tudós készített, és amelyet védnökének, Frederick von Württemburg hercegnek ajándékozott. Ebben a gyönyörűen kivitelezett fémtárgyban a bolygók összes keringési gömbje és a bennük lévő szabályos poliéderek egymással nem kommunikáló üreges tartályok, amelyeket ünnepnapokon különféle italokkal kellett volna megtölteni, hogy a herceg vendégeit megvendégeljék.

Csak miután Prágába költözött, és a híres dán csillagász, Tycho Brahe asszisztense lett, Kepler olyan ötletekre bukkant, amelyek valóban megörökítették nevét a tudomány évkönyveiben. Tycho Brahe egész életében csillagászati ​​megfigyelési adatokat gyűjtött, és hatalmas mennyiségű információt halmozott fel a bolygók mozgásáról. Halála után Kepler birtokába kerültek. Ezeknek a feljegyzéseknek egyébként akkoriban nagy kereskedelmi értéke volt, hiszen finomított asztrológiai horoszkópok összeállítására szolgáltak (ma a tudósok inkább hallgatnak a korai csillagászat ezen részéről).

Tycho Brahe megfigyeléseinek eredményeinek feldolgozása közben Kepler olyan problémával szembesült, amely még a modern számítógépek mellett is megoldhatatlannak tűnhet valakinek, és Keplernek nem volt más választása, mint minden számítást kézzel elvégezni. Természetesen, mint korának legtöbb csillagásza, Kepler is ismerte már a kopernikuszi heliocentrikus rendszert, és tudta, hogy a Föld a Nap körül kering, amit a naprendszer fentebb leírt modellje is bizonyít. De hogyan is forog pontosan a Föld és más bolygók? Képzeljük el a problémát a következőképpen: Ön egy bolygón tartózkodik, amely egyrészt forog a tengelye körül, másrészt a Nap körül kering egy Ön számára ismeretlen pályán. Az égre nézve más bolygókat látunk, amelyek szintén számunkra ismeretlen pályán mozognak. A feladat pedig az, hogy a Nap körüli tengelye körül forgó földgömbünkön végzett megfigyelési adatok alapján meghatározzuk más bolygók pályáinak geometriáját és mozgási sebességét. Keplernek végül pontosan ez sikerült, ami után a kapott eredmények alapján levezette három törvényét!

Az első törvény a bolygópályák pályáinak geometriáját írja le: a Naprendszer minden bolygója egy ellipszisben kering, amelynek egyik gócában a Nap található. Az iskolai geometriatanfolyamból - az ellipszis egy síkon lévő pontok halmaza, a távolságok összege, amelyektől két fix pont - góc - található, egyenlő egy állandóval. Vagy más szóval - képzeljük el a kúp oldalfelületének egy szakaszát az alapjához képest szöget bezáró síkkal, és nem halad át az alapon - ez is egy ellipszis. Kepler első törvénye kimondja, hogy a bolygók pályája ellipszisek, az egyik gócban a Nap található. A pályák excentricitása (megnyúlási foka) és a Naptól való távolságuk a perihéliumban (a Naphoz legközelebbi pont) és az apohéliában (a legtávolabbi pont) minden bolygó esetében eltérő, de minden elliptikus pályán van egy közös vonás: a Nap az ellipszis két gócának egyikében helyezkedik el. Tycho Brahe megfigyelési adatainak elemzése után Kepler arra a következtetésre jutott, hogy a bolygópályák egymásba ágyazott ellipszisek halmaza. Előtte ez egyszerűen egyetlen csillagásznak sem jutott eszébe.

Kepler első törvényének történelmi jelentőségét nem lehet túlbecsülni. Előtte a csillagászok úgy vélték, hogy a bolygók kizárólag körpályán mozognak, és ha ez nem fért bele a megfigyelések keretébe, a fő körmozgást kis körökkel egészítették ki, amelyeket a bolygók a fő körpálya pontjai körül írtak le. Ez elsősorban filozófiai álláspont volt, egyfajta megváltoztathatatlan tény, amely nem volt kétségnek vagy igazolásnak kitéve. A filozófusok azzal érveltek, hogy az égi szerkezet a földivel ellentétben tökéletes a harmóniájában, és mivel a geometriai alakzatok közül a legtökéletesebb a kör és a gömb, ez azt jelenti, hogy a bolygók körben mozognak. A lényeg az, hogy Tycho Brahe kiterjedt megfigyelési adataihoz hozzájutva Johannes Kepler képes volt átlépni ezen a filozófiai előítéleten, látva, hogy az nem felel meg a tényeknek – ahogy Kopernikusz is ki merte venni a Földet a középpontból. az univerzumról, olyan érvekkel szembesülve, amelyek ellentmondanak a tartós geocentrikus elképzeléseknek, amelyek a bolygók keringési pályán való „nem megfelelő viselkedéséből” is álltak.

A második törvény a bolygók Nap körüli mozgási sebességének változását írja le: minden bolygó a Nap középpontján átmenő síkban mozog, és egyenlő időn belül a Napot és a bolygót összekötő sugárvektor egyenlő területeket ír le. . Minél távolabb kerül az elliptikus pálya egy bolygót a Naptól, annál lassabb a mozgás; minél közelebb van a Naphoz, annál gyorsabban mozog a bolygó. Most képzeljünk el egy pár vonalszakaszt, amely összeköti a bolygó két helyzetét a pályáján annak az ellipszisnek a fókuszával, amelyben a Nap található. A közöttük elhelyezkedő ellipszis szegmenssel együtt egy szektort alkotnak, melynek területe pontosan az „egyenes szakasz által levágott terület”. A második törvény pontosan erről szól. Minél közelebb van a bolygó a Naphoz, annál rövidebbek a szakaszok. De ebben az esetben ahhoz, hogy a szektor egyenlő idő alatt egyenlő területet lefedjen, a bolygónak nagyobb távolságot kell megtennie a pályáján, ami azt jelenti, hogy a mozgási sebessége nő.

Az első két törvény egyetlen bolygó keringési pályáinak sajátosságaival foglalkozik. Kepler harmadik törvénye lehetővé teszi, hogy a bolygók keringését összehasonlítsuk egymással: a bolygók Nap körüli forgási periódusainak négyzetei a bolygók keringési pályájának fél-főtengelyeinek kockáiként viszonyulnak egymáshoz. Azt mondja, hogy minél távolabb van egy bolygó a Naptól, annál tovább tart a teljes körforgás megtétele a pályán való mozgás során, és ennek megfelelően annál tovább tart az „év” ezen a bolygón. Ma már tudjuk, hogy ez két tényezőnek köszönhető. Először is, minél távolabb van egy bolygó a Naptól, annál hosszabb a pályája kerülete. Másodszor, a Naptól való távolság növekedésével a bolygó mozgásának lineáris sebessége is csökken.

Kepler törvényeiben egyszerűen tényeket állapított meg, miután tanulmányozta és általánosította a megfigyelések eredményeit. Ha megkérdezted volna tőle, hogy mi okozta a pályák ellipticitását vagy a szektorok területeinek egyenlőségét, nem válaszolt volna. Ez egyszerűen következett az általa végzett elemzésből. Ha más csillagrendszerek bolygóinak keringési mozgásáról kérdezné, akkor sem lenne mit válaszolnia. Mindent elölről kell kezdenie – megfigyelési adatokat kell felhalmoznia, majd elemeznie kell azokat, és megpróbálnia azonosítani a mintákat. Vagyis egyszerűen nem lenne oka azt hinni, hogy egy másik bolygórendszer ugyanazoknak a törvényeknek engedelmeskedik, mint a Naprendszer.

Newton klasszikus mechanikájának egyik legnagyobb diadala éppen abban rejlik, hogy alapvetően igazolja Kepler törvényeit, és kijelenti azok egyetemességét. Kiderült, hogy a Kepler-törvények Newton mechanikai törvényeiből, az egyetemes gravitáció Newton-törvényéből és a szögimpulzus-megmaradás törvényéből származtathatók szigorú matematikai számításokkal. És ha igen, biztosak lehetünk benne, hogy Kepler törvényei egyformán érvényesek az Univerzum bármely bolygórendszerére. Az űrben új bolygórendszereket kereső csillagászok (és ezek közül jó néhányat már felfedeztek is) időről időre magától értetődően a Kepler-egyenletek segítségével számítják ki a távoli bolygók pályájának paramétereit, bár közvetlenül nem tudják megfigyelni őket. .

Kepler harmadik törvénye fontos szerepet játszott és játszik a modern kozmológiában. A távoli galaxisok megfigyelésével az asztrofizikusok a galaktikus központtól nagyon távoli pályákon keringő hidrogénatomok által kibocsátott halvány jeleket észlelik - sokkal távolabb, mint a csillagok általában. A Doppler-effektus segítségével ennek a sugárzásnak a spektrumában a tudósok meghatározzák a galaktikus korong hidrogén-perifériájának forgási sebességét, és ezek alapján a galaxisok egészének szögsebességét. A tudós munkái, aki határozottan rávezetett bennünket a naprendszerünk szerkezetének helyes megértésére, és ma, évszázadokkal halála után, olyan fontos szerepet játszanak a hatalmas Univerzum szerkezetének tanulmányozásában.

Keringők

Nagyon fontos az űrhajók repülési pályáinak kiszámítása, amelyben a fő célt kell követni - a maximális energiamegtakarítást. Az űrrepülőgép repülési útvonalának számításakor meg kell határozni a legelőnyösebb időpontot és lehetőség szerint a kilövés helyét, figyelembe kell venni azokat az aerodinamikai hatásokat, amelyek az eszköznek a Föld atmoszférájával való kölcsönhatása következtében keletkeznek az indítás során, ill. befejezni, és még sok más.

Sok modern űrhajó, különösen a személyzettel rendelkező űrjárművek viszonylag kicsi fedélzeti rakétamotorokkal rendelkeznek, amelyek fő célja a pálya szükséges korrekciója és leszállás közbeni fékezése. A repülési útvonal kiszámításakor figyelembe kell venni annak beállítással járó változásait. A pálya nagy részét (valójában a teljes pályát, kivéve az aktív részét és a beállítási időszakokat) kikapcsolt motorokkal hajtják végre, de természetesen az égitestek gravitációs mezőinek hatására.

Az űrhajó pályáját pályának nevezzük. Az űrhajó szabad repülése során, amikor a fedélzeti sugárhajtóműveket kikapcsolják, a mozgás gravitációs erők és tehetetlenség hatására történik, a fő erő a Föld gravitációja.

Ha a Földet szigorúan gömb alakúnak tekintjük, és a Föld gravitációs mezejének hatása az egyetlen erő, akkor az űrhajó mozgása betartja a jól ismert Kepler-törvényeket: egy álló (abszolút térben) áthaladó síkban történik. a Föld középpontja - a keringési sík; a pálya ellipszis vagy kör alakú (az ellipszis speciális esete).

A pályákat számos paraméter jellemzi - egy olyan mennyiségrendszer, amely meghatározza az égitest pályájának térbeli tájolását, méretét és alakját, valamint az égitest pályáján elfoglalt helyzetét egy meghatározott pillanatban. A háborítatlan pályát, amelyen a test a Kepler-törvényeknek megfelelően mozog, a következők határozzák meg:

1. Orbitális dőlésszög (i) a referenciasíkhoz; értéke 0° és 180° között lehet. A dőlésszög kisebb, mint 90°, ha úgy tűnik, hogy a test az óramutató járásával ellentétes irányba mozog az északi ekliptika vagy az északi égi póluson található megfigyelőhöz képest, és több mint 90°, ha a test ellenkező irányba mozog. A Naprendszerre alkalmazva általában a Föld keringési síkját (az ekliptikus síkot) választják referenciasíkként; a Föld mesterséges műholdainál általában a Föld egyenlítőjének síkját választják referenciasíknak; A Naprendszer bolygói esetében általában a megfelelő bolygó egyenlítői síkját választják referenciasíknak.
2. Növekvő csomóponti hosszúság (Ω)- a pálya egyik alapeleme, a pálya alakjának és térbeli tájolásának matematikai leírására szolgál. Meghatározza azt a pontot, ahol a pálya metszi a fősíkot délről északra. A Nap körül keringő testeknél a fő sík az ekliptika, a nullapont pedig a Kos első pontja (tavaszi napéjegyenlőség).
3. Fő tengely(ek) az ellipszis főtengelyének fele. A csillagászatban egy égitest átlagos távolságát jellemzi a fókusztól.
4. Különcség- kúpszelvény numerikus jellemzője. Az excentricitás invariáns a síkmozgások és a hasonlósági transzformációk tekintetében, és a pálya „összenyomódását” jellemzi.
5. Periapszis érv- a vonzási középpont és a pálya felszálló csomópontja és a periapszis (a műhold pályájának a vonzásközépponthoz legközelebb eső pontja) közötti szög, vagy a csomópontok vonala és a pálya vonala közötti szög. apszisok. A vonzási középponttól számítva a műhold mozgásának irányában, általában 0°-360° tartományban van kiválasztva. A felszálló és leszálló csomópont meghatározásához egy bizonyos (ún. alap) síkot választunk ki, amely tartalmazza a vonzási központot. Alapsíkként általában az ekliptikai síkot (bolygók, üstökösök, aszteroidák Nap körüli mozgása), a bolygó egyenlítői síkját (műholdak mozgása a bolygó körül) stb.
6. Átlagos anomália zavartalan pályán mozgó test esetében - átlagos mozgásának és a periapszis áthaladását követő időintervallum szorzata. Így az átlagos anomália az átlagos mozgással megegyező állandó szögsebességgel mozgó hipotetikus test periapszisától mért szögtávolság.

Különféle típusú pályák léteznek: egyenlítői (hajlásszög "i" = 0°), poláris (hajlásszög "i" = 90°), napszinkron pályák (a pályaparaméterek olyanok, hogy a műhold a Föld bármely pontján áthalad hozzávetőlegesen ugyanabban az időben a helyi napidő), alacsony keringési (160 km-től 2000 km-ig terjedő magasságok), középpályás (2000 km-től 35786 km-ig terjedő magasságok), geostacionárius (35786 km magasság), nagypályás (35786-nál nagyobb magasságok) km).

A harmadik évezredbe lépő fiatalabb generáció minden bizonnyal szemtanúja lesz a történelem első bolygóközi repülésének a Föld-Mars-Föld útvonalon, és néhányan lehetőséget kapnak, hogy közvetlen résztvevői legyenek. A Mars a következő égitest, amelyre az ember beteszi a lábát. Hogyan fog haladni a legénység Marsra tartó repülése?

Bár a modern űrrakéták hajtóművei még nem elég fejlettek, csak viszonylag kis repülési szegmensekre használják őket. Alapvetően a Nap gravitációs erejéhez kell folyamodnia. Ebből a szempontból a bolygóközi pálya kétféle szakaszra osztható.

Ezek közül az első az aktív szakasz, amelyben járó hajtóművek mellett hajtják végre a repülést. Több ilyen terület is lehet.

Egy előre kiszámított időpontban bekapcsolják a rakétaerősítő egység hajtóműveit, és a bolygóközi űrszonda elindul a Föld-közeli pályáról. A célbolygó eléréséhez a repülési pályát úgy kell kiszámítani, hogy a Föld hatókörének elhagyása és a Nap gravitációs terébe való belépés után hajónk tovább repüljön a bolygóval tervezett találkozási pontig. Az űrhajó pályáját egyrészt a kezdeti sebessége és mozgásiránya (a Föld-közeli pályáról való kilövés pillanatában), másrészt maga a Nap gravitációja határozza meg. Az űrrepülőgép repülését a bolygók és műholdaik is zavarják - letérítik azt a számított útról. De ezek az eltérések kicsik, és könnyen kiküszöbölhetők a korrekciós rakétahajtóművek rövid időre történő bekapcsolásával a repülési útvonal mentén.

Ahhoz, hogy az űrszonda (SC) bekerüljön a Marsra számított pályára, legalább 11,6 km/s sebességet kell adni neki. És amint elérjük a kívánt sebességet, a bolygóközi útvonal második, passzív szakaszán lekapcsolt hajtóművekkel hosszú repülés kezdődik.

Így a bolygóközi űrhajó repülése főként tehetetlenség útján történik a Nap gravitációs mezejében. Ugyanez az erő alkotja a bolygóközi pályát is. Amikor kis sebességgel indulunk el a Földről, az nem más, mint egy nap körüli elliptikus pálya.

A Nap gravitációs mezejében tett hosszú repülés után hírvivőnk a Mars befolyási övezetébe kerül, és a repülési útvonal mentén közel mozog. Mivel a hajó sebessége meghaladja a második kozmikus sebesség értékét a Mars közelében (5,0 km/s), a bolygó nem tudja azt a közelében tartani. Miután a Mars közelében repült, az űrhajónak elkerülhetetlenül a Nap műholdjává kell válnia. Mit kell tenni, hogy a hajó ne távolodjon el a daltól, hanem a Mars műholdjának pályájára kerüljön?

Mint már tudjuk, az egyik pályáról a másikra való átmenet a mozgás sebességének változtatásával valósul meg. Ebben az esetben az űreszköz sebességét körülbelül az első Mars-közeli kozmikus sebesség értékére, azaz 3,55 km/s-ra kell csökkenteni. Ezt a fékező rakétamotor rövid időre történő bekapcsolásával érik el. És amíg a motor jár, a repülés ismét aktív. Vegye figyelembe, hogy egy ilyen manőver szükségessége minden alkalommal felmerül, amikor bármely űreszközt a Lupa, a Mars vagy bármely más bolygó pályájára bocsátanak. A Mars és a Föld körüli pályán a mozgás passzív. És végül a terület utolsó része az a terület, ahol a leszálló jármű leereszkedik a bolygó felszínére.

Ha a bolygónak nincs légköre, mint például a Holdon, vagy nagyon ritka, mint a Merkúron vagy a Marson, akkor speciális fékező rakétamotorokat kell használni a fékezéshez és a leszálló jármű lágy leszállásának biztosításához. Hasonló módon az Apollo holdkabinjai amerikai űrhajósokkal lágy landolást hajtottak végre Lupa felszínén. Ahhoz, hogy egy űrhajó lágy leszállást biztosítsunk egy sűrű légkörű bolygó felszínén, szükséges51 aerodinamikus fékezés. Példaként már megismerkedhettünk azzal, hogy miként történt a szovjet automata bolygóközi állomások leszállása és leszállása a Vénusz felszínére. Az ellenkező irányú - a Föld felé - repülés ugyanígy fog megtörténni, ezért nem ismételjük meg.

Szeretném megjegyezni, hogy ezt a klasszikus repülési sémát más bolygóvilágokra a kiváló szovjet tudós, Jurij Vasziljevics Kondratyuk (1897-1942) dolgozta ki. „A bolygóközi tér meghódítása” című, 1929-ben megjelent könyve részletes elméleti indoklást tartalmaz a Holdra és a Naprendszer bolygóira való repülésekhez. És 40 évvel később sikeresen átültették a gyakorlatba. Kondratyuk séma szerint hajtották végre az amerikai Apollo repüléseket a Holdra.

A bolygóközi elliptikus pályákat tekintik a leggazdaságosabbnak, mivel ezek mentén az űrhajók repülése minimális energiaköltséggel történik. Az elliptikus pályáknak van egy jelentős hátránya: a repülési idő túl hosszú. Például egy fél-elliptikus repülés a Marsra 259 napig tart, azaz több mint 8,5 hónapig.

Egy legénységgel a Marsra repülõ hajó esetében felmerül a probléma az emberek kötelezõ visszatérése a Földre. És amíg ezt a problémát meg nem oldják, szó sem lehet emberi repülésről a bolygókra. Mennyi ideig tart a teljes repülés?

Kezdjük azzal a ténnyel, hogy a bolygóközi űrhajót a célbolygó Földhöz viszonyított megfelelő elhelyezkedésének időszakában kell repülésbe küldeni. Különben nem fogja elérni. Az ilyen „indítási ablakok” a Marsra való kilövéseknél átlagosan 2 év és 2 hónap után ismétlődnek. És ahhoz, hogy a legénység biztonságosan visszatérhessen a Földre, az embereknek 450 napot kell várniuk a Marson, amíg megérkezik a Földre való repülés „kilövő ablaka”. Végül a teljes utazás 2 év és 8 hónapig tart! Teljesen egyértelmű, hogy az ilyen határidők elfogadhatatlanok. Hogyan legyen?

A bolygóközi repülés időtartamának jelentős csökkentése érhető el az indulás pillanatában a kezdeti sebesség növelésével. Tegyük fel, hogy az alacsony földi pályáról indítva a rakéta egy harmadik menekülési sebességet ad a hajónak - 16,7 km/s. Ekkor a repülés már nem ellipszis, hanem nagysebességű parabola pályán történik, és utazóink mindössze 70 nap alatt elérhetik a Marsot! Ebben az esetben a Marson töltött idő 12 napra csökkenthető, a Föld-Mars-Föld útvonalon pedig 152 napig tart az utazás.

De minél tovább kell repülnie, annál nagyobb sebességre van szükség ahhoz, hogy a bolygóközi űrszondát indításkor átadja. Tehát, ha a legközelebbi bolygókra - Benera és Mars - a minimális kezdősebesség a Földhöz képest 11,5 és 11,6 km/s, akkor a Jupiter felé történő repülésnél a kezdeti sebességnek legalább 14,2 km/s-nak kell lennie. s ., és elérni a távoli Plútót - 16,3 km/s, azaz majdnem megegyezik a harmadik kozmikus sebességgel. Ez utóbbi azzal magyarázható, hogy ahhoz, hogy a Naprendszer peremére repüljön, a hajónak rendelkeznie kell némi további energiatartalékkal, amely szükséges a Nap gravitációs erejének leküzdéséhez.

És végül, ha bolygóközi repülésre indulunk a harmadik kozmikus sebesség értékét meghaladó sebességgel, akkor hajónk már nem egy parabola mentén, hanem a leggyorsabb - hiperbolikus útvonalon repül. A hiperbolikus sebességek elérése lehetővé teszi a bolygóközi repülési idők minimalizálását.

De hogyan lehet ilyen nagy sebességet elérni? Az új űrtechnológia tudósai és tervezői erre a problémára megoldást látnak nukleáris és elektromos rakétahajtóművekkel rendelkező bolygóközi űrhajók létrehozásában.

A táblagép kinyitása után a repülőgép-navigátor büszkélkedhet: itt a közelgő repülés útvonala. A ballisztikusok persze féltékenyek, hogy a pilóták ilyen hatékonyan és világosan tudják ábrázolni az útjukat. És azon kezdtek gondolkodni, hogy lehet-e találni valami hasonlót egy űrhajó repülésének leírására? Ennek eredményeként találtak egy kényelmes módot arra, hogy a műhold Földhöz viszonyított mozgásának természetét pontosan ugyanazokon a térképeken tükrözze, mint a repülésben. És valószínűleg ennek a teljesítménynek a tiszteletére az egyik űrhajósról szóló dalban a következő szavak jelentek meg: „Az űrtérképek a táblákba vannak töltve”... A dal következő sorát illetően azonban „És a navigátor tisztázza az útvonalat az utolsónak” ideje” – különösen annak szerzőjével kellene beszélnünk. Ön már tudja, hogy az útvonal pontosítása azt jelenti, hogy valahogy megváltoztatjuk a mozgás kezdeti feltételeit. Ők pedig a legfejlettebb elektronikus számítógépekkel végzett hosszú, munkaigényes számítási munka eredményeként válnak ballisztikai szakemberekké, figyelembe véve a rakéta minden képességét és a repülési program követelményeit. Éppen ezért a navigátor közvetlenül a rajt előtt („...Végül is van még 14 percünk”) gyakorlatilag nem tudja „utoljára” pontosítani az útvonalat.

A ballisztika hangzatos szóval nevezte az űrhajó Földhöz viszonyított útvonalát útvonal.

A műhold repülési útvonala a pályájának a Föld felszínére való vetülete. Ez a következőképpen épül fel. Minden adott időpillanathoz kiszámítják a műhold mozgásának előrejelzését, azaz meghatározzák a koordinátáit. Ekkor azt a pontot, ahol a műhold található, egyenes vonal köti össze a Föld középpontjával. Ennek az egyenesnek a Föld felszínével való metszéspontját ún szubműholdas pont.

A műhold alatti pontok bizonyos időpillanatokra történő felépítésével és sima görbével összekötve mozgási útvonalat kapunk.

A műhold egyszerű mechanikus modellje elkészíthető a műhold útjának ábrázolására. Ehhez vegyünk a Föld egy közönséges iskolagömbjét, és rögzítsünk mellé egy merev fém karikát úgy, hogy a földgömb a karika belsejében legyen, a karika és a földgömb középpontja pedig egybeessen (22. ábra). A földgömb a forgó Földet jelképezi, a karika pedig egy körpályát. Most helyezze a ceruzát a karikára úgy, hogy a hegye érintse a földgömböt, és a középpontja felé irányuljon. Ha a ceruzát a karika mentén mozgatja, akkor egy műhold repülését fogja ábrázolni. Ha egyidejűleg elforgatja a földgömböt (a Föld forgását szimulálja), a ceruza sima görbét hagy a földgömbön, amely a műhold nyomát ábrázolja. Minél pontosabb lesz az útvonal, annál jobban fenntartja a Föld forgási periódusainak és a műhold forgásának arányát.

A műhold Földhöz viszonyított mozgásának modellje természetesen jelentősen javítható, és tükrözheti rajta a műhold természetes ütemű repülését. Erre a célra egy automatikus rendszert használhat, amely szinkronizálja a földgömb forgását a Föld forgásával, és mozgatja a műholdmodellt a földgömb felszínén - a Földhöz viszonyított tényleges repülésével. Ekkor a modell helyzete a földgömbön minden időpillanatban pontosan megfelel a repülő hajó koordinátáinak. Ilyen eszközt használtak az első mesterséges földi műholdak felbocsátásakor, és egyelőre az újságírók csodálatának tárgya volt. Ez a korábban a koordinációs és számítástechnikai központba telepített földgömb azonban már betöltötte a célját. A földgömb helyett egy hatalmas matt fényernyő jelent meg a Föld térképével. Egy világító folt kúszik végig a térképen, egy speciális elektronikus számláló eszköz által irányítva. Ez a folt egy repülő űrhajót jelképez. Ugyanezen a térképen bizonyos ikonokkal vannak jelölve a földi mérési pontok és ezek ovális alakú rádióláthatósági zónái. Amikor a „nyuszi” belép a következő oválisba, ez azt jelenti, hogy ez a mérési pont „látja” a repülő hajót, és így kapcsolatot tud tartani vele.

De miután a koordinációs és számítástechnikai központban lejárt, a földgömb továbbra is az űrhajósok nélkülözhetetlen segédje marad. A fedélzeten, az űrhajós kabinjában van felszerelve. Számukra a földgömb egy nagyon kényelmes és fontos eszköz, amely segíti őket a repülés közbeni eligazodásban és a Föld földrajzi „adottságai” felismerésében. Az ilyen földgömböt gyakran navigációs földgömbnek nevezik, és a Vostok, Voskhod és Szojuz műholdakon használják.

Miután megtanulta a műholdas repülési útvonalak földgömbön vagy térképen történő ábrázolását, most megfontolhatja, hogyan néznek ki, és milyen orbitális elemek határozhatók meg segítségükkel.

Kezdjük egy helyhez kötött földi műhold útvonalának megszerkesztésének legegyszerűbb esetével. Hagyja, hogy ez a műhold egyenlítői pályán mozogjon. Keringési sugara a feltételből állapítható meg: a műhold keringési periódusának meg kell egyeznie egy sziderális nappal (azaz az idővel, amely alatt a Föld egy teljes fordulatot tesz a tengelye körül a csillagokhoz képest). A számítások szerint a műhold pályájának sugarának 35809 km-nek kell lennie. Más szóval, a műhold 29438 km magasságban repül 3076 sebességgel. m/sec. Ha egy álló egyenlítői pályán mozog, úgy tűnik, hogy a Föld felszínének ugyanazon a pontján lóg, amely az egyenlítőjén található. A műholdpályát rendkívül egyszerűen ábrázolják: egy pont egy szálon. Íme a mozgalom teljes „útvonala”! Ez a körülmény persze nem csak a pilótáknak vagy a tengerészeknek adhat táplálékot az iróniához, de még a gyalogosoknak is, akik bár lassan, de mégis mozognak a Föld felszínéhez képest. A ballisztikusok és a csillagászok azonban válaszolhatnak rájuk: a természet korántsem közömbös az álló pályákkal szemben, mert a Föld a Holdhoz képest egyfajta álló „műhold”. A Hold fényes arca mindig ugyanazzal az oldallal néz a Föld felé, és a Föld képletesen szólva a Hold felszínének állandó területe felett lóg. És csak a Luna-3 bolygóközi állomást létrehozó emberek erőfeszítéseinek köszönhetően sikerült a Holdnak a Föld elől elrejtett részén túlra tekinteni, elhagyva az álló pályát. Ha a műhold pályájának sugara kisebb, mint az álló pálya sugara, akkor keringési periódusa lecsökken, azaz egy fordulatot gyorsabban tesz meg, mint a Föld forog. A műhold repülési útvonala egybeesik a Föld egyenlítőjével, és a műhold alatti pont nyugatról keletre fog haladni (a Föld forgási irányába), ellenkezőleg, amikor a műholdat olyan pályára bocsátják, amelynek sugara meghaladja az állópálya sugara, akkor mozgásában lemarad a Föld forgásától és a szubszatellitpont az Egyenlítő mentén keletről nyugatra a Föld forgásával ellentétes irányba mozog.

Hogyan fog kinézni az út, ha a műhold pályasíkja nem esik egybe az egyenlítői síkkal? Ennek megértéséhez nézzük meg az ábrát. 23. Sematikusan mutatja a Földet és a műhold pályáját „szélről” nézve. Innen azonnal világos, hogy az útpontok legnagyobb szélessége számszerűen egyenlő lesz a pályasík dőlésével. Így a Föld-műhold körpályájának útja a Földtérképen az egyenlítőtől északra és délre elhelyezkedő párhuzamosok közötti sávban fog elhelyezkedni, a pályasík dőlésszögével megegyező szögben. Ez azt jelenti, hogy ha egy műhold körpályán a repülési útvonala adott, akkor azon megtalálhatja az útvonal egyenlítőtől legtávolabbi pontjának szélességi fokát, és ez számszerűen megegyezik a pályasík egyenlítőhöz képesti dőlésével.

Tekintsük most a műhold mozgását attól a pillanattól kezdve, amikor átlépte az Egyenlítőt a déli féltekéről az északira való átmenet során (mint ismeretes, a műhold alatti pont ebben a pillanatban megfelel a felszálló helyzetének a pálya csomópontja). A műhold egy keringési pályája során, vagyis mire az Egyenlítőhöz ér, a Föld egy bizonyos szögben elfordul, melynek nagysága a műhold forgási periódusától függ. Ezt az egyenlítő mentén mért szöget ballisztikának nevezik műhold eltolása a hosszúságban pályafordulatonként (a rövidség kedvéért néha pályánkénti elmozdulást mondanak). Egy 200 km-es keringési magasságban lévő kör alakú földi műhold esetében az elmozdulás 22° lesz. A pályasugár növekedésével a pályánkénti elmozdulás is nő, és az álló műholdak esetében eléri a 24 sziderális órát.

ábrán láthatók a különböző műhold-útvonalak példái. 24, 25. Az ábrák vízszintes tengelyei a műhold földfelszínre való vetületének hosszúságát, a függőleges tengelyek pedig a szélességi fokot mutatják. Ezek az ábrák egyértelműen mutatják, hogy a műhold útja mindig két párhuzamos sávban halad, szimmetrikusan az egyenlítőhöz képest.

Nézzük meg közelebbről az ábrát. 24. A rajta lévő vastag vonal a műhold repülési útvonalát ábrázolja az első pályán. Az Egyenlítőtől kezdve (pont A), az útvonal felemelkedik az északi féltekére, majd a párhuzamost érintve visszamegy az Egyenlítőhöz, keresztezi azt, majd megközelíti a déli szélességi kört, érinti és a déli féltekéről ismét megközelíti az Egyenlítőt (pont BAN BEN). Pontok közötti távolság AÉs BAN BENés van egy pályánkénti hosszúsági fokban a műhold elmozdulása. Az útvonal későbbi kanyarodása úgy érhető el, hogy az útvonalat kanyarról kanyarra egymás után a szakasz mennyiségével eltolja. AB. Az útvonal könnyebb megrajzolása érdekében speciális mintát készíthet.

Nyilvánvaló, hogy ha a fordulatonkénti elmozdulás egész számú alkalommal illeszkedik a Föld egyenlítőjének hosszába, akkor a műhold útja bizonyos fordulatszámon megközelíti a pontot. Aés a jövőben megismétlik.

Hadd N a legközelebbi egész szám, amelyet a műhold körülbelül 24 óra alatt megtesz. Ha az N pálya teljesítése után a műhold nem éri el a pontot A, de végül például arra a pontra kerül VAL VEL, akkor az A és C pontok közötti hosszúsági szögtávolságot napi orbitális elmozdulásnak nevezzük. Ha ez az elmozdulás nulla, a műhold egy napon belül visszatér eredeti helyzetébe.

A Föld műhold mozgásának ismertetett jellemzői alapján most hozzáértően kommentálhatjuk a következő TASS-jelentéseket:

"Ma, október 11-én, 14 órakor órák 10 percek Moszkvai idő szerint a Szojuz-6 űrrepülőgépet szállító hordozórakétát indították el a Szovjetunióban. 14-kor órák 19 percek a Szojuz-6 űrszondát nagy pontossággal helyezték el a Föld műholdjának számított pályájára... A pályamérések szerint a hajó pályaparaméterei a következők:

A legnagyobb távolság a Föld felszínétől (apogeuskor) 223 kilométer;

A legkisebb távolság a Föld felszínétől (perigeusban) 186 kilométer;

Orbitális dőlésszög 51,7 fok;

A Föld körüli forradalom periódusa 88,36 perc "..." A Szojuz űrszonda tervezett tudományos-műszaki kutatási és kísérleti programját folytatva 1969. október 12-én, moszkvai idő szerint 13:45-kor a második űrszonda, a Szojuz , indult a Szovjetunióban. 7 "... A Szojuz-6 és Szojuz-7 űrrepülőgépek legénysége megbízható kétirányú rádiókommunikációt épített ki egymással."

A TASS későbbi jelentései azt állították, hogy a Szojuz-7 űrszonda pályaparaméterei megközelítik a Szojuz-6 űrszondaét.

Miután figyelmesen elolvasta ezeket a TASS jelentéseket, próbáljuk meg elmagyarázni azt a kérdést, hogy a Szojuz-7 űrszonda miért indult 13:45-kor? Feltételezhető, hogy a Szojuz-7 űrszonda kilövési idejét abból a feltételből választották ki, hogy pályára állítása után a lehető legközelebb legyen a Szojuz-6 űrszondához (..."megbízható kétirányú rádiókommunikáció egymással..."). Ehhez nyilvánvalóan az szükséges, hogy a Szojuz-6 űrszonda útvonala áthaladjon a Szojuz-7 űrszonda kilövési pontján. Teszteljük a hipotézisünket. A TASS jelentéséből kiderül, hogy a Szojuz-7 űrszonda 23 óra 26 után indult min a Szojuz-6 űrszonda kilövése után. A Szojuz-6 űrhajó forgási periódusával 88.36 min 23-i időszakban óra 26 min. csaknem (néhány percnél kevesebb) 16 Föld körüli keringést vesz igénybe. A több perces eltérés az erők nem-centralitása a hajó repülésére gyakorolt ​​hatásával magyarázható. Ebből következik, hogy a Szojuz-6 űrrepülőgép útvonala valójában a Szojuz-7 űrszonda kilövési pontjának közelében haladt el, és ezzel biztosította a későbbi közeli repülésüket.

A műhold keringési periódusának megváltoztatása jelentősen megváltoztatja repülési útvonalának megjelenését. Ezt ellenőrizheti, ha újra megnézi az ábrát. 25. Különösen érdekes egy álló műhold repülési útvonala, amelynek pályasíkja nem esik egybe az Egyenlítő síkjával. ábrából 25 látható, hogy a műhold útját egy „nyolcas ábra” ábrázolja, amely a Föld felszínének ugyanazon területe felett helyezkedik el. "Szűkül", ahogy a dőlésszög csökken, és olyan pontra zsugorodik, ahol a pálya egyenlítőivé válik.

Így megvizsgáltuk egy kör alakú műhold forgó Földhöz viszonyított mozgásának főbb jellemzőit. Fontos megjegyezni, hogy annak útvonalát vagy mozgási „útvonalát” nem lehet önkényesen megrajzolni, mint mondjuk egy repülőgép repülési útvonalának kijelölésekor. A műhold útvonala bizarr megjelenése ellenére szigorú mozgási törvényeknek felel meg, és nem változtatható meg önkényesen. Teljes mértékben a pályasík dőlésszöge és a műhold keringési periódusa határozza meg.

Nevezzük a műhold vetületének a Föld felszínére azt a pontot, ahol a sugárirányú egyenes (a műholdat a Föld középpontjával összekötő vonal) metszi a Föld felszínét. Amikor egy műhold a Föld körül mozog, és a pályáján belül forog, a vetítés egy bizonyos vonalat húz a föld felszínén, amelyet műhold útnak neveznek. Az útvonal a kontinensek és óceánok azon pontjait köti össze, amelyek felett a műhold különböző pillanatokban áthalad

Az idő a zenitben, vagyis a megfigyelő feje fölött jelenik meg, az út alakját elsősorban a pálya dőlése és a forgási periódus határozza meg. Tekintettel arra, hogy az utat egy műhold húzza meg a forgó Földön, az a szög, amelyben az út metszi az egyenlítőt, mindig különbözik a pálya dőlésétől. Különösen a sarki pályákon ez nem egyenlő 90°-kal (az egyenlítő átlépésekor a műhold vetülete nyugat felé fordul).

Alacsony pályájú és közvetlen mozgású (90°-nál kisebb dőlésszögű) műholdak esetében az út szinuszoshoz hasonlít, és ismételten körbeveszi a földgömböt. Az útvonalnak ezt a formáját az első mesterséges földi műhold felbocsátása óta mindenki jól ismeri, nem mutatjuk be.

Rizs. 32. 65°-os dőlésszögű körpályás műholdak útjai és keringési periódusai;

Az ilyen útvonalakon a forgalom mindenhol északkeletre vagy délkeletre, a szélső északi és déli pontokon pedig keletre irányul.

Más a helyzet a hosszú keringési időszakok esetében. Még akkor is, ha egy műhold a Föld forgási irányába mozog, a vetülete elmaradhat a Föld forgásától (különösen az Egyenlítő közelében, ahol a felszíni pontok lineáris sebessége nagyobb), és akkor az út legalább egy részének mozgása nyugati irányban fordulnak elő (32. kép).

A kommunikációs műholdat, valamint a földfelszín tanulmányozására szolgáló műholdat gyakran több periódusos pályára bocsátják (ezeket néha szinkronnak is nevezik), azaz olyan pályákra, amelyek keringési periódusa majdnem arányos a Föld egy fordulatának idejével. tengelye körül (sziderikus nap 23 óra 56 perc 4 s). A „majdnem” a pálya precessziójával magyarázható: ha a Föld gravitációs tere központi lenne, akkor a sziderikus nappal pontosan arányos időszakot választanának. Az ilyen műholdak útjai zártak

vonalat, így a műhold az útvonal bármely pontján periodikusan megjelenik, és egyáltalán nem jelenik meg az „oldalra fekvő” korlátozott területeken. Ilyen például a Molnija-1 kommunikációs műhold.

ábrán. A 33. ábra öt napi műhold nyomvonalát mutatja körkörös pályával, 60, 40 és 20°-os dőlésszöggel. Ezek a nyolcas utak nem veszik körül a földgömböt, hanem annak egyik oldalán fekszenek (ha a mozgás megfordulna, más lenne a helyzet)