Act de echilibrare interplanetar. Care este traiectoria de zbor a unui satelit cu tracțiune redusă către corpuri mici

Cuvântul cosmos este sinonim cu cuvântul Univers. Spațiul este adesea împărțit oarecum arbitrar în spațiu apropiat, care poate fi explorat în prezent cu ajutorul sateliților artificiali Pământului, navelor spațiale, stațiilor interplanetare și alte mijloace și spațiul îndepărtat - orice altceva, incomensurabil de mai mare. De fapt, spațiul apropiat se referă la sistemul solar, iar spațiul îndepărtat se referă la vastele întinderi de stele și galaxii.

Sensul literal al cuvântului „cosmonautică”, care este o combinație de două cuvinte grecești - „înot în Univers”. În uzul obișnuit, acest cuvânt înseamnă un set de diferite ramuri ale științei și tehnologiei care asigură cercetarea și dezvoltarea spațiului cosmic și a corpurilor cerești cu ajutorul navelor spațiale - sateliți artificiali, stații automate pentru diverse scopuri, nave spațiale cu echipaj.

Cosmonautica sau, așa cum se numește uneori, astronautica, combină zborurile în spațiul cosmic, un set de ramuri ale științei și tehnologiei care servesc pentru explorarea și utilizarea spațiului cosmic în interesul nevoilor omenirii folosind diferite mijloace spațiale. Începutul erei spațiale a omenirii este considerat a fi 4 octombrie 1957 - data la care a fost lansat primul satelit artificial de pe Pământ în Uniunea Sovietică.

Teoria zborului spațial, un vis de lungă durată al omenirii, a devenit o știință ca urmare a lucrărilor fundamentale ale marelui om de știință rus Konstantin Eduardovici Ciolkovski. El a studiat principiile de bază ale balisticii rachetelor, a propus o diagramă a unui motor de rachetă lichid și a stabilit legile care determină forța reactivă a motorului. Au fost propuse și scheme de nave spațiale și au fost prezentate principiile de proiectare a rachetelor, care sunt acum utilizate pe scară largă în practică. Multă vreme, până în momentul în care ideile, formulele și desenele pasionaților și oamenilor de știință au început să se transforme în obiecte fabricate „în metal” în birourile de proiectare și atelierele din fabrici, fundamentul teoretic al astronauticii s-a sprijinit pe trei piloni: 1) teoria mișcarea navei spațiale; 2) tehnologie rachetă; 3) totalitatea cunoștințelor astronomice despre Univers. Ulterior, în profunzimile astronauticii au apărut o gamă largă de noi discipline științifice și tehnice, cum ar fi teoria sistemelor de control pentru obiectele spațiale, navigația spațială, teoria sistemelor de comunicații și transmisii de informații spațiale, biologia și medicina spațială etc. că ne este greu să ne imaginăm astronautica Fără aceste discipline, este util să ne amintim că bazele teoretice ale astronauticii au fost puse de K. E. Tsiolkovsky într-o perioadă în care au fost efectuate doar primele experimente privind utilizarea undelor radio și radioul nu putea să fie considerat un mijloc de comunicare în spațiu.

Timp de mulți ani, semnalizarea folosind razele de lumină solară reflectată spre Pământ de oglinzile de la bordul unei nave spațiale interplanetare a fost considerată serios ca un mijloc de comunicare. Acum, că suntem obișnuiți să nu fim surprinși nici de acoperirea televiziunii în direct de pe suprafața Lunii, nici de fotografiile radio făcute lângă Jupiter sau pe suprafața lui Venus, acest lucru este greu de crezut. Prin urmare, se poate argumenta că teoria comunicațiilor spațiale, în ciuda întregii sale importanțe, nu este încă veriga principală în lanțul disciplinelor spațiale. Această legătură principală este teoria mișcării obiectelor spațiale. Acesta este ceea ce poate fi considerat teoria zborului spațial. Specialiștii implicați în această știință o numesc în mod diferit: mecanică cerească aplicată, balistica cerească, balistica spațială, cosmodinamică, mecanica zborului în spațiu, teoria mișcării corpurilor cerești artificiale. Toate aceste nume au aceeași semnificație, exact exprimată de ultimul termen. Cosmodinamica, așadar, face parte din mecanica cerească - o știință care studiază mișcarea oricăror corpuri cerești, atât naturale (stelele, Soarele, planetele, sateliții acestora, cometele, meteoriții, praful cosmic), cât și artificiale (navele spațiale automate și navele spațiale cu echipaj). . Dar există ceva care distinge cosmodinamica de mecanica cerească. Cosmodinamica, născută în sânul mecanicii cerești, își folosește metodele, dar nu se încadrează în cadrul său tradițional.

O diferență semnificativă între mecanica cerească aplicată și mecanica clasică este că a doua nu se ocupă și nu se poate ocupa de alegerea orbitelor corpurilor cerești, în timp ce prima se ocupă de selecția dintr-un număr mare de traiectorii posibile pentru atingerea unui anumit corp ceresc al unui anumit corp ceresc. anumită traiectorie, care ia în considerare numeroase cereri, adesea contradictorii. Cerința principală este viteza minimă la care nava spațială accelerează în timpul fazei active inițiale a zborului și, în consecință, masa minimă a vehiculului de lansare sau a etapei superioare orbitale (la lansarea de pe orbita joasă a Pământului). Acest lucru asigură sarcina utilă maximă și, prin urmare, cea mai mare eficiență științifică a zborului. Sunt de asemenea luate în considerare cerințele pentru ușurința controlului, condițiile de comunicație radio (de exemplu, în momentul în care stația intră pe planetă în timpul zborului său), condițiile pentru cercetarea științifică (aterizarea pe partea de zi sau de noapte a planetei), etc. Cosmodinamica oferă designerilor de operațiuni spațiale metode de tranziție optimă de la o orbită la alta, modalități de corectare a traiectoriei. În câmpul său vizual se află manevrarea orbitală, necunoscută mecanicii cerești clasice. Cosmodinamica este fundamentul teoriei generale a zborului spațial (la fel cum aerodinamica este fundamentul teoriei zborului în atmosfera avioanelor, elicopterelor, aeronavelor și altor aeronave). Cosmodinamica împărtășește acest rol cu dinamica rachetelor - știința mișcării rachetelor. Ambele științe, strâns legate între ele, formează baza tehnologiei spațiale. Ambele sunt secțiuni de mecanică teoretică, care ea însăși este o secțiune separată a fizicii. Fiind o știință exactă, cosmodinamica folosește metode de cercetare matematică și necesită un sistem de prezentare logic coerent. Nu degeaba bazele mecanicii cerești au fost dezvoltate după marile descoperiri ale lui Copernic, Galileo și Kepler tocmai de acei oameni de știință care au adus cea mai mare contribuție la dezvoltarea matematicii și mecanicii. Aceștia erau Newton, Euler, Clairaut, d'Alembert, Lagrange, Laplace. Și în prezent, matematica ajută la rezolvarea problemelor de balistică cerească și, la rândul său, primește un impuls în dezvoltarea sa datorită sarcinilor pe care le pune cosmodinamica.

Mecanica cerească clasică a fost o știință pur teoretică. Concluziile ei au fost confirmate în mod constant de datele observațiilor astronomice. Cosmodinamica a introdus experimentul în mecanica cerească, iar mecanica cerească s-a transformat pentru prima dată într-o știință experimentală, similară, în acest sens, cu o astfel de ramură a mecanicii precum aerodinamica. Natura involuntar pasivă a mecanicii cerești clasice a fost înlocuită de spiritul activ, ofensiv al balisticii cerești. Fiecare nouă realizare în astronautică este, în același timp, o dovadă a eficacității și acurateței metodelor cosmodinamice. Cosmodinamica este împărțită în două părți: teoria mișcării centrului de masă al unei nave spațiale (teoria traiectoriilor spațiale) și teoria mișcării unei nave spațiale în raport cu centrul de masă (teoria „mișcării de rotație”).

Motoare rachete

Principalul și aproape singurul mijloc de transport în spațiul cosmic este racheta, care a fost propusă pentru prima dată în acest scop în 1903 de K. E. Tsiolkovsky. Legile propulsiei rachetelor reprezintă una dintre pietrele de temelie ale teoriei zborului spațial.

Cosmonautica are un arsenal mare de sisteme de propulsie de rachete bazate pe utilizarea diferitelor tipuri de energie. Dar, în toate cazurile, motorul rachetei îndeplinește aceeași sarcină: într-un fel sau altul ejectează o anumită masă din rachetă, a cărei rezervă (așa-numitul fluid de lucru) se află în interiorul rachetei. O anumită forță acționează asupra masei ejectate din rachetă și, conform celei de-a treia legi a mecanicii a lui Newton - legea egalității acțiunii și reacției - aceeași forță, dar în direcția opusă, acționează din masa ejectată pe rachetă. Această ultimă forță care propulsează racheta se numește împingere. Este clar intuitiv că forța de împingere ar trebui să fie mai mare, cu cât este mai mare masa pe unitatea de timp ejectată din rachetă și cu atât viteza care poate fi transmisă masei ejectate este mai mare.

Cea mai simplă diagramă a unui design de rachetă:

În această etapă de dezvoltare a științei și tehnologiei, există motoare rachete bazate pe diferite principii de funcționare.

Motoare de rachete termochimice.

Principiul de funcționare al motoarelor termochimice (sau pur și simplu chimice) nu este complicat: ca rezultat al unei reacții chimice (de obicei, o reacție de ardere), se eliberează o cantitate mare de căldură, iar produșii de reacție încălziți la o temperatură ridicată, se extind rapid, sunt scos din rachetă cu viteză mare. Motoarele chimice aparțin unei clase mai largi de motoare termice (schimb de căldură) în care fluidul de lucru curge ca urmare a expansiunii sale prin încălzire. Pentru astfel de motoare, viteza de evacuare depinde în principal de temperatura gazelor în expansiune și de greutatea moleculară medie a acestora: cu cât temperatura este mai mare și cu cât greutatea moleculară este mai mică, cu atât viteza de evacuare este mai mare. Motoarele de rachetă cu lichid, motoarele de rachetă cu combustibil solid și motoarele cu aer respirator funcționează pe acest principiu.

Motoare termice nucleare.

Principiul de funcționare al acestor motoare nu este aproape deloc diferit de principiul de funcționare al motoarelor chimice. Diferența este că fluidul de lucru este încălzit nu datorită energiei chimice proprii, ci datorită căldurii „străine” eliberate în timpul unei reacții intranucleare. Pe baza acestui principiu, au fost proiectate motoare termice nucleare pulsatorii, motoare termice nucleare bazate pe fuziunea termonucleară și dezintegrarea radioactivă a izotopilor. Totuși, pericolul contaminării radioactive a atmosferei și încheierea unui acord de oprire a testelor nucleare în atmosferă, în spațiu și sub apă, a dus la încetarea finanțării proiectelor menționate.

Motoare termice cu sursă de energie externă.

Principiul funcționării lor se bazează pe primirea energiei din exterior. Pe baza acestui principiu, este proiectat un motor solar termic, a cărui sursă de energie este Soarele. Razele solare concentrate de oglinzi sunt folosite pentru a încălzi direct fluidul de lucru.

Motoare electrice cu rachete.

Această clasă largă de motoare combină diferite tipuri de motoare care sunt în prezent dezvoltate foarte intens. Fluidul de lucru este accelerat la o anumită viteză de evacuare folosind energie electrică. Energia este obținută dintr-o centrală nucleară sau solară situată la bordul navei spațiale (în principiu, chiar și dintr-o baterie chimică). Design-urile motoarelor electrice în curs de dezvoltare sunt extrem de diverse. Acestea includ motoare electrotermale, motoare electrostatice (ionice), motoare electromagnetice (plasmă), motoare electrice cu aportul de fluid de lucru din straturile superioare ale atmosferei.

Rachete spațiale

O rachetă spațială modernă este o structură complexă care constă din sute de mii și milioane de părți, fiecare dintre acestea având rolul propus. Dar din punctul de vedere al mecanicii accelerării unei rachete la viteza necesară, întreaga masă inițială a rachetei poate fi împărțită în două părți: 1) masa fluidului de lucru și 2) masa finală rămasă după eliberare. a fluidului de lucru. Aceasta din urmă este adesea numită masă „uscata”, deoarece fluidul de lucru este în majoritatea cazurilor combustibil lichid. Masa „uscata” (sau, dacă preferați, masa „goală”, fără fluidul de lucru, a rachetei) este formată din masa structurii și masa sarcinii utile. Designul ar trebui să fie înțeles nu numai ca structura de susținere a rachetei, carcasa acesteia etc., ci și sistemul de propulsie cu toate unitățile sale, sistemul de control, inclusiv comenzile, echipamentele de navigație și comunicații etc. - într-un cuvânt, tot ceea ce asigură zborul normal al rachetei. Sarcina utilă constă din echipament științific, un sistem de telemetrie radio, corpul navei spațiale care este lansată pe orbită, echipajul și sistemul de susținere a vieții navei spațiale etc. Sarcina utilă este ceva fără de care racheta poate efectua un zbor normal.

Accelerația rachetei este facilitată de faptul că, pe măsură ce fluidul de lucru curge afară, masa rachetei scade, datorită căruia, cu o forță constantă, accelerația reactivă crește continuu. Dar, din păcate, racheta nu constă dintr-un singur fluid de lucru. Pe măsură ce lichidul de lucru expiră, rezervoarele eliberate, părțile în exces ale carcasei etc. încep să încarce racheta cu greutate moartă, ceea ce face dificilă accelerarea. Este recomandabil în unele momente să separați aceste părți de rachetă. O rachetă construită în acest fel se numește rachetă compozită. Adesea, o rachetă compozită constă din trepte de rachetă independente (mulțumită acestui lucru, pot fi realizate diverse sisteme de rachete din trepte individuale), conectate în serie. Dar este posibilă și conectarea paralelă a treptelor, una lângă alta. În fine, există proiecte de rachete compozite, în care ultima etapă merge în interiorul precedentului, care este închis în interiorul precedentului etc.; în acest caz, etapele au un motor comun și nu mai sunt rachete independente. Un dezavantaj semnificativ al ultimei scheme este că, după separarea etapei uzate, accelerația jetului crește brusc, deoarece motorul rămâne același, prin urmare, forța nu s-a schimbat, iar masa accelerată a rachetei a scăzut brusc. Acest lucru complică precizia ghidării rachetelor și impune cerințe crescute asupra rezistenței structurii. Când treptele sunt conectate în serie, scena nou pornită are o forță mai mică și accelerația nu se modifică brusc. În timp ce prima etapă funcționează, putem considera etapele rămase împreună cu sarcina utilă reală ca sarcină utilă a primei etape. După separarea primei etape, începe să funcționeze a doua etapă care, împreună cu etapele ulterioare și cu sarcina utilă reală, formează o rachetă independentă („prima subrachetă”). Pentru a doua etapă, toate etapele ulterioare, împreună cu sarcina utilă reală, joacă rolul propriei sarcini utile etc. Fiecare sub-rachetă adaugă propria sa viteză ideală la viteza existentă și, ca rezultat, viteza ideală finală a unui racheta cu mai multe etape este suma vitezelor ideale ale subrachetei individuale.

Racheta este un vehicul foarte „costisitor”. Vehiculele de lansare a navelor spațiale „transportă” în principal combustibilul necesar pentru a-și funcționa motoarele și propria lor structură, constând în principal din containere de combustibil și un sistem de propulsie. Sarcina utilă reprezintă doar o mică parte (1,5-2,0%) din masa de lansare a rachetei.

O rachetă compozită permite o utilizare mai eficientă a resurselor datorită faptului că în timpul zborului o etapă care și-a epuizat combustibilul este separată, iar restul combustibilului rachetei nu este irosit în accelerarea proiectării etapei uzate, care a devenit inutil pentru a continua zborul.

Opțiuni de configurare a rachetelor. De la stanga la dreapta:

Rachetă cu o singură etapă.
Rachetă cu secțiune transversală în două trepte.
Rachetă în două trepte cu separare longitudinală.
O rachetă cu rezervoare externe de combustibil care sunt separate după ce combustibilul din ele este epuizat.

Din punct de vedere structural, rachetele cu mai multe etape sunt realizate cu separarea transversală sau longitudinală a etapelor.

Cu separarea transversală, etapele sunt așezate una deasupra celeilalte și funcționează secvențial una după alta, pornind numai după separarea etapei precedente. Această schemă face posibilă crearea de sisteme, în principiu, cu orice număr de etape. Dezavantajul său este că resursele etapelor ulterioare nu pot fi folosite în munca celei anterioare, fiind o sarcină pasivă pentru aceasta.

Cu separare longitudinală, prima etapă constă din mai multe rachete identice (în practică, de la două la opt), situate simetric în jurul corpului celei de-a doua trepte, astfel încât forțele de împingere rezultate ale motoarelor din prima etapă să fie direcționate de-a lungul axei de simetrie. a celui de-al doilea și funcționează simultan. Această schemă permite motorului celei de-a doua etape să funcționeze simultan cu motoarele primei, crescând astfel forța totală, care este necesară în special în timpul funcționării primei etape, când masa rachetei este maximă. Dar o rachetă cu separare longitudinală a etapelor poate fi doar în două etape.

Există, de asemenea, o schemă de separare combinată - longitudinal-transversală, care vă permite să combinați avantajele ambelor scheme, în care prima etapă este împărțită de a doua longitudinal, iar separarea tuturor etapelor ulterioare are loc transversal. Un exemplu al acestei abordări este vehiculul auto de lansare Soyuz.

Naveta spațială are un design unic al unei rachete separate longitudinal în două etape, a cărei primă etapă constă din două propulsoare de combustibil solid montate lateral; în a doua etapă, o parte din combustibil este conținută în rezervoarele de orbiter (nava spațială reutilizabilă în sine), iar cea mai mare parte este conținută într-un rezervor de combustibil extern detașabil. În primul rând, sistemul de propulsie al orbiterului consumă combustibil din rezervorul extern, iar atunci când acesta este epuizat, rezervorul extern este resetat și motoarele continuă să funcționeze cu combustibilul conținut în rezervoarele orbiterului. Acest design face posibilă utilizarea maximă a sistemului de propulsie al orbiterului, care funcționează pe toată durata lansării navei spațiale pe orbită.

Când sunt separate transversal, treptele sunt conectate între ele prin secțiuni speciale - adaptoare - structuri portante de formă cilindrică sau conică (în funcție de raportul dintre diametrele treptelor), fiecare dintre acestea trebuie să reziste la greutatea totală a tuturor ulterioare. etape, înmulțit cu valoarea maximă a supraîncărcării suferite de rachetă în toate secțiunile, pe care acest adaptor face parte din rachetă. Cu diviziunea longitudinală, pe corpul celei de-a doua etape sunt create benzi de putere (față și spate), de care sunt atașate blocurile primei etape.

Elementele care leagă părțile unei rachete compozite îi conferă rigiditatea unui corp solid, iar când etapele sunt separate, ar trebui să elibereze aproape instantaneu treapta superioară. De obicei, treptele sunt conectate folosind pirobolturi. Un pyrobolt este un șurub de fixare, în tija căruia este creată o cavitate lângă cap, umplută cu un exploziv puternic cu un detonator electric. Când un impuls de curent este aplicat detonatorului electric, are loc o explozie, care distruge tija șurubului, provocând desprinderea capului acestuia. Cantitatea de explozibili din pirobol este dozată cu atenție, astfel încât, pe de o parte, să fie garantat să rupă capul și, pe de altă parte, să nu deterioreze racheta. Când etapele sunt separate, un impuls de curent este aplicat simultan detonatoarelor electrice ale tuturor pirobolurilor care conectează părțile separate și conexiunea este eliberată.

În continuare, treptele ar trebui să fie distanțate la o distanță sigură unul de celălalt. (Pornirea motorului unei trepte superioare în apropierea uneia inferioare poate provoca arderea capacității sale de combustibil și o explozie a combustibilului rezidual, care va deteriora treapta superioară sau îi va destabiliza zborul.) La separarea etapelor din atmosferă, forța aerodinamică a fluxul de aer care se apropie poate fi folosit pentru a le separa, iar atunci când se separă în gol, se folosesc uneori motoare auxiliare cu rachete solide mici.

Pe rachetele lichide, aceleași motoare servesc și la „sedimentarea” combustibilului din rezervoarele etapei superioare: atunci când motorul treptei inferioare este oprit, racheta zboară prin inerție, în stare de cădere liberă, în timp ce lichidul combustibilul din rezervoare este în suspensie, ceea ce poate duce la defecțiuni la pornirea motorului. Motoarele auxiliare oferă scenei o ușoară accelerație, sub influența căreia combustibilul „se așează” pe fundul rezervoarelor.

Creșterea numărului de pași dă un efect pozitiv doar până la o anumită limită. Cu cât mai multe etape, cu atât este mai mare masa totală a adaptoarelor, precum și a motoarelor care funcționează doar pe o parte a zborului și, la un moment dat, o creștere suplimentară a numărului de etape devine contraproductivă. În practica modernă a științei rachetelor, mai mult de patru etape, de regulă, nu sunt realizate.

Atunci când alegeți numărul de etape, problemele de fiabilitate sunt de asemenea importante. Pirobolurile și motoarele auxiliare de rachetă cu combustibil solid sunt elemente de unică folosință, a căror funcționare nu poate fi verificată înainte de lansarea rachetei. Între timp, defecțiunea unui singur pirobol poate duce la o întrerupere de urgență a zborului rachetei. O creștere a numărului de elemente de unică folosință care nu sunt supuse testării funcționale reduce fiabilitatea întregii rachete în ansamblu. Acest lucru îi obligă pe designeri să se abțină de la a folosi prea mulți pași.

Viteze cosmice

Este extrem de important de reținut că viteza dezvoltată de rachetă (și odată cu ea întreaga navă spațială) pe partea activă a căii, adică pe acea secțiune relativ scurtă în timp ce motorul rachetei funcționează, trebuie atinsă foarte, foarte înalt.

Să punem mental racheta noastră în spațiul liber și să-i pornim motorul. Motorul a creat tracțiune, racheta a primit un fel de accelerație și a început să crească viteză, mișcându-se în linie dreaptă (dacă forța de tracțiune nu își schimbă direcția). Ce viteză va dobândi racheta în momentul în care masa sa scade de la m 0 inițial la valoarea finală m k? Dacă presupunem că viteza w a ieșirii de materie din rachetă este constantă (acest lucru se observă destul de precis în rachetele moderne), atunci racheta va dezvolta o viteză v, exprimată Formula Ciolkovski, care determină viteza pe care o dezvoltă o aeronavă sub influența forței unui motor de rachetă, neschimbată în direcție, în absența tuturor celorlalte forțe:

unde ln desemnează natural și log denotă logaritmi zecimali

Viteza, calculată folosind formula Tsiolkovsky, caracterizează resursele energetice ale rachetei. Se numește ideal. Vedem că viteza ideală nu depinde de al doilea consum de masă al fluidului de lucru, ci depinde doar de viteza de evacuare w și de numărul z = m 0 /m k, numit raportul de masă sau numărul Tsiolkovsky.

Există un concept de așa-numitele viteze cosmice: primul, al doilea și al treilea. Prima viteză cosmică este viteza cu care un corp (navă spațială) lansată de pe Pământ poate deveni satelitul său. Dacă nu luăm în considerare influența atmosferei, atunci direct deasupra nivelului mării prima viteză de evacuare este de 7,9 km/s și scade odată cu creșterea distanței față de Pământ. La o altitudine de 200 km de Pământ este de 7,78 km/s. Practic, se presupune că prima viteză de evacuare este de 8 km/s.

Pentru a depăși gravitația Pământului și a se transforma, de exemplu, într-un satelit al Soarelui sau pentru a ajunge la o altă planetă din sistemul solar, un corp (navă spațială) lansată de pe Pământ trebuie să atingă o a doua viteză de evacuare, luată egală. la 11,2 km/s.

Un corp (navă spațială) trebuie să aibă a treia viteză cosmică la suprafața Pământului în cazul în care se cere să poată depăși gravitația Pământului și a Soarelui și să părăsească sistemul solar. Se presupune că a treia viteză de evacuare este de 16,7 km/s.

Vitezele cosmice sunt enorme în semnificația lor. Sunt de câteva zeci de ori mai rapide decât viteza sunetului în aer. Numai din aceasta este clar cu ce sarcini complexe se confruntă în domeniul astronauticii.

De ce sunt vitezele cosmice atât de enorme și de ce navele spațiale nu cad pe Pământ? Într-adevăr, este ciudat: Soarele, cu forțele sale gravitaționale enorme, ține Pământul și toate celelalte planete ale sistemului solar aproape de sine, împiedicându-le să zboare în spațiul cosmic. S-ar părea ciudat că Pământul ține Luna aproape de sine. Între toate corpurile există forțe gravitaționale, dar planetele nu cad pe Soare pentru că sunt în mișcare, acesta este secretul.

Totul cade pe Pământ: picături de ploaie, fulgi de nea, o piatră care cade dintr-un munte și o ceașcă răsturnată de la o masă. Și Luna? Se învârte în jurul Pământului. Dacă nu ar fi forțele gravitației, ar zbura tangențial pe orbită, iar dacă s-ar opri brusc, ar cădea pe Pământ. Luna, din cauza gravitației Pământului, se abate de la o cale dreaptă, tot timpul ca și cum ar „cădea” pe Pământ.

Mișcarea Lunii are loc de-a lungul unui anumit arc și, atâta timp cât acționează gravitația, Luna nu va cădea pe Pământ. La fel este și cu Pământul - dacă s-ar opri, ar cădea în Soare, dar acest lucru nu se va întâmpla din același motiv. Două tipuri de mișcare - unul sub influența gravitației, celălalt datorat inerției - se adună și duc la o mișcare curbilinie.

Legea gravitației universale, care menține Universul în echilibru, a fost descoperită de omul de știință englez Isaac Newton. Când și-a publicat descoperirea, oamenii au spus că a înnebunit. Legea gravitației determină nu numai mișcarea Lunii și a Pământului, ci și a tuturor corpurilor cerești din Sistemul Solar, precum și a sateliților artificiali, a stațiilor orbitale și a navelor spațiale interplanetare.

legile lui Kepler

Înainte de a lua în considerare orbitele navelor spațiale, să luăm în considerare legile lui Kepler care le descriu.

Johannes Kepler avea simțul frumuseții. Toată viața sa adultă a încercat să demonstreze că sistemul solar este un fel de operă de artă mistică. La început el a încercat să conecteze structura sa cu cele cinci poliedre regulate ale geometriei clasice grecești antice. (Un poliedru obișnuit este o figură tridimensională, ale cărei fețe sunt poligoane regulate egale.) Pe vremea lui Kepler, erau cunoscute șase planete, despre care se credea că sunt plasate pe „sfere de cristal” rotative. Kepler a susținut că aceste sfere sunt aranjate în așa fel încât poliedrele regulate să se potrivească exact între sferele adiacente. Între cele două sfere exterioare - Saturn și Jupiter - a plasat un cub înscris în sfera exterioară, în care, la rândul său, este înscrisă sfera interioară; între sferele lui Jupiter și Marte - un tetraedru (tetraedru obișnuit), etc. Șase sfere de planete, cinci poliedre regulate înscrise între ele - s-ar părea că perfecțiunea în sine?

Din păcate, după ce și-a comparat modelul cu orbitele observate ale planetelor, Kepler a fost nevoit să admită că comportamentul real al corpurilor cerești nu se încadrează în cadrul armonios pe care l-a conturat. Singurul rezultat al impulsului tineresc al lui Kepler care a supraviețuit secolelor a fost un model al sistemului solar, realizat de însuși savant și prezentat ca un cadou patronului său, ducele Frederick von Württemburg. În acest artefact metalic frumos executat, toate sferele orbitale ale planetelor și poliedrele obișnuite înscrise în ele sunt recipiente goale care nu comunică între ele, care de sărbători trebuiau să fie umplute cu diferite băuturi pentru a trata oaspeții ducelui.

Abia după ce s-a mutat la Praga și a devenit asistent al celebrului astronom danez Tycho Brahe, Kepler a dat peste idei care i-au imortalizat cu adevărat numele în analele științei. Tycho Brahe a colectat date de observație astronomică de-a lungul vieții sale și a acumulat cantități enorme de informații despre mișcările planetelor. După moartea lui, au intrat în posesia lui Kepler. Aceste înregistrări, apropo, aveau o mare valoare comercială la acea vreme, deoarece puteau fi folosite pentru a compila horoscoape astrologice rafinate (azi oamenii de știință preferă să tacă în legătură cu această secțiune a astronomiei timpurii).

În timpul procesării rezultatelor observațiilor lui Tycho Brahe, Kepler s-a confruntat cu o problemă care, chiar și cu computerele moderne, ar putea părea cuiva insolubilă, iar Kepler nu a avut de ales decât să efectueze toate calculele manual. Desigur, la fel ca majoritatea astronomilor din timpul său, Kepler era deja familiarizat cu sistemul heliocentric copernican și știa că Pământul se învârte în jurul Soarelui, așa cum demonstrează modelul descris mai sus al sistemului solar. Dar cum exact se rotesc Pământul și alte planete? Să ne imaginăm problema după cum urmează: te afli pe o planetă care, în primul rând, se rotește în jurul axei sale și, în al doilea rând, se învârte în jurul Soarelui pe o orbită necunoscută pentru tine. Privind spre cer, vedem alte planete care se mișcă și ele pe orbite necunoscute nouă. Iar sarcina este de a determina, pe baza datelor observaționale realizate pe globul nostru care se rotește în jurul axei sale în jurul Soarelui, geometria orbitelor și vitezele de mișcare ale altor planete. Exact asta a reusit sa faca in cele din urma Kepler, dupa care, pe baza rezultatelor obtinute, si-a derivat cele trei legi!

Prima lege descrie geometria traiectoriilor orbitelor planetare: fiecare planetă din Sistemul Solar se învârte într-o elipsă, la unul dintre focarele cărora se află Soarele. De la un curs de geometrie școlară - o elipsă este un set de puncte pe un plan, suma distanțelor de la care două puncte fixe - focare - este egală cu o constantă. Sau, cu alte cuvinte - imaginați-vă o secțiune a suprafeței laterale a unui con cu un plan la un unghi față de baza sa, care nu trece prin bază - aceasta este și o elipsă. Prima lege a lui Kepler spune că orbitele planetelor sunt elipse, cu Soarele la unul dintre focare. Excentricitățile (gradul de alungire) ale orbitelor și distanța lor față de Soare la periheliu (punctul cel mai apropiat de Soare) și apohelia (punctul cel mai îndepărtat) sunt diferite pentru toate planetele, dar toate orbitele eliptice au un lucru în comun - Soarele este situat la unul dintre cele două focare ale elipsei. După ce a analizat datele observaționale ale lui Tycho Brahe, Kepler a concluzionat că orbitele planetare sunt un set de elipse imbricate. Înainte de el, acest lucru pur și simplu nu i-a trecut prin cap niciunui astronom.

Semnificația istorică a primei legi a lui Kepler nu poate fi supraestimată. Înainte de el, astronomii credeau că planetele se mișcă exclusiv pe orbite circulare, iar dacă acest lucru nu se încadra în cadrul observațiilor, mișcarea circulară principală era completată de cercuri mici pe care planetele le descriu în jurul punctelor orbitei circulare principale. Aceasta a fost în primul rând o poziție filozofică, un fel de fapt imuabil, nesupus îndoielii sau verificării. Filosofii au susținut că structura cerească, spre deosebire de cea pământească, este perfectă în armonia ei și, deoarece cele mai perfecte dintre figurile geometrice sunt cercul și sfera, înseamnă că planetele se mișcă în cerc. Principalul lucru este că, având acces la datele de observație extinse ale lui Tycho Brahe, Johannes Kepler a reușit să treacă peste această prejudecată filosofică, văzând că nu corespunde faptelor - la fel cum Copernic a îndrăznit să scoată Pământul din centru. a universului, confruntat cu argumente care contraziceau ideile geocentrice persistente, care constau și în „comportamentul impropriu” al planetelor pe orbite.

A doua lege descrie schimbarea vitezei de mișcare a planetelor în jurul Soarelui: fiecare planetă se mișcă într-un plan care trece prin centrul Soarelui și, în perioade egale de timp, vectorul rază care leagă Soarele și planeta descrie zone egale. . Cu cât orbita eliptică ia o planetă mai departe de Soare, cu atât mișcarea este mai lentă; cu cât este mai aproape de Soare, cu atât planeta se mișcă mai repede. Acum imaginați-vă o pereche de segmente de linie care conectează două poziții ale planetei pe orbita sa cu focarul elipsei în care se află Soarele. Împreună cu segmentul de elipsă aflat între ele, ele formează un sector, a cărui zonă este tocmai „zona care este tăiată de un segment de linie dreaptă”. Exact despre asta vorbește a doua lege. Cu cât planeta este mai aproape de Soare, cu atât segmentele sunt mai scurte. Dar în acest caz, pentru ca sectorul să acopere o suprafață egală în timp egal, planeta trebuie să parcurgă o distanță mai mare pe orbită, ceea ce înseamnă că viteza sa de mișcare crește.

Primele două legi se ocupă de specificul traiectoriilor orbitale ale unei singure planete. A treia lege a lui Kepler ne permite să comparăm orbitele planetelor între ele: pătratele perioadelor de revoluție ale planetelor din jurul Soarelui sunt legate ca cuburi ale semi-axelor majore ale orbitelor planetelor. Se spune că, cu cât o planetă este mai departe de Soare, cu atât este nevoie de mai mult pentru a finaliza o revoluție completă atunci când se deplasează pe orbită și, în consecință, „anul” durează mai mult pe această planetă. Astăzi știm că acest lucru se datorează a doi factori. În primul rând, cu cât o planetă este mai departe de Soare, cu atât perimetrul orbitei sale este mai lung. În al doilea rând, pe măsură ce distanța față de Soare crește, viteza liniară a mișcării planetei scade și ea.

În legile sale, Kepler a afirmat pur și simplu fapte, după ce a studiat și generalizat rezultatele observațiilor. Daca l-ai fi intrebat ce a cauzat elipticitatea orbitelor sau egalitatea zonelor sectoarelor, nu ti-ar fi raspuns. Acest lucru a rezultat pur și simplu din analiza lui. Dacă l-ai întreba despre mișcarea orbitală a planetelor din alte sisteme stelare, nici el nu ar avea ce să-ți răspundă. Ar trebui să o ia de la capăt - să acumuleze date de observație, apoi să le analizeze și să încerce să identifice tipare. Adică, pur și simplu nu ar avea niciun motiv să creadă că un alt sistem planetar respectă aceleași legi ca și sistemul solar.

Unul dintre cele mai mari triumfuri ale mecanicii clasice a lui Newton constă tocmai în faptul că oferă o justificare fundamentală pentru legile lui Kepler și afirmă universalitatea acestora. Se dovedește că legile lui Kepler pot fi derivate din legile mecanicii lui Newton, legea gravitației universale a lui Newton și legea conservării momentului unghiular prin calcule matematice riguroase. Și dacă da, putem fi siguri că legile lui Kepler se aplică în mod egal oricărui sistem planetar de oriunde în Univers. Astronomii care caută noi sisteme planetare în spațiu (și destul de multe dintre ele au fost deja descoperite) din când în când, desigur, folosesc ecuațiile lui Kepler pentru a calcula parametrii orbitelor planetelor îndepărtate, deși nu le pot observa direct. .

A treia lege a lui Kepler a jucat și continuă să joace un rol important în cosmologia modernă. Prin observarea galaxiilor îndepărtate, astrofizicienii detectează semnale slabe emise de atomii de hidrogen care orbitează pe orbite foarte îndepărtate de centrul galactic - mult mai departe decât sunt de obicei stelele. Folosind efectul Doppler în spectrul acestei radiații, oamenii de știință determină vitezele de rotație ale periferiei hidrogenului discului galactic și din acestea vitezele unghiulare ale galaxiilor în ansamblu. Lucrările omului de știință, care ne-au pus ferm pe calea unei înțelegeri corecte a structurii sistemului nostru solar și astăzi, la secole de la moartea sa, joacă un rol atât de important în studiul structurii vastului Univers.

Orbite

De mare importanță este calculul traiectoriilor de zbor ale navelor spațiale, în care obiectivul principal ar trebui urmărit - economii maxime de energie. La calcularea traiectoriei de zbor a unei nave spațiale, este necesar să se determine timpul cel mai avantajos și, dacă este posibil, locația de lansare, să se țină cont de efectele aerodinamice care apar ca urmare a interacțiunii dispozitivului cu atmosfera Pământului în timpul lansării și termina si multe altele.

Multe nave spațiale moderne, în special cele cu echipaj, au la bord motoare rachete relativ mici, al căror scop principal este corectarea necesară a orbitei și frânarea în timpul aterizării. La calcularea traiectoriei de zbor, trebuie luate în considerare modificările acesteia asociate cu ajustarea. Cea mai mare parte a traiectoriei (de fapt, întreaga traiectorie, cu excepția părții sale active și a perioadelor de reglare) se realizează cu motoarele oprite, dar, desigur, sub influența câmpurilor gravitaționale ale corpurilor cerești.

Traiectoria unei nave spațiale se numește orbită. În timpul zborului liber al unei nave spațiale, când motoarele sale de bord sunt oprite, mișcarea are loc sub influența forțelor gravitaționale și a inerției, forța principală fiind gravitația Pământului.

Dacă considerăm că Pământul este strict sferic, iar acțiunea câmpului gravitațional al Pământului ca fiind singura forță, atunci mișcarea navei spațiale se supune bine-cunoscutelor legi ale lui Kepler: are loc într-un plan staționar (în spațiul absolut) care trece prin centrul Pământului - planul orbital; orbita are forma unei elipse sau a unui cerc (un caz special al unei elipse).

Orbitele sunt caracterizate de o serie de parametri - un sistem de cantități care determină orientarea orbitei unui corp ceresc în spațiu, dimensiunea și forma acestuia, precum și poziția pe orbita corpului ceresc la un moment fix. Orbita neperturbată de-a lungul căreia corpul se mișcă în conformitate cu legile lui Kepler este determinată de:

Înclinarea orbitală (i) la planul de referință; poate avea valori de la 0° la 180°. Înclinația este mai mică de 90° dacă corpul pare să se miște în sens invers acelor de ceasornic față de un observator situat la polul nord al eclipticii sau la polul nord ceresc și mai mult de 90° dacă corpul se mișcă în direcția opusă. Când este aplicat sistemului solar, planul orbitei Pământului (planul ecliptic) este de obicei ales ca plan de referință; pentru sateliții artificiali ai Pământului, planul ecuatorului Pământului este de obicei ales ca plan de referință; pentru sateliții altora. planete ale Sistemului Solar, planul ecuator al planetei corespunzătoare este de obicei ales ca plan de referință.
Longitudine ascendentă a nodului (Ω)- unul dintre elementele de bază ale orbitei, folosit pentru a descrie matematic forma orbitei și orientarea acesteia în spațiu. Definește punctul în care orbita intersectează planul principal în direcția de la sud la nord. Pentru corpurile care se rotesc în jurul Soarelui, planul principal este ecliptica, iar punctul zero este primul punct al Berbecului (echinocțiul de primăvară).
Axă(e) majoră(e) este jumătate din axa principală a elipsei. În astronomie, caracterizează distanța medie a unui corp ceresc față de focar.
Excentricitate- caracteristica numerică a unei secțiuni conice. Excentricitatea este invariabilă în ceea ce privește mișcările plane și transformările de similaritate și caracterizează „compresia” orbitei.
Argumentul periapsis- este definită ca unghiul dintre direcțiile de la centrul de atrage la nodul ascendent al orbitei și la periapsis (punctul orbitei satelitului cel mai apropiat de centrul de atragere), sau unghiul dintre linia nodurilor și linia de abside. Numărat de la centrul de atragere în direcția mișcării satelitului, de obicei selectat în intervalul 0°-360°. Pentru a determina nodul ascendent și descendent, este selectat un anumit plan (așa-numitul de bază) care conține centrul de atragere. Planul ecliptic (mișcarea planetelor, cometelor, asteroizilor în jurul Soarelui), planul ecuatorial al planetei (mișcarea sateliților în jurul planetei) etc. sunt de obicei folosite ca plan de bază.
Anomalie medie pentru un corp care se deplasează pe o orbită neperturbate - produsul mișcării sale medii și intervalul de timp după trecerea periapsisului. Astfel, anomalia medie este distanța unghiulară de la periapsisul unui corp ipotetic care se mișcă cu o viteză unghiulară constantă egală cu mișcarea medie.

Există diferite tipuri de orbite - ecuatoriale (înclinația „i” = 0°), polare (înclinația „i” = 90°), orbite sincrone cu soarele (parametrii orbitali sunt astfel încât satelitul trece peste orice punct de pe suprafața pământului la aproximativ în același timp).ora solară locală), orbitală joasă (altitudini de la 160 km la 2000 km), orbitală mijlocie (altitudini de la 2000 km la 35786 km), geostaționară (altitudine 35786 km), orbitală înaltă (altitudini mai mari). peste 35786 km).

Generația tânără, care intră în mileniul al treilea, va asista cu siguranță la primul zbor interplanetar din istorie de-a lungul rutei Pământ-Marte-Pământ, iar unii vor avea ocazia să-i fie participanții direcți. Marte este următorul corp ceresc pe care omul va pune piciorul. Cum va zbura echipajul spre Marte?

În timp ce motoarele rachetelor spațiale moderne nu sunt încă suficient de avansate, ele sunt folosite doar pentru segmente de zbor relativ mici. Practic, trebuie să apelezi la forța gravitațională a Soarelui. În acest sens, traiectoria interplanetară poate fi împărțită în secțiuni de două tipuri.

Prima dintre ele este secțiunea activă, în care zborul se efectuează cu motoarele pornite. Pot exista mai multe astfel de zone.

La un moment precalculat, motoarele unității de amplificare a rachetei sunt pornite, iar nava spațială interplanetară se lansează de pe orbita apropiată a Pământului. Pentru a ajunge la planeta de destinație, traiectoria de zbor trebuie calculată în așa fel încât, după părăsirea sferei de influență a Pământului și intrarea în câmpul gravitațional al Soarelui, nava noastră să continue să zboare până la punctul de întâlnire prevăzut cu planeta. Pe de o parte, traiectoria navei spațiale este determinată de viteza inițială și de direcția de mișcare (în momentul lansării de pe orbita apropiată a Pământului), pe de altă parte, de gravitația Soarelui însuși. Zborul navei spațiale este, de asemenea, perturbat de planete și sateliții lor - ei îl abat de la calea calculată. Dar aceste abateri sunt mici și pot fi eliminate cu ușurință prin pornirea pentru scurt timp a motoarelor de rachetă corective de-a lungul traseului de zbor.

Pentru ca nava spațială (SC) să intre pe traiectoria calculată către Marte, trebuie să i se dea o viteză de cel puțin 11,6 km/s. Și de îndată ce viteza necesară este atinsă, începe un zbor lung cu motoarele oprite de-a lungul celei de-a doua secțiuni pasive a rutei interplanetare.

Astfel, zborul unei nave spațiale interplanetare are loc în principal prin inerție în câmpul gravitațional al Soarelui. Aceeași forță formează și traiectoria interplanetară. Când plecați de pe Pământ cu viteză mică, nu este altceva decât o orbită eliptică circumsolară.

După un zbor lung în câmpul gravitațional al Soarelui, mesagerul nostru cade în sfera de influență a lui Marte și se deplasează în apropierea acesteia de-a lungul traseului de zbor. Deoarece viteza navei depășește valoarea celei de-a doua viteze cosmice lângă Marte (5,0 km/s), planeta nu este capabilă să o țină aproape de ea însăși. După ce a zburat lângă Marte, nava spațială trebuie să devină inevitabil un satelit al Soarelui. Ce trebuie făcut pentru ca nava să nu se îndepărteze de cântec, ci să intre pe orbita satelitului lui Marte?

După cum știm deja, trecerea de la o orbită la alta se realizează prin schimbarea vitezei de mișcare. În acest caz, viteza navei spațiale trebuie redusă la aproximativ valoarea primei viteze cosmice lângă Marte, adică 3,55 km/s. Acest lucru se realizează prin pornirea scurtă a motorului rachetei de frânare. Și în timp ce motorul funcționează, zborul este din nou activ. Rețineți că necesitatea unei astfel de manevre apare de fiecare dată când orice navă spațială este lansată pe orbita satelitului Lupa, Marte sau orice altă planetă. Mișcarea pe orbită în jurul lui Marte, precum și în jurul Pământului, este pasivă. Și, în sfârșit, ultima secțiune a teritoriului este zona în care vehiculul de coborâre coboară la suprafața planetei.

Dacă planeta nu are atmosferă, ca, de exemplu, pe Lună, sau este foarte rarefiată, ca pe Mercur sau Marte, atunci ar trebui folosite motoare speciale de frânare pentru rachete pentru a frâna și a asigura o aterizare moale a vehiculului de coborâre. În mod similar, cabinele lunare Apollo cu astronauți americani au făcut o aterizare moale pe suprafața Lupei. Pentru a asigura o aterizare uşoară a unei nave spaţiale pe suprafaţa unei planete cu atmosferă densă, este necesar51 să se recurgă la frânare aerodinamică. De exemplu, ne-am familiarizat deja cu modul în care a fost efectuată coborârea și aterizarea stațiilor interplanetare automate sovietice pe suprafața lui Venus. Zborul în sens invers - spre Pământ - se va produce în același mod, așa că nu o vom repeta.

Aș dori să remarc că această schemă clasică de zbor către alte lumi planetare a fost dezvoltată de remarcabilul om de știință sovietic Yuri Vasilyevich Kondratyuk (1897-1942). Cartea sa „Cucerirea spațiului interplanetar”, publicată în 1929, conține o justificare teoretică detaliată pentru zborurile către Lună și planetele Sistemului Solar. Și 40 de ani mai târziu a fost pus în practică cu succes. Conform schemei lui Kondratyuk, au fost efectuate zborurile americane Apollo către Lună.

Traiectoriile eliptice interplanetare sunt considerate cele mai economice, deoarece zborurile navelor spațiale de-a lungul lor sunt efectuate cu costuri minime de energie. Orbitele eliptice au un dezavantaj semnificativ: durata zborului este prea mare. De exemplu, un zbor semi-eliptic către Marte va dura 259 de zile, adică mai mult de 8,5 luni.

În cazul unei nave cu un echipaj care zboară spre Marte, se pune problema întoarcerii obligatorii a oamenilor pe Pământ. Și până când această problemă nu este rezolvată, nu se poate vorbi despre nici un zbor uman către planete. Cât timp va dura întregul zbor?

Să începem cu faptul că nava spațială interplanetară trebuie trimisă în zbor într-o perioadă de localizare convenabilă a planetei de destinație în raport cu Pământul. Altfel nu va reuși. Astfel de „ferestre de lansare” pentru lansările pe Marte se repetă în medie după 2 ani și 2 luni. Și pentru ca echipajul să se întoarcă în siguranță pe Pământ, oamenii trebuie să aștepte pe Marte timp de 450 de zile până când sosește „fereastra de lansare” a zborului către Pământ. În cele din urmă, întreaga călătorie va dura 2 ani și 8 luni! Este destul de clar că astfel de termene sunt inacceptabile. Cum să fii?

O reducere semnificativă a duratei unui zbor interplanetar poate fi realizată prin creșterea vitezei inițiale în momentul lansării. Să presupunem că atunci când este lansată de pe orbita joasă a Pământului, racheta va oferi navei o a treia viteză de evacuare - 16,7 km/s. Atunci zborul nu se va mai face de-a lungul unei elipse, ci de-a lungul unei traiectorii parabolice de mare viteză, iar călătorii noștri vor putea ajunge pe Marte în doar 70 de zile! În acest caz, timpul petrecut pe Marte poate fi redus la 12 zile, iar călătoria de-a lungul rutei Pământ-Marte-Pământ va dura 152 de zile.

Dar cu cât trebuie să zburați mai departe, cu atât este mai mare viteza necesară pentru a o transmite navei spațiale interplanetare la lansare. Deci, dacă pentru un zbor către cele mai apropiate planete - Benera și Marte - vitezele inițiale minime în raport cu Pământul sunt de 11,5 și, respectiv, 11,6 km/s, atunci pentru un zbor către Jupiter viteza inițială trebuie să fie nu mai mică de 14,2 km/ s ., iar pentru a ajunge la îndepărtatul Pluto - 16,3 km/s, adică aproape egal cu viteza a treia cosmică. Acesta din urmă se explică prin faptul că, pentru a zbura la periferia sistemului solar, nava trebuie să aibă o rezervă suplimentară de energie necesară pentru a depăși forța gravitațională a Soarelui.

Și, în sfârșit, dacă mergem într-un zbor interplanetar cu o viteză care depășește valoarea celei de-a treia viteze cosmice, atunci nava noastră nu va mai zbura de-a lungul unei parabole, ci de-a lungul rutei celei mai rapide - hiperbolice. Atingerea vitezelor hiperbolice va face posibilă reducerea la minimum a timpilor de zbor interplanetar.

Dar cum să obțineți viteze atât de mari? Oamenii de știință și proiectanții de noi tehnologii spațiale văd o soluție la această problemă în crearea de nave spațiale interplanetare cu motoare de rachete nucleare și electrice.

După ce a deschis tableta, navigatorul aeronavei se poate lăuda: iată ruta zborului viitor. Balisticienii, desigur, sunt geloși că piloții își pot descrie calea atât de eficient și clar. Și au început să se gândească, este posibil să găsești ceva similar pentru a descrie zborul unei nave spațiale? Ca rezultat, a fost găsită o modalitate convenabilă de a reflecta natura mișcării satelitului în raport cu Pământul pe exact aceleași hărți ca cele utilizate în aviație. Și, probabil, în cinstea acestei realizări, într-un cântec despre astronauți au apărut cuvintele: „Hărțile spațiale sunt încărcate în tablete”... Cu toate acestea, referitor la rândul ulterioară a cântecului „Și navigatorul clarifică traseul pentru ultimul timp”, ar trebui să vorbim în special cu autorul său. Știți deja că clarificarea traseului înseamnă cumva schimbarea condițiilor inițiale de mișcare. Ei, la rândul lor, devin specialiști în balistică, ca urmare a unei lucrări de calcul lungi și intensive, folosind cele mai avansate computere electronice, ținând cont de toate capacitățile rachetei și de cerințele programului de zbor. De aceea, navigatorul, imediat înainte de start („...La urma urmei, mai avem 14 minute”), practic nu va putea clarifica „traseul pentru ultima dată”.

Balistica a numit ruta navei spațiale în raport cu Pământul cu un cuvânt sonor traseu.

Calea de zbor a unui satelit este proiecția orbitei sale pe suprafața Pământului. Este construit după cum urmează. Pentru fiecare moment dat, se calculează o prognoză a mișcării satelitului, adică se determină coordonatele acestuia. Apoi, punctul în care se află satelitul este conectat printr-o linie dreaptă de centrul Pământului. Se numește punctul de intersecție a acestei linii cu suprafața Pământului punct subsatelit.

Construind puncte sub-sateliți pentru un număr de momente în timp și conectându-le cu o curbă lină, obținem o rută de mișcare.

Se poate realiza un model mecanic simplu al satelitului pentru a reprezenta traseul satelitului. Pentru a face acest lucru, luați un glob școlar obișnuit al Pământului și atașați un cerc metalic rigid lângă el, astfel încât globul să fie în interiorul cercului, iar centrele cercului și ale globului să coincidă (Fig. 22). Globul va părea să reprezinte Pământul în rotație, iar cercul va reprezenta o orbită circulară. Acum așezați creionul pe cerc, astfel încât vârful său să atingă globul și să fie îndreptat spre centrul său. Mișcând creionul de-a lungul cercului, vei descrie, așa cum ar fi, zborul unui satelit. Dacă rotiți simultan globul (simulând rotația Pământului), creionul va lăsa o curbă netedă pe glob, care va reprezenta urma satelitului. Cu cât traseul va fi mai precis, cu atât mențineți mai bine raportul dintre perioadele de rotație ale Pământului și revoluția satelitului.

Modelul mișcării satelitului în raport cu Pământul poate fi, desigur, îmbunătățit semnificativ și reflectă asupra acestuia zborul satelitului într-un ritm natural de timp. În acest scop, puteți utiliza un sistem automat de sincronizare a rotației globului cu cel al pământului și deplasarea modelului satelit de-a lungul suprafeței globului - cu zborul său real față de Pământ. Apoi, poziția modelului pe glob în fiecare moment de timp va corespunde exact coordonatele navei zburătoare. Un astfel de dispozitiv a fost folosit în timpul lansării primilor sateliți artificiali Pământeni și deocamdată a fost subiect de admirație pentru jurnaliști. Cu toate acestea, acest glob, instalat anterior în centrul de coordonare și calcul, și-a îndeplinit deja scopul. În loc de glob, a apărut un ecran uriaș de lumină mat cu o hartă a Pământului. Un punct luminos se târăște pe hartă, ghidat de un dispozitiv electronic special de numărare. Această pată reprezintă o navă spațială zburătoare. Pe aceeași hartă, punctele de măsurare a solului și zonele lor de vizibilitate radio sub formă de ovale sunt marcate cu anumite pictograme. Când „iepurașul” intră în următorul oval, aceasta înseamnă că acest punct de măsurare „vede” nava zburătoare și, prin urmare, poate menține contactul cu ea.

Dar, după ce și-a depășit utilitatea în centrul de coordonare și calcul, globul rămâne în continuare un asistent indispensabil pentru astronauți. Este instalat la bord, în cabina astronauților. Pentru ei, globul este un dispozitiv foarte convenabil și important care îi ajută să navigheze în zbor și să recunoască „trăsăturile” geografice ale Pământului. Un astfel de glob este adesea numit glob de navigație și este folosit pe sateliții Vostok, Voskhod și Soyuz.

După ce ați învățat cum să trasați traseele de zbor prin satelit pe un glob sau pe o hartă, vă puteți gândi acum cum arată și ce elemente orbitale pot fi determinate cu ajutorul lor.

Să începem cu cel mai simplu caz de construire a traseului unui satelit staționar al Pământului. Lăsați acest satelit să se miște pe o orbită ecuatorială. Raza sa orbitală poate fi găsită din condiția: perioada orbitală a satelitului trebuie să fie egală cu o zi siderale (adică, timpul în care Pământul face o revoluție completă în jurul axei sale în raport cu stelele). Calculele arată că raza orbitei satelitului ar trebui să fie de 35809 km. Cu alte cuvinte, satelitul va zbura la o altitudine de 29438 km cu o viteză de 3076 m/sec. Când se deplasează de-a lungul unei orbite ecuatoriale staționare, va părea că atârnă peste același punct de pe suprafața Pământului, situat pe ecuatorul său. Traseul satelitului este înfățișat extrem de simplu: un punct pe o mejoară. Iată tot „traseul” mișcării! Desigur, această împrejurare poate oferi hrană pentru ironie nu numai piloților sau marinarilor, ci chiar și pietonilor care, deși încet, se mișcă totuși în raport cu suprafața Pământului. Cu toate acestea, balisticienii împreună cu astronomii le pot răspunde: natura este departe de a fi indiferentă față de orbitele staționare, deoarece Pământul în raport cu Luna este un fel de „satelit” staționar. Fața strălucitoare a Lunii se confruntă întotdeauna cu Pământul cu aceeași parte, iar Pământul, vorbind la figurat, atârnă deasupra unei zone constante a suprafeței Lunii. Și numai datorită eforturilor oamenilor care au creat stația interplanetară Luna-3, a fost posibil să privim dincolo de partea Lunii ascunsă de Pământ, părăsind orbita staționară. Dacă raza orbitei satelitului este mai mică decât raza orbitei staționare, atunci perioada sa orbitală va scădea, adică va finaliza cu o revoluție mai repede decât se rotește Pământul. Traiectoria de zbor a satelitului va coincide cu ecuatorul Pământului, iar punctul sub-satelit se va deplasa de-a lungul acestuia de la vest la est (în direcția de rotație a Pământului).Dimpotrivă, atunci când satelitul este lansat pe o orbită a cărei rază depășește raza orbitei staționare, apoi în mișcarea sa va rămâne în urmă cu rotația Pământului și punctul sub-satelit se va deplasa de-a lungul ecuatorului de la est la vest în direcția opusă rotației Pământului.

Cum va arăta calea dacă planul orbital al satelitului nu coincide cu planul ecuatorial? Pentru a înțelege acest lucru, să ne uităm la Fig. 23. Afișează schematic Pământul și orbita satelitului atunci când sunt privite de la „margine mai departe”. De aici este imediat clar că cea mai mare latitudine a punctelor de cale va fi numeric egală cu înclinarea planului orbital. Astfel, traseul orbitei circulare a satelitului Pământului pe harta Pământului va fi situat în fâșia dintre paralele distanțate de la ecuator la nord și la sud la un unghi egal cu înclinarea planului orbital. Aceasta înseamnă că, dacă este dată calea de zbor a unui satelit pe o orbită circulară, atunci pe ea puteți găsi latitudinea punctului căii cel mai îndepărtat de ecuator și va fi numeric egală cu înclinarea planului orbital față de ecuator.

Să luăm acum în considerare mișcarea satelitului din momentul în care a traversat ecuatorul în timpul tranziției de la emisfera sudică la cea nordică (după cum se știe, punctul sub-satelit în acest moment va corespunde poziția ascendentă). nodul orbitei). În timpul unei revoluții a satelitului pe orbită, adică în momentul în care ajunge la ecuator, Pământul se va roti printr-un anumit unghi, a cărui magnitudine va depinde de perioada de revoluție a satelitului. Acest unghi, măsurat de-a lungul ecuatorului, este numit de balistică compensarea satelitului în longitudine pe revoluție orbitală (pentru concizie, se spune uneori deplasare pe orbită). Pentru un satelit circular al Pământului la o altitudine orbitală de 200 km, deplasarea va fi de 22°. Pe măsură ce raza orbitală crește, și deplasarea pe orbită va crește și pentru sateliții staționari va ajunge la 24 de ore siderale.

Exemple de diferite căi de satelit sunt prezentate în Fig. 24, 25. Axele orizontale ale figurilor arată longitudinea proiecției satelitului pe suprafața pământului, iar axele verticale arată latitudinea. Aceste cifre arată clar că calea satelitului trece întotdeauna în banda dintre două paralele, simetrice față de ecuator.

Să aruncăm o privire mai atentă la Fig. 24. Linia groasă de pe ea ilustrează calea de zbor a satelitului pe prima orbită. Pornind de la ecuator (punctul A), traseul urcă în emisfera nordică și, după ce a atins paralela, se întoarce la ecuator, îl traversează, apoi se apropie de paralela sudică, o atinge și se apropie din nou de ecuator din emisfera sudică (punctul ÎN). Distanța dintre puncte AȘi ÎNși există o deplasare a satelitului în longitudine pe orbită. Virajele ulterioare ale traseului pot fi obținute prin deplasarea secvențială de la viraj la viraj în funcție de cantitatea segmentului AB. Pentru a facilita trasarea traseului, puteți face un model special.

Evident, dacă deplasarea pe revoluție se potrivește de un număr întreg de ori pe lungimea ecuatorului Pământului, atunci traseul satelitului printr-un anumit număr de revoluții se va apropia de punctul Ași se va repeta în viitor.

Lăsa N este cel mai apropiat număr întreg de orbite pe care satelitul le face în aproximativ 24 de ore. Dacă după completarea N orbitelor satelitul nu ajunge în punct A, dar va ajunge, de exemplu, la punctul CU, atunci distanța unghiulară în longitudine dintre punctele A și C se numește deplasare orbitală zilnică. Când această deplasare este zero, satelitul va reveni la poziția inițială într-o zi.

Pe baza caracteristicilor descrise ale mișcării satelitului Pământului, acum putem comenta cu competență următoarele rapoarte TASS:

„Astăzi, 11 octombrie, la ora 14 ore 10 minute La ora Moscovei, un vehicul de lansare care transporta nava spațială Soyuz-6 a fost lansat în Uniunea Sovietică. La 14 ore 19 minute nava spațială Soyuz-6 a fost plasată cu mare precizie pe orbita calculată a satelitului Pământului... Conform măsurătorilor de traiectorie, parametrii orbitali ai navei sunt după cum urmează:

Distanța maximă de la suprafața Pământului (la apogeu) este de 223 de kilometri;

Distanța minimă de la suprafața Pământului (la perigeu) este de 186 de kilometri;

Înclinație orbitală 51,7 grade;

Perioada de revoluție în jurul Pământului este de 88,36 minute „...” Continuând programul planificat de cercetare și experimente științifice și tehnice ale navei spațiale Soyuz, la 12 octombrie 1969, la ora 13:45, ora Moscovei, a doua navă spațială, Soyuz , a fost lansat în Uniunea Sovietică. 7 „... Echipajele navelor spațiale Soyuz-6 și Soyuz-7 au stabilit o comunicare radio bidirecțională fiabilă între ele”.

Rapoartele ulterioare TASS au afirmat că parametrii orbitali ai sondei Soyuz-7 erau apropiați de cei ai sondei Soyuz-6.

După ce am citit cu atenție aceste rapoarte TASS, să încercăm să explicăm întrebarea de ce nava spațială Soyuz-7 a fost lansată la 13:45? Se poate presupune că ora de lansare a navei spațiale Soyuz-7 a fost aleasă din condiția ca, după ce a fost lansată pe orbită, să fie cât mai aproape de nava Soyuz-6 ("..."stabilit de încredere bidirecțională comunicarea radio între ele..."). Pentru aceasta, evident, este necesar ca traseul navei spațiale Soyuz-6 să treacă prin punctul de lansare al navei Soyuz-7. Să ne testăm ipoteza. Din raportul TASS aflăm că sonda spațială Soyuz-7 a fost lansată după 23 de ore 26 min după lansarea sondei Soyuz-6. Cu perioada de rotație a navei spațiale Soyuz-6 88.36 minîn perioada 23 ora 26 min. durează aproape (mai puțin de câteva minute) 16 orbite în jurul Pământului. Discrepanța de câteva minute poate fi explicată prin influența necentralității forțelor asupra zborului navei. Rezultă că traseul navei spațiale Soyuz-6 a trecut de fapt în vecinătatea punctului de lansare al navei spațiale Soyuz-7 și a asigurat astfel zborul apropiat al acestora.

Schimbarea perioadei orbitale a satelitului schimbă în mod semnificativ aspectul traiectoriei sale de zbor. Puteți verifica acest lucru uitându-vă din nou la Fig. 25. Un interes deosebit este calea de zbor a unui satelit staționar, al cărui plan orbital nu coincide cu planul ecuatorului. Din fig. 25 se poate observa că calea satelitului este reprezentată sub forma unei „cifre opt” situate pe aceeași zonă a suprafeței pământului. Se „îngustează” pe măsură ce înclinația scade și se contractă până la un punct în care orbita devine ecuatorială.

Astfel, am examinat principalele caracteristici ale mișcării unui satelit circular în raport cu Pământul în rotație. Este important de reținut că ruta sau „ruta” de mișcare a acestuia nu poate fi trasată în mod arbitrar, așa cum se face, de exemplu, atunci când se atribuie ruta de zbor a unui avion. Ruta satelitului, în ciuda aspectului său bizar, îndeplinește legile stricte ale mișcării și nu poate fi schimbată în mod arbitrar. Este în întregime determinată de înclinarea planului orbital și de perioada orbitală a satelitului.

Să numim proiecția satelitului pe suprafața pământului punctul în care linia dreaptă radială (linia care leagă satelitul cu centrul pământului) intersectează suprafața pământului. Când un satelit se mișcă în jurul Pământului, rotindu-se pe orbită, proiecția trasează o anumită linie pe suprafața pământului, care se numește calea satelitului. Traseul conectează acele puncte ale continentelor și oceanelor peste care satelitul în diferite momente

timpul apare la zenit, adică deasupra capului observatorului.Forma traseului este determinată în principal de înclinarea orbitei și de perioada de revoluție. Datorită faptului că calea este trasată de un satelit pe Pământul în rotație, unghiul la care calea intersectează ecuatorul este întotdeauna diferit de înclinarea orbitei. În special, pentru orbitele polare nu este egal cu 90° (la traversarea ecuatorului, proiecția satelitului deviază spre vest).

Pentru sateliții cu orbite joase și mișcare directă (înclinare mai mică de 90°), calea seamănă cu o sinusoidă, înconjurând în mod repetat globul. Această formă a rutei este bine cunoscută de toată lumea de la lansarea primului satelit artificial Pământului și nu o prezentăm.

Orez. 32. Traseele sateliților cu orbite circulare la o înclinare de 65° și perioade orbitale;

Pe astfel de rute, traficul este îndreptat peste tot spre nord-est sau sud-est, iar în punctele extreme nordice și sudice - spre est.

Situația este diferită pentru perioade lungi de circulație. Chiar și atunci când un satelit se mișcă în direcția de rotație a Pământului, proiecția sa poate rămâne în urmă față de rotația Pământului (în special în apropierea ecuatorului, unde viteza liniară a punctelor de suprafață este mai mare), iar atunci mișcarea a cel puțin unei părți a căii va apar în direcția vest (Fig. 32).

Un satelit de comunicații, precum și un satelit pentru studierea suprafeței pământului, sunt adesea lansate pe orbite periodice multiple (uneori sunt numite și sincrone), adică orbite cu o perioadă orbitală aproape proporțională cu timpul unei revoluții a Pământului. în jurul axei sale (zi siderale 23 ore 56 minute 4 s). „Aproape” se explică prin precesia orbitei: dacă câmpul gravitațional al Pământului ar fi central, atunci ar fi aleasă o perioadă exact proporțională cu ziua siderale. Căile unor astfel de sateliți sunt închise

linie, astfel încât peste orice punct al traseului satelitul să apară periodic și să nu apară deloc pe zone limitate „întinse în lateral”. Un exemplu este satelitul de comunicații Molniya-1.

În fig. Figura 33 prezintă urmele a cinci sateliți zilnici cu orbite circulare cu înclinări de 60, 40 și 20°. Aceste rute în formă de opt nu înconjoară globul, ci se află pe o parte a acestuia (dacă mișcarea ar fi inversată, situația ar fi diferită)