Zákon o medziplanetárnom vyrovnávaní. Aká je dráha letu družice s nízkym ťahom k malým telesám

Slovo kozmos je synonymom slova Vesmír. Vesmír sa často delí akosi svojvoľne na blízky vesmír, ktorý možno v súčasnosti skúmať pomocou umelých družíc Zeme, kozmických lodí, medziplanetárnych staníc a iných prostriedkov, a vzdialený vesmír – všetko ostatné, neúmerne väčšie. V skutočnosti sa blízky priestor vzťahuje na slnečnú sústavu a vzdialený priestor sa vzťahuje na obrovské rozlohy hviezd a galaxií.

Doslovný význam slova "kozmonautika", ktorý je kombináciou dvoch gréckych slov - "plávanie vo vesmíre." V bežnom zvyku toto slovo znamená súbor rôznych odvetví vedy a techniky, ktoré zabezpečujú výskum a vývoj kozmického priestoru a nebeských telies pomocou kozmických lodí - umelé družice, automatické stanice na rôzne účely, kozmické lode s ľudskou posádkou.

Kozmonautika, alebo, ako sa niekedy hovorí, astronautika, spája lety do kozmického priestoru, súbor vedných a technických odborov, ktoré slúžia na prieskum a využívanie kozmického priestoru v záujme potrieb ľudstva s využitím rôznych kozmických prostriedkov. Za začiatok vesmírneho veku ľudstva sa považuje 4. október 1957 – dátum, kedy bola v Sovietskom zväze vypustená prvá umelá družica Zeme.

Teória vesmírneho letu, dlhoročný sen ľudstva, sa stala vedou ako výsledok kľúčových prác veľkého ruského vedca Konstantina Eduardoviča Ciolkovského. Študoval základné princípy raketovej balistiky, navrhol schému kvapalného raketového motora a stanovil zákony, ktoré určujú reaktívnu silu motora. Boli tiež navrhnuté schémy kozmických lodí a boli uvedené princípy konštrukcie rakiet, ktoré sa v súčasnosti široko používajú v praxi. Po dlhú dobu, až do okamihu, keď sa nápady, vzorce a kresby nadšencov a vedcov začali meniť na predmety vyrobené „z kovu“ v dizajnérskych kanceláriách a továrňach, spočíval teoretický základ astronautiky na troch pilieroch: 1) teória pohyb kozmickej lode; 2) raketová technológia; 3) súhrn astronomických poznatkov o vesmíre. Následne v hĺbke kozmonautiky vznikla široká škála nových vedeckých a technických disciplín, ako je teória riadiacich systémov pre vesmírne objekty, vesmírna navigácia, teória vesmírnych komunikačných systémov a prenosu informácií, vesmírna biológia a medicína atď. že je pre nás ťažké si predstaviť kozmonautiku Bez týchto disciplín je užitočné pripomenúť, že teoretické základy kozmonautiky položil K. E. Ciolkovskij v čase, keď sa uskutočňovali len prvé experimenty s využitím rádiových vĺn a rádio nedokázalo považovať za prostriedok komunikácie vo vesmíre.

Po mnoho rokov bola signalizácia pomocou lúčov slnečného svetla odrazených zrkadlami na palube medziplanetárnej kozmickej lode smerom k Zemi vážne považovaná za prostriedok komunikácie. Teraz, keď sme si už zvykli, že nás neprekvapí ani živé televízne vysielanie z povrchu Mesiaca, ani rádiové fotografie urobené v blízkosti Jupitera alebo na povrchu Venuše, je ťažké tomu uveriť. Preto možno tvrdiť, že teória vesmírnej komunikácie napriek všetkej jej dôležitosti stále nie je hlavným článkom v reťazci vesmírnych disciplín. Týmto hlavným článkom je teória pohybu vesmírnych objektov. Práve to možno považovať za teóriu vesmírneho letu. Sami špecialisti zaoberajúci sa touto vedou to nazývajú inak: aplikovaná nebeská mechanika, nebeská balistika, vesmírna balistika, kozmodynamika, mechanika vesmírneho letu, teória pohybu umelých nebeských telies. Všetky tieto názvy majú rovnaký význam, presne vyjadrený posledným výrazom. Kozmodynamika je teda súčasťou nebeskej mechaniky - vedy, ktorá študuje pohyb akýchkoľvek nebeských telies, prirodzených (hviezdy, Slnko, planéty, ich satelity, kométy, meteoroidy, kozmický prach) aj umelých (automatické kozmické lode a kozmické lode s ľudskou posádkou). . Existuje však niečo, čo odlišuje kozmodynamiku od nebeskej mechaniky. Kozmodynamika, zrodená v lone nebeskej mechaniky, využíva jej metódy, no nezapadá do jej tradičného rámca.

Podstatný rozdiel medzi aplikovanou nebeskou mechanikou a klasickou mechanikou je v tom, že druhá sa nezaoberá a ani nemôže zaoberať výberom dráh nebeských telies, kým prvá sa zaoberá výberom z obrovského množstva možných trajektórií na dosiahnutie konkrétneho nebeského telesa. určitú trajektóriu, ktorá zohľadňuje početné, často protichodné požiadavky. Hlavnou požiadavkou je minimálna rýchlosť, na ktorú kozmická loď zrýchli počas počiatočnej aktívnej fázy letu a podľa toho minimálna hmotnosť nosnej rakety alebo orbitálneho horného stupňa (pri štarte z nízkej obežnej dráhy Zeme). To zaisťuje maximálne užitočné zaťaženie a tým aj najväčšiu vedeckú efektivitu letu. Do úvahy sa berú aj požiadavky na jednoduchosť ovládania, podmienky rádiovej komunikácie (napríklad v okamihu, keď stanica vstúpi na planétu pri jej prelete), podmienky vedeckého výskumu (pristátie na dennej alebo nočnej strane planéty) atď. Kozmodynamika poskytuje konštruktérom vesmírnych operácií metódy optimálneho prechodu z jednej obežnej dráhy na druhú, spôsoby korekcie trajektórie. V jeho zornom poli je orbitálne manévrovanie, ktoré klasická nebeská mechanika nepozná. Kozmodynamika je základom všeobecnej teórie vesmírneho letu (rovnako ako aerodynamika je základom teórie letu v atmosfére lietadiel, vrtuľníkov, vzducholodí a iných lietadiel). Kozmodynamika zdieľa túto úlohu s raketovou dynamikou - vedou o pohybe rakiet. Obe vedy, úzko prepojené, tvoria základ vesmírnej technológie. Obidve sú sekciami teoretickej mechaniky, ktorá je sama osebe samostatnou sekciou fyziky. Ako exaktná veda kozmodynamika využíva matematické výskumné metódy a vyžaduje si logicky súvislý systém prezentácie. Nie nadarmo rozvinuli základy nebeskej mechaniky po veľkých objavoch Koperníka, Galilea a Keplera práve tí vedci, ktorí najviac prispeli k rozvoju matematiky a mechaniky. Boli to Newton, Euler, Clairaut, d'Alembert, Lagrange, Laplace. A v súčasnosti matematika pomáha riešiť problémy nebeskej balistiky a naopak dostáva impulz vo svojom rozvoji vďaka úlohám, ktoré pre ňu kladie kozmodynamika.

Klasická nebeská mechanika bola čisto teoretická veda. Jej závery boli dôsledne potvrdené údajmi z astronomických pozorovaní. Kozmodynamika zaviedla experiment do nebeskej mechaniky a nebeská mechanika sa po prvýkrát zmenila na experimentálnu vedu, v tomto ohľade podobnú, povedzme, takej oblasti mechaniky, akou je aerodynamika. Nedobrovoľne pasívny charakter klasickej nebeskej mechaniky vystriedal aktívny, útočný duch nebeskej balistiky. Každý nový úspech v astronautike je zároveň dôkazom účinnosti a presnosti kozmodynamických metód. Kozmodynamika sa delí na dve časti: teóriu pohybu ťažiska kozmickej lode (teória vesmírnych trajektórií) a teóriu pohybu kozmickej lode vzhľadom k ťažisku (teória „rotačného pohybu“).

Raketové motory

Hlavným a takmer jediným dopravným prostriedkom vo vesmíre je raketa, ktorú na tento účel prvýkrát navrhol v roku 1903 K. E. Ciolkovskij. Zákony raketového pohonu predstavujú jeden zo základných kameňov teórie vesmírneho letu.

Kozmonautika disponuje rozsiahlym arzenálom raketových pohonných systémov založených na využívaní rôznych druhov energie. Ale vo všetkých prípadoch plní raketový motor tú istú úlohu: tak či onak vysunie z rakety určitú hmotu, ktorej rezerva (takzvaná pracovná tekutina) sa nachádza vo vnútri rakety. Na vyvrhnutú hmotu z rakety pôsobí určitá sila a podľa tretieho Newtonovho zákona mechaniky – zákona o rovnosti akcie a reakcie – tá istá sila, ale v opačnom smere, pôsobí od vyvrhnutej hmoty na raketu. Táto posledná sila, ktorá poháňa raketu, sa nazýva ťah. Je intuitívne jasné, že náporová sila by mala byť väčšia, čím väčšia je hmotnosť za jednotku času vymrštená z rakety a tým väčšia je rýchlosť, ktorú je možné udeliť vymrštenej hmote.

Najjednoduchšia schéma konštrukcie rakety:

V tejto fáze vývoja vedy a techniky existujú raketové motory založené na rôznych princípoch fungovania.

Termochemické raketové motory.

Princíp činnosti termochemických (alebo jednoducho chemických) motorov nie je zložitý: v dôsledku chemickej reakcie (zvyčajne spaľovacej reakcie) sa uvoľňuje veľké množstvo tepla a reakčné produkty sa zahrievajú na vysokú teplotu, rýchlo expandujú. katapultoval z rakety vysokou rýchlosťou. Chemické motory patria do širšej triedy tepelných (tepelných výmenných) motorov, v ktorých pracovná kvapalina vyteká v dôsledku jej expanzie zahrievaním. Pri takýchto motoroch rýchlosť výfuku závisí hlavne od teploty expandujúcich plynov a od ich priemernej molekulovej hmotnosti: čím vyššia je teplota a čím nižšia je molekulová hmotnosť, tým vyššia je rýchlosť výfuku. Na tomto princípe fungujú raketové motory na kvapalné palivo, raketové motory na tuhé palivo a motory dýchajúce vzduch.

Jadrové tepelné motory.

Princíp činnosti týchto motorov sa takmer nelíši od princípu činnosti chemických motorov. Rozdiel je v tom, že pracovná tekutina sa neohrieva v dôsledku vlastnej chemickej energie, ale v dôsledku „vonkajšieho“ tepla uvoľneného počas vnútrojadrovej reakcie. Na základe tohto princípu boli navrhnuté pulzujúce jadrové tepelné motory, jadrové tepelné motory na báze termonukleárnej fúzie a rádioaktívneho rozpadu izotopov. Nebezpečenstvo rádioaktívnej kontaminácie atmosféry a uzavretie dohody o zastavení jadrových testov v atmosfére, vo vesmíre a pod vodou však viedlo k zastaveniu financovania spomínaných projektov.

Tepelné motory s externým zdrojom energie.

Princíp ich fungovania je založený na prijímaní energie zvonku. Na tomto princípe je navrhnutý solárny tepelný motor, ktorého zdrojom energie je Slnko. Slnečné lúče koncentrované zrkadlami sa využívajú na priame ohrievanie pracovnej tekutiny.

Elektrické raketové motory.

Táto široká trieda motorov kombinuje rôzne typy motorov, ktoré sú v súčasnosti veľmi intenzívne vyvíjané. Pracovná kvapalina sa pomocou elektrickej energie urýchľuje na určitú rýchlosť výfuku. Energia sa získava z jadrovej alebo solárnej elektrárne umiestnenej na palube kozmickej lode (v zásade dokonca z chemickej batérie). Konštrukcie vyvíjaných elektromotorov sú mimoriadne rôznorodé. Patria sem elektrotermické motory, elektrostatické (iónové) motory, elektromagnetické (plazmové) motory, elektromotory s nasávaním pracovnej tekutiny z vyšších vrstiev atmosféry.

Vesmírne rakety

Moderná vesmírna raketa je komplexná konštrukcia pozostávajúca zo stoviek tisícov a miliónov častí, z ktorých každá hrá svoju zamýšľanú úlohu. Ale z hľadiska mechaniky zrýchlenia rakety na požadovanú rýchlosť možno celú počiatočnú hmotnosť rakety rozdeliť na dve časti: 1) hmotnosť pracovnej tekutiny a 2) konečnú hmotnosť zostávajúcu po uvoľnení. pracovnej tekutiny. Táto sa často nazýva „suchá“ hmota, pretože pracovnou tekutinou je vo väčšine prípadov kvapalné palivo. „Suchá“ hmota (alebo, ak chcete, „prázdna“ hmota rakety bez pracovnej tekutiny) pozostáva z hmotnosti konštrukcie a hmotnosti užitočného zaťaženia. Konštrukciou treba chápať nielen nosnú konštrukciu rakety, jej plášť a pod., ale aj pohonný systém so všetkými jeho jednotkami, riadiaci systém vrátane ovládacích prvkov, navigačné a komunikačné zariadenia atď. - jedným slovom, všetko, čo zabezpečuje normálny let rakety. Užitočné zaťaženie pozostáva z vedeckého vybavenia, rádiového telemetrického systému, tela kozmickej lode vypustenej na obežnú dráhu, posádky a systému podpory života kozmickej lode atď. Užitočné zaťaženie je niečo, bez čoho môže raketa uskutočniť normálny let.

Zrýchlenie rakety je uľahčené tým, že ako pracovná tekutina vyteká, hmotnosť rakety klesá, vďaka čomu sa pri konštantnom ťahu reaktívne zrýchlenie neustále zvyšuje. Ale, bohužiaľ, raketa sa neskladá len z jednej pracovnej tekutiny. Keď sa pracovná kvapalina vydýchne, uvoľnené nádrže, prebytočné časti plášťa atď. začnú zaťažovať raketu vlastnou hmotnosťou, čo sťažuje zrýchlenie. Na niektorých miestach je vhodné oddeliť tieto časti od rakety. Takto postavená raketa sa nazýva kompozitná raketa. Často sa kompozitná raketa skladá z nezávislých raketových stupňov (vďaka tomu možno z jednotlivých stupňov vyrobiť rôzne raketové systémy), zapojených do série. Ale je možné aj paralelné spojenie stupňov vedľa seba. Nakoniec existujú projekty kompozitných rakiet, v ktorých posledný stupeň ide do predchádzajúceho stupňa, ktorý je uzavretý vo vnútri predchádzajúceho atď.; v tomto prípade majú stupne spoločný motor a už nejde o samostatné rakety. Významnou nevýhodou tejto schémy je, že po oddelení vyčerpaného stupňa sa zrýchlenie prúdu prudko zvýši, pretože motor zostáva rovnaký, ťah sa preto nezmenil a zrýchlená hmotnosť rakety sa prudko znížila. To komplikuje presnosť navádzania strely a kladie zvýšené nároky na pevnosť konštrukcie. Pri sériovom zapojení stupňov má novozapnutý stupeň menší ťah a zrýchlenie sa prudko nemení. Kým je prvý stupeň v prevádzke, zvyšné stupne spolu so skutočným užitočným zaťažením môžeme považovať za užitočné zaťaženie prvého stupňa. Po oddelení prvého stupňa začne fungovať druhý stupeň, ktorý spolu s nasledujúcimi stupňami a skutočným nákladom tvorí samostatnú raketu („prvá podraketa“). Pre druhý stupeň hrajú všetky nasledujúce stupne spolu so skutočným užitočným zaťažením úlohu vlastného užitočného zaťaženia atď. Každá podraketa pridáva svoju vlastnú ideálnu rýchlosť k existujúcej rýchlosti a výsledkom je konečná ideálna rýchlosť rakety. viacstupňová raketa je súčet ideálnych rýchlostí jednotlivých podrakiet.

Raketa je veľmi „nákladné“ vozidlo. Nosné rakety kozmických lodí „prepravujú“ najmä palivo potrebné na prevádzku ich motorov a vlastnej konštrukcie, pozostávajúcej najmä z palivových nádob a pohonného systému. Užitočné zaťaženie predstavuje len malú časť (1,5 – 2,0 %) štartovacej hmotnosti rakety.

Kompozitná raketa umožňuje efektívnejšie využitie zdrojov v dôsledku skutočnosti, že počas letu sa oddelí stupeň, ktorý vyčerpal palivo, a zvyšok raketového paliva sa neplytvá na urýchlenie konštrukcie vyhoreného stupňa, ktorý sa stal nie je potrebné pokračovať v lete.

Možnosti konfigurácie rakety. Zľava doprava:

1. Jednostupňová raketa.
2. Dvojstupňová raketa s prierezom.
3. Dvojstupňová raketa s pozdĺžnym oddelením.
4. Raketa s externými palivovými nádržami, ktoré sú oddelené po vyčerpaní paliva v nich.

Konštrukčne sa viacstupňové rakety vyrábajú s priečnym alebo pozdĺžnym oddelením stupňov.

Pri priečnom oddelení sú stupne umiestnené nad sebou a pracujú postupne jeden po druhom, pričom sa zapínajú až po oddelení predchádzajúceho stupňa. Táto schéma umožňuje vytvárať systémy v zásade s ľubovoľným počtom stupňov. Jeho nevýhodou je, že zdroje nasledujúcich etáp nemožno použiť v práci predchádzajúcej, pretože sú pre ňu pasívnou záťažou.

Pri pozdĺžnom oddelení pozostáva prvý stupeň z niekoľkých rovnakých rakiet (v praxi od dvoch do ôsmich), umiestnených symetricky okolo tela druhého stupňa, takže výsledné ťahové sily motorov prvého stupňa smerujú pozdĺž osi symetrie. druhej a fungujú súčasne. Táto schéma umožňuje, aby motor druhého stupňa pracoval súčasne s motormi prvého stupňa, čím sa zvyšuje celkový ťah, čo je potrebné najmä pri prevádzke prvého stupňa, keď je hmotnosť rakety maximálna. Ale raketa s pozdĺžnym oddelením stupňov môže byť iba dvojstupňová.

Existuje aj kombinovaná separačná schéma - pozdĺžna-priečna, ktorá umožňuje kombinovať výhody oboch schém, v ktorých je prvý stupeň rozdelený od druhého pozdĺžne a oddelenie všetkých nasledujúcich stupňov prebieha priečne. Príkladom tohto prístupu je domáca nosná raketa Sojuz.

Raketoplán má unikátnu konštrukciu dvojstupňovej pozdĺžne oddelenej rakety, ktorej prvý stupeň pozostáva z dvoch bočných pomocných motorov na tuhé palivo, v druhom stupni je časť paliva obsiahnutá v nádržiach orbiterov (opätovne použiteľná kozmická loď sám) a väčšina z nich sa nachádza v odnímateľnej externej palivovej nádrži. Najprv pohonný systém orbiteru spotrebuje palivo z externej nádrže a keď sa vyčerpá, externá nádrž sa resetuje a motory pokračujú v prevádzke na palivo obsiahnuté v nádržiach orbiterov. Táto konštrukcia umožňuje maximálne využiť pohonný systém orbitera, ktorý funguje počas celého štartu kozmickej lode na obežnú dráhu.

Pri priečnom oddelení sú stupne navzájom spojené špeciálnymi sekciami - adaptérmi - nosnými konštrukciami valcového alebo kužeľového tvaru (v závislosti od pomeru priemerov stupňov), z ktorých každý musí odolať celkovej hmotnosti všetkých nasledujúcich stupňov, vynásobených maximálnou hodnotou preťaženia, ktorým raketa čelí vo všetkých sekciách, na ktorých je tento adaptér súčasťou rakety. Pri pozdĺžnom delení sú na tele druhého stupňa vytvorené výkonové pásy (predné a zadné), na ktoré sú pripevnené bloky prvého stupňa.

Prvky spájajúce časti kompozitnej rakety jej dodávajú tuhosť pevného telesa a keď sú stupne oddelené, mali by takmer okamžite uvoľniť horný stupeň. Kroky sú zvyčajne spojené pomocou svorníkov. Pyrobol je upevňovací svorník, v ktorého tyči je vedľa hlavice vytvorená dutina naplnená trhavinou s elektrickou rozbuškou. Keď sa na elektrickú rozbušku aplikuje prúdový impulz, dôjde k výbuchu, ktorý zničí tyč záveru a spôsobí odtrhnutie jej hlavy. Množstvo trhaviny v pyrobolte je starostlivo dávkované tak, aby na jednej strane zaručene odtrhlo hlavu a na druhej strane nepoškodilo raketu. Keď sú stupne oddelené, prúdový impulz sa súčasne aplikuje na elektrické rozbušky všetkých pyroboltov spájajúcich oddelené časti a spojenie sa uvoľní.

Ďalej by mali byť schody umiestnené v bezpečnej vzdialenosti od seba. (Spustenie motora vyššieho stupňa v blízkosti nižšieho môže spôsobiť vyhorenie jeho palivovej kapacity a výbuch zvyškového paliva, čo poškodí horný stupeň alebo destabilizuje jeho let.) Pri oddeľovaní stupňov v atmosfére sa aerodynamická sila na ich oddelenie je možné použiť prichádzajúci prúd vzduchu a pri oddeľovaní v prázdnote sa niekedy používajú pomocné malé raketové motory na tuhé palivo.

Na kvapalných raketách tieto motory slúžia aj na „usadzovanie“ paliva v nádržiach horného stupňa: keď je motor spodného stupňa vypnutý, raketa letí zotrvačnosťou v stave voľného pádu, zatiaľ čo kvapalina palivo v nádržiach je pozastavené, čo môže viesť k poruche pri štartovaní motora. Pomocné motory poskytujú scéne mierne zrýchlenie, pod vplyvom ktorého sa palivo „usadí“ na dne nádrží.

Zvýšenie počtu krokov dáva pozitívny efekt len ​​do určitej hranice. Čím viac stupňov, tým väčšia je celková hmotnosť adaptérov, ako aj motorov pracujúcich len na jednej časti letu a v určitom bode sa ďalšie zvyšovanie počtu stupňov stáva kontraproduktívnym. V modernej raketovej vedeckej praxi sa spravidla nevykonávajú viac ako štyri stupne.

Pri výbere počtu stupňov sú dôležité aj otázky spoľahlivosti. Pyrobolty a pomocné raketové motory na tuhé palivo sú jednorazové prvky, ktorých funkčnosť nie je možné overiť pred štartom rakety. Medzitým zlyhanie iba jedného pyroboltu môže viesť k núdzovému ukončeniu letu rakety. Nárast počtu jednorazových prvkov, ktoré nepodliehajú funkčnému testovaniu, znižuje spoľahlivosť celej rakety ako celku. To tiež núti dizajnérov, aby sa zdržali používania príliš veľa krokov.

Kozmické rýchlosti

Je mimoriadne dôležité poznamenať, že rýchlosť vyvinutú raketou (a s ňou aj celou kozmickou loďou) na aktívnej časti dráhy, teda na tom relatívne krátkom úseku pri bežiacom raketovom motore, musí byť dosiahnutá veľmi, veľmi vysoká.

V duchu umiestnime našu raketu do voľného priestoru a zapnime jej motor. Motor vytvoril ťah, raketa dostala nejaký druh zrýchlenia a začala naberať rýchlosť a pohybovala sa v priamom smere (ak ťažná sila nezmení svoj smer). Akú rýchlosť nadobudne raketa, kým jej hmotnosť klesne z počiatočnej m 0 na konečnú hodnotu m k? Ak predpokladáme, že rýchlosť w odtoku hmoty z rakety je konštantná (to je pozorované pomerne presne v moderných raketách), potom raketa vyvinie rýchlosť v, vyjadrenú Ciolkovského vzorec, ktorá určuje rýchlosť, ktorú lietadlo vyvinie pod vplyvom ťahu raketového motora, bez zmeny smeru, pri absencii všetkých ostatných síl:

kde ln označuje prirodzené a log označuje desiatkové logaritmy

Rýchlosť vypočítaná pomocou Tsiolkovského vzorca charakterizuje energetické zdroje rakety. Hovorí sa tomu ideálne. Vidíme, že ideálna rýchlosť nezávisí od druhej hmotnostnej spotreby pracovnej tekutiny, ale závisí len od rýchlosti výfuku w a od čísla z = m 0 /m k, nazývaného hmotnostný pomer alebo Ciolkovského číslo.

Existuje koncept takzvaných kozmických rýchlostí: prvá, druhá a tretia. Prvá kozmická rýchlosť je rýchlosť, ktorou sa teleso (kozmická loď) vypustené zo Zeme môže stať jej satelitom. Ak neberieme do úvahy vplyv atmosféry, tak priamo nad hladinou mora je prvá úniková rýchlosť 7,9 km/s a s rastúcou vzdialenosťou od Zeme klesá. Vo výške 200 km od Zeme je to 7,78 km/s. Prakticky sa predpokladá, že prvá úniková rýchlosť je 8 km/s.

Aby teleso (kozmická loď) vypustené zo Zeme prekonalo gravitáciu Zeme a zmenilo sa napríklad na satelit Slnka alebo na inú planétu v slnečnej sústave, musí dosiahnuť druhú únikovú rýchlosť, ktorá sa rovná na 11,2 km/s.

Teleso (kozmická loď) musí mať tretiu kozmickú rýchlosť na povrchu Zeme v prípade, keď sa vyžaduje, aby dokázalo prekonať gravitáciu Zeme a Slnka a opustiť Slnečnú sústavu. Predpokladá sa, že tretia úniková rýchlosť je 16,7 km/s.

Kozmické rýchlosti majú obrovský význam. Sú niekoľko desiatokkrát rýchlejšie ako rýchlosť zvuku vo vzduchu. Len z toho je zrejmé, aké zložité úlohy stoja v oblasti astronautiky.

Prečo sú kozmické rýchlosti také obrovské a prečo kozmické lode nepadajú na Zem? Skutočne je to zvláštne: Slnko so svojimi obrovskými gravitačnými silami drží Zem a všetky ostatné planéty slnečnej sústavy blízko seba a bráni im v lete do vesmíru. Zdalo by sa zvláštne, že Zem drží Mesiac blízko seba. Medzi všetkými telesami sú gravitačné sily, ale planéty nepadajú na Slnko, pretože sú v pohybe, to je tajomstvo.

Všetko padá na Zem: kvapky dažďa, snehové vločky, kameň padajúci z hory a pohár prevrátený zo stola. A Mesiac? Točí sa okolo Zeme. Nebyť gravitačných síl, odletel by tangenciálne na obežnú dráhu a ak by sa náhle zastavil, spadol by na Zem. Mesiac sa vplyvom gravitácie Zeme odchyľuje od priamej dráhy, celý čas akoby „padal“ k Zemi.

Pohyb Mesiaca nastáva po určitom oblúku a pokiaľ pôsobí gravitácia, Mesiac k Zemi nespadne. So Zemou je to rovnaké – ak by sa zastavila, spadla by do Slnka, ale nestane sa to z rovnakého dôvodu. Dva druhy pohybu – jeden pod vplyvom gravitácie, druhý zotrvačnosťou – sa sčítajú a výsledkom je krivočiary pohyb.

Zákon univerzálnej gravitácie, ktorý udržuje vesmír v rovnováhe, objavil anglický vedec Isaac Newton. Keď svoj objav zverejnil, ľudia hovorili, že sa zbláznil. Gravitačný zákon určuje nielen pohyb Mesiaca a Zeme, ale aj všetkých nebeských telies v Slnečnej sústave, ako aj umelých satelitov, orbitálnych staníc a medziplanetárnych kozmických lodí.

Keplerove zákony

Pred uvažovaním o dráhach kozmických lodí sa pozrime na Keplerove zákony, ktoré ich opisujú.

Johannes Kepler mal zmysel pre krásu. Celý svoj dospelý život sa snažil dokázať, že slnečná sústava je akýmsi mystickým umeleckým dielom. Najprv sa snažil spojiť jeho štruktúru s piatimi pravidelnými mnohostenmi klasickej starogréckej geometrie. (Pravidelný mnohosten je trojrozmerná postava, ktorej všetky tváre sú rovnaké ako pravidelné mnohouholníky.) V čase Keplera bolo známych šesť planét, o ktorých sa verilo, že sú umiestnené na rotujúcich „kryštálových guľách“. Kepler tvrdil, že tieto gule sú usporiadané tak, že pravidelné mnohosteny presne zapadajú medzi susedné gule. Medzi dve vonkajšie sféry – Saturn a Jupiter – umiestnil kocku vpísanú do vonkajšej sféry, do ktorej je zasa vpísaná vnútorná sféra; medzi sférami Jupitera a Marsu - štvorsten (pravidelný štvorsten) atď. Šesť sfér planét, päť pravidelných mnohostenov vpísaných medzi nimi - zdá sa, že samotná dokonalosť?

Bohužiaľ, po porovnaní svojho modelu s pozorovanými dráhami planét bol Kepler nútený priznať, že skutočné správanie nebeských telies nezapadá do harmonického rámca, ktorý načrtol. Jediným výsledkom Keplerovho mladíckeho impulzu, ktorý prežil stáročia, bol model slnečnej sústavy, ktorý vyrobil samotný vedec a daroval ho jeho patrónovi vojvodovi Fridrichovi von Württemburg. V tomto nádherne prevedenom kovovom artefakte sú všetky orbitálne sféry planét a v nich vpísané pravidelné mnohosteny duté nádoby, ktoré spolu nekomunikujú a ktoré sa počas sviatkov mali naplniť rôznymi nápojmi na ošetrenie vojvodových hostí.

Až potom, čo sa Kepler presťahoval do Prahy a stal sa asistentom slávneho dánskeho astronóma Tycha Braheho, narazil na myšlienky, ktoré skutočne zvečnili jeho meno do vedeckých anál. Tycho Brahe počas svojho života zbieral údaje z astronomických pozorovaní a nahromadil obrovské množstvo informácií o pohyboch planét. Po jeho smrti sa dostali do vlastníctva Keplera. Mimochodom, tieto záznamy mali v tom čase veľkú komerčnú hodnotu, pretože sa dali použiť na zostavenie rafinovaných astrologických horoskopov (dnes vedci radšej mlčia o tejto časti ranej astronómie).

Pri spracovávaní výsledkov pozorovaní Tycha Braheho stál Kepler pred problémom, ktorý by sa niekomu aj pri moderných počítačoch mohol zdať neriešiteľný a Kepler nemal inú možnosť, ako vykonávať všetky výpočty ručne. Samozrejme, ako väčšina astronómov svojej doby, aj Kepler už poznal koperníkovú heliocentrickú sústavu a vedel, že Zem sa točí okolo Slnka, čoho dôkazom je aj vyššie opísaný model slnečnej sústavy. Ale ako presne rotuje Zem a ostatné planéty? Predstavme si problém takto: nachádzate sa na planéte, ktorá sa po prvé otáča okolo svojej osi a po druhé obieha okolo Slnka po pre vás neznámej dráhe. Pri pohľade na oblohu vidíme ďalšie planéty, ktoré sa tiež pohybujú po nám neznámych dráhach. A úlohou je určiť na základe pozorovacích údajov o našej zemeguli rotujúcej okolo svojej osi okolo Slnka geometriu obežných dráh a rýchlosti pohybu iných planét. Presne to sa napokon podarilo Keplerovi, na základe čoho na základe získaných výsledkov odvodil svoje tri zákony!

Prvý zákon popisuje geometriu trajektórií obežných dráh planét: každá planéta v slnečnej sústave sa točí po elipse, v jednom z ohniskov, v ktorom sa nachádza Slnko. Zo školského kurzu geometrie - elipsa je množina bodov na rovine, súčet vzdialeností, z ktorých k dvom pevným bodom - ohniskám - sa rovná konštante. Alebo inými slovami - predstavte si rez bočným povrchom kužeľa rovinou pod uhlom k jeho základni, neprechádzajúcou základňou - to je tiež elipsa. Prvý Keplerov zákon hovorí, že obežné dráhy planét sú elipsy, pričom Slnko je v jednom z ohnísk. Excentricity (stupeň predĺženia) obežných dráh a ich vzdialenosť od Slnka v perihéliu (bod najbližšie k Slnku) a apohélii (najvzdialenejší bod) sú pre všetky planéty rôzne, ale všetky eliptické dráhy majú jedno spoločné - Slnko sa nachádza v jednom z dvoch ohnísk elipsy. Po analýze pozorovacích údajov Tycha Braheho dospel Kepler k záveru, že obežné dráhy planét sú súborom vnorených elipsov. Pred ním to jednoducho žiadnemu astronómovi nenapadlo.

Historický význam prvého Keplerovho zákona nemožno preceňovať. Pred ním astronómovia verili, že planéty sa pohybujú výlučne po kruhových dráhach, a ak to nezapadá do rámca pozorovaní, hlavný kruhový pohyb bol doplnený o malé kruhy, ktoré planéty opisovali okolo bodov hlavnej kruhovej dráhy. Išlo predovšetkým o filozofický postoj, akýsi nemenný fakt, nepodliehajúci pochybnostiam ani overovaniu. Filozofi tvrdili, že nebeská štruktúra je na rozdiel od tej pozemskej dokonalá vo svojej harmónii, a keďže najdokonalejšími geometrickými útvarmi sú kruh a guľa, znamená to, že planéty sa pohybujú v kruhu. Hlavná vec je, že keď Johannes Kepler získal prístup k rozsiahlym pozorovacím údajom Tycha Braheho, dokázal tento filozofický predsudok prekonať, pretože nezodpovedal skutočnosti – rovnako ako sa Kopernik odvážil odstrániť Zem zo stredu. vesmíru, konfrontovaní s argumentmi, ktoré boli v rozpore s pretrvávajúcimi geocentrickými myšlienkami, ktoré tiež pozostávali z „nesprávneho správania“ planét na obežných dráhach.

Druhý zákon popisuje zmenu rýchlosti pohybu planét okolo Slnka: každá planéta sa pohybuje v rovine prechádzajúcej stredom Slnka a v rovnakých časových úsekoch vektor polomeru spájajúceho Slnko a planétu opisuje rovnaké oblasti. . Čím ďalej je eliptická dráha planéty od Slnka, tým je pohyb pomalší; čím je bližšie k Slnku, tým rýchlejšie sa planéta pohybuje. Teraz si predstavte dvojicu úsečiek spájajúcich dve polohy planéty na jej obežnej dráhe s ohniskom elipsy, v ktorej sa nachádza Slnko. Spolu so segmentom elipsy ležiacim medzi nimi tvoria sektor, ktorého oblasťou je práve „oblasť, ktorá je odrezaná segmentom priamej čiary“. Presne o tom hovorí druhý zákon. Čím bližšie je planéta k Slnku, tým sú segmenty kratšie. Ale v tomto prípade, aby sektor pokryl rovnakú oblasť v rovnakom čase, musí planéta prejsť na svojej obežnej dráhe väčšiu vzdialenosť, čo znamená, že sa jej rýchlosť pohybu zvýši.

Prvé dva zákony sa zaoberajú špecifikami obežných dráh jednej planéty. Tretí Keplerov zákon nám umožňuje porovnať obežné dráhy planét medzi sebou: štvorce periód rotácie planét okolo Slnka súvisia ako tretie mocniny hlavných polosí obežných dráh planét. Hovorí sa, že čím ďalej je planéta od Slnka, tým dlhšie trvá dokončenie úplnej revolúcie pri pohybe na obežnej dráhe a tým dlhšie teda na tejto planéte trvá „rok“. Dnes vieme, že je to spôsobené dvoma faktormi. Po prvé, čím ďalej je planéta od Slnka, tým dlhší je obvod jej obežnej dráhy. Po druhé, so zväčšujúcou sa vzdialenosťou od Slnka klesá aj lineárna rýchlosť pohybu planéty.

Kepler vo svojich zákonoch jednoducho uviedol fakty, po preštudovaní a zovšeobecnení výsledkov pozorovaní. Ak by ste sa ho spýtali, čo spôsobilo elipticitu dráh alebo rovnosť plôch sektorov, neodpovedal by vám. To jednoducho vyplývalo z jeho analýzy. Ak by ste sa ho opýtali na orbitálny pohyb planét v iných hviezdnych sústavách, tiež by vám nemal čo odpovedať. Musel by začať odznova - zhromaždiť pozorovacie údaje, potom ich analyzovať a pokúsiť sa identifikovať vzory. To znamená, že by jednoducho nemal dôvod veriť, že iný planetárny systém sa riadi rovnakými zákonmi ako slnečná sústava.

Jeden z najväčších triumfov Newtonovej klasickej mechaniky spočíva práve v tom, že poskytuje zásadné zdôvodnenie Keplerovych zákonov a potvrdzuje ich univerzálnosť. Ukazuje sa, že Keplerove zákony môžu byť odvodené z Newtonových zákonov mechaniky, Newtonovho zákona univerzálnej gravitácie a zákona zachovania momentu hybnosti pomocou prísnych matematických výpočtov. A ak áno, môžeme si byť istí, že Keplerove zákony platia rovnako pre akýkoľvek planetárny systém kdekoľvek vo vesmíre. Astronómovia, ktorí vo vesmíre hľadajú nové planetárne systémy (a veľa z nich už bolo objavených) čas od času, samozrejme, používajú Keplerove rovnice na výpočet parametrov obežných dráh vzdialených planét, hoci ich nemôžu priamo pozorovať. .

Tretí Keplerov zákon hral a stále hrá dôležitú úlohu v modernej kozmológii. Pozorovaním vzdialených galaxií astrofyzici detegujú slabé signály vyžarované atómami vodíka obiehajúcimi po veľmi vzdialených dráhach od galaktického stredu – oveľa ďalej, než sú zvyčajne hviezdy. Pomocou Dopplerovho javu v spektre tohto žiarenia vedci určujú rýchlosti rotácie vodíkovej periférie galaktického disku a z nich uhlové rýchlosti galaxií ako celku. Diela vedca, ktorý nás pevne postavil na cestu k správnemu pochopeniu štruktúry našej slnečnej sústavy, a dnes, stáročia po jeho smrti, zohrávajú takú dôležitú úlohu pri štúdiu štruktúry obrovského vesmíru.

Orbity

Veľký význam má výpočet trajektórií letu kozmických lodí, pri ktorých by sa mal sledovať hlavný cieľ - maximálna úspora energie. Pri výpočte dráhy letu kozmickej lode je potrebné určiť najvýhodnejší čas a pokiaľ možno aj miesto štartu, zohľadniť aerodynamické efekty, ktoré vznikajú v dôsledku interakcie zariadenia s atmosférou Zeme pri štarte a dokončiť a oveľa viac.

Mnohé moderné kozmické lode, najmä tie s posádkou, majú na palube pomerne malé raketové motory, ktorých hlavným účelom je nevyhnutná korekcia obežnej dráhy a brzdenie pri pristávaní. Pri výpočte dráhy letu treba brať do úvahy jej zmeny spojené s úpravou. Väčšina trajektórie (v skutočnosti celá trajektória, okrem jej aktívnej časti a nastavovacích období) sa vykonáva s vypnutými motormi, ale samozrejme pod vplyvom gravitačných polí nebeských telies.

Dráha kozmickej lode sa nazýva orbita. Počas voľného letu kozmickej lode, keď sú jej palubné prúdové motory vypnuté, dochádza pod vplyvom gravitačných síl a zotrvačnosti k pohybu, pričom hlavnou silou je zemská príťažlivosť.

Ak považujeme Zem za striktne guľovú a za jedinú silu pôsobenie zemského gravitačného poľa, potom sa pohyb kozmickej lode riadi známymi Keplerovými zákonmi: prebieha v stacionárnej (v absolútnom priestore) rovine prechádzajúcej cez stred Zeme - obežná rovina; obežná dráha má tvar elipsy alebo kruhu (špeciálny prípad elipsy).

Dráhy charakterizuje množstvo parametrov – sústava veličín, ktoré určujú orientáciu dráhy nebeského telesa v priestore, jej veľkosť a tvar, ako aj polohu na dráhe nebeského telesa v nejakom pevnom okamihu. Nerušená dráha, po ktorej sa teleso pohybuje v súlade s Keplerovými zákonmi, je určená:

1. Orbitálny sklon (i) k referenčnej rovine; môže mať hodnoty od 0° do 180°. Sklon je menší ako 90°, ak sa teleso javí ako pohyb proti smeru hodinových ručičiek k pozorovateľovi, ktorý sa nachádza na severnom ekliptike alebo severnom nebeskom póle, a väčší ako 90°, ak sa teleso pohybuje opačným smerom. Pri aplikácii na Slnečnú sústavu sa ako referenčná rovina zvyčajne volí rovina obežnej dráhy Zeme (rovina ekliptiky); pre umelé družice Zeme sa ako referenčná rovina zvyčajne volí rovina zemského rovníka; pre družice iných planét Slnečnej sústavy sa ako referenčná rovina zvyčajne volí rovina rovníka príslušnej planéty.
2. Zemepisná dĺžka vzostupného uzla (Ω)- jeden zo základných prvkov obežnej dráhy, používa sa na matematický opis tvaru obežnej dráhy a jej orientácie v priestore. Definuje bod, v ktorom obežná dráha pretína hlavnú rovinu v smere z juhu na sever. Pre telesá otáčajúce sa okolo Slnka je hlavnou rovinou ekliptika a nulovým bodom je Prvý bod Barana (jarná rovnodennosť).
3. Hlavná náprava (nápravy) je polovicou hlavnej osi elipsy. V astronómii charakterizuje priemernú vzdialenosť nebeského telesa od ohniska.
4. Výstrednosť- číselná charakteristika kužeľosečky. Excentricita je invariantná vzhľadom na pohyby roviny a transformácie podobnosti a charakterizuje „stlačenie“ obežnej dráhy.
5. Argument periapsis- je definovaný ako uhol medzi smermi od stredu priťahovania k vzostupnému uzlu obežnej dráhy a k periapse (bod dráhy satelitu najbližšie k stredu priťahovania), alebo uhol medzi radom uzlov a čiarou apsidy. Počíta sa od stredu priťahovania v smere pohybu satelitu, zvyčajne sa volí v rozsahu 0°-360°. Na určenie vzostupného a zostupného uzla sa vyberie určitá (tzv. základná) rovina obsahujúca priťahujúci stred. Ako základná rovina sa zvyčajne používa rovina ekliptiky (pohyb planét, komét, asteroidov okolo Slnka), rovníková rovina planéty (pohyb satelitov okolo planéty) atď.
6. Priemerná anomália pre teleso pohybujúce sa po nerušenej dráhe - súčin jeho priemerného pohybu a časového intervalu po prejdení periapsiou. Priemerná anomália je teda uhlová vzdialenosť od periapsie hypotetického telesa pohybujúceho sa konštantnou uhlovou rýchlosťou rovnajúcou sa priemernému pohybu.

Existujú rôzne typy dráh – rovníková (sklon „i“ = 0°), polárna (sklon „i“ = 90°), slnečno-synchrónne dráhy (parametre dráhy sú také, že družica prejde cez ktorýkoľvek bod na zemskom povrchu pri približne v rovnakom čase).miestny slnečný čas), nízkoorbitálne (nadmorské výšky od 160 km do 2000 km), stredoorbitálne (nadmorské výšky od 2000 km do 35786 km), geostacionárne (nadmorská výška 35786 km), vysokoorbitálne (nadmorské výšky viac viac ako 35 786 km).

Mladšia generácia, vstupujúca do tretieho tisícročia, bude určite svedkom prvého medziplanetárneho letu v histórii po trase Zem-Mars-Zem a niektorí budú mať možnosť byť jeho priamymi účastníkmi. Mars je ďalšie nebeské teleso, na ktoré človek vkročí. Ako poletí posádka na Mars?

Zatiaľ čo motory moderných vesmírnych rakiet ešte nie sú dostatočne vyspelé, používajú sa len na relatívne malé letové segmenty. V podstate sa musíte uchýliť k gravitačnej sile Slnka. V tomto ohľade možno medziplanetárnu trajektóriu rozdeliť na úseky dvoch typov.

Prvou z nich je aktívna sekcia, v ktorej sa let vykonáva s naštartovanými motormi. Takýchto oblastí môže byť niekoľko.

Vo vopred vypočítanom čase sa zapnú motory raketovej posilňovacej jednotky a medziplanetárna kozmická loď odštartuje z blízkej obežnej dráhy Zeme. Na dosiahnutie cieľovej planéty je potrebné vypočítať trajektóriu letu tak, aby po opustení sféry vplyvu Zeme a vstupe do gravitačného poľa Slnka naša loď pokračovala v lete k zamýšľanému bodu stretnutia s planétou. Na jednej strane je dráha kozmickej lode určená jej počiatočnou rýchlosťou a smerom pohybu (v momente štartu z blízkej obežnej dráhy Zeme), na druhej strane gravitáciou samotného Slnka. Let kozmickej lode narúšajú aj planéty a ich satelity – odchyľujú ho od vypočítanej dráhy. Ale tieto odchýlky sú malé a dajú sa ľahko odstrániť krátkym zapnutím korekčných raketových motorov pozdĺž dráhy letu.

Aby sa sonda (SC) dostala na vypočítanú dráhu k Marsu, musí jej byť udelená rýchlosť aspoň 11,6 km/s. A len čo sa dosiahne požadovaná rýchlosť, začína sa dlhý let s vypnutými motormi po druhom, pasívnom úseku medziplanetárnej trasy.

K letu medziplanetárnej kozmickej lode teda dochádza najmä zotrvačnosťou v gravitačnom poli Slnka. Rovnaká sila tvorí aj medziplanetárnu trajektóriu. Pri odlete zo Zeme nízkou rýchlosťou nejde o nič iné ako o cirkumsolárnu eliptickú dráhu.

Po dlhom lete v gravitačnom poli Slnka náš posol spadne do sféry vplyvu Marsu a pohybuje sa v jeho blízkosti po dráhe letu. Keďže rýchlosť lode presahuje hodnotu druhej kozmickej rýchlosti pri Marse (5,0 km/s), planéta nie je schopná udržať ju blízko seba. Po lete blízko Marsu sa kozmická loď musí nevyhnutne stať satelitom Slnka. Čo je potrebné urobiť, aby sa loď nevzdialila od piesne, ale vstúpila na obežnú dráhu satelitu Marsu?

Ako už vieme, prechod z jednej obežnej dráhy na druhú sa uskutočňuje zmenou rýchlosti pohybu. V tomto prípade je potrebné znížiť rýchlosť kozmickej lode približne na hodnotu prvej kozmickej rýchlosti pri Marse, teda 3,55 km/s. To sa dosiahne krátkym zapnutím brzdiaceho raketového motora. A kým motor beží, let je opäť aktívny. Všimnite si, že potreba takéhoto manévru vyvstáva zakaždým, keď je akákoľvek kozmická loď vypustená na obežnú dráhu satelitu Lupa, Marsu alebo akejkoľvek inej planéty. Pohyb na obežnej dráhe okolo Marsu, ako aj okolo Zeme, je pasívny. A nakoniec posledný úsek územia je oblasť, kde zostupové vozidlo klesá na povrch planéty.

Ak planéta nemá atmosféru, ako napríklad na Mesiaci, alebo je veľmi riedka, ako na Merkúre alebo Marse, potom by sa na brzdenie a zabezpečenie mäkkého pristátia zostupového vozidla mali použiť špeciálne brzdiace raketové motory. Podobným spôsobom urobili mäkké pristátie na povrchu Lupy aj lunárne kabíny Apollo s americkými astronautmi. Na zabezpečenie mäkkého pristátia kozmickej lode na povrchu planéty s hustou atmosférou je potrebné51 siahnuť po aerodynamickom brzdení. Ako príklad sme sa už oboznámili s tým, ako prebiehal zostup a pristátie sovietskych automatických medziplanetárnych staníc na povrchu Venuše. Prelet opačným smerom – smerom k Zemi – prebehne rovnako, preto ho nebudeme opakovať.

Chcel by som poznamenať, že túto klasickú schému letov do iných planetárnych svetov vyvinul vynikajúci sovietsky vedec Jurij Vasiljevič Kondratyuk (1897-1942). Jeho kniha „Dobytie medziplanetárneho priestoru“, vydaná v roku 1929, obsahuje podrobné teoretické zdôvodnenie letov na Mesiac a planéty Slnečnej sústavy. A o 40 rokov neskôr bol úspešne uvedený do praxe. Podľa Kondratyukovej schémy sa uskutočnili lety amerického Apolla na Mesiac.

Medziplanetárne eliptické trajektórie sa považujú za najhospodárnejšie, pretože lety kozmických lodí pozdĺž nich sa vykonávajú s minimálnymi nákladmi na energiu. Eliptické dráhy majú významnú nevýhodu: trvanie letu je príliš dlhé. Napríklad poloeliptický let na Mars bude trvať 259 dní, teda viac ako 8,5 mesiaca.

V prípade lode s posádkou letiacej na Mars nastáva problém povinného návratu ľudí na Zem. A kým sa tento problém nevyrieši, o žiadnych ľudských letoch na planéty nemôže byť ani reči. Ako dlho bude trvať celý let?

Začnime tým, že medziplanetárna kozmická loď musí byť vyslaná do letu v období vhodnej polohy cieľovej planéty vzhľadom na Zem. Inak to nedosiahne. Takéto „štartovacie okná“ pre štarty na Mars sa opakujú v priemere po 2 rokoch a 2 mesiacoch. A aby sa posádka mohla bezpečne vrátiť na Zem, ľudia musia čakať na Marse 450 dní, kým nepríde „štartovacie okno“ pre let na Zem. V konečnom dôsledku bude celá cesta trvať 2 roky a 8 mesiacov! Je úplne jasné, že takéto lehoty sú neprijateľné. Ako byť?

Výrazné skrátenie trvania medziplanetárneho letu možno dosiahnuť zvýšením počiatočnej rýchlosti v momente štartu. Predpokladajme, že pri štarte z nízkej obežnej dráhy Zeme poskytne raketa lodi tretiu únikovú rýchlosť – 16,7 km/s. Potom už let nebude po elipse, ale po vysokorýchlostnej parabolickej trajektórii a naši cestovatelia budú môcť dosiahnuť Mars len za 70 dní! V tomto prípade sa dá čas strávený na Marse skrátiť na 12 dní a cesta po trase Zem-Mars-Zem potrvá 152 dní.

Ale čím ďalej musíte letieť, tým väčšia je rýchlosť potrebná na udelenie medziplanetárnej kozmickej lode pri štarte. Ak teda pre let na najbližšie planéty - Benera a Mars - sú minimálne počiatočné rýchlosti vzhľadom na Zem 11,5 a 11,6 km/s, potom pre let k Jupiteru musí byť počiatočná rýchlosť aspoň 14,2 km/s. s ., a dosiahnuť vzdialené Pluto - 16,3 km / s, čo je takmer rovná tretej kozmickej rýchlosti. To sa vysvetľuje skutočnosťou, že na to, aby loď mohla letieť na okraj slnečnej sústavy, musí mať nejakú dodatočnú rezervu energie potrebnú na prekonanie gravitačnej sily Slnka.

A napokon, ak pôjdeme na medziplanetárny let rýchlosťou presahujúcou hodnotu tretej kozmickej rýchlosti, tak naša loď už nepoletí po parabole, ale po najrýchlejšej – hyperbolickej trase. Dosiahnutie hyperbolických rýchlostí umožní minimalizovať časy medziplanetárnych letov.

Ale ako dosiahnuť také vysoké rýchlosti? Vedci a dizajnéri nových vesmírnych technológií vidia riešenie tohto problému vo vytvorení medziplanetárnych kozmických lodí s jadrovými a elektrickými raketovými motormi.

Po otvorení tabletu sa navigátor lietadla môže pochváliť: tu je trasa nadchádzajúceho letu. Balisti, samozrejme, závidia, že piloti dokážu tak efektívne a jasne vykresliť svoju cestu. A začali uvažovať, je možné nájsť niečo podobné, čo by opísalo let kozmickej lode? V dôsledku toho sa našiel vhodný spôsob, ako odrážať povahu pohybu satelitu vzhľadom na Zem na presne rovnakých mapách, aké sa používajú v letectve. A pravdepodobne na počesť tohto úspechu sa v jednej piesni o astronautoch objavili slová: „Vesmírne mapy sú načítané do tabletov“... Čo sa však týka nasledujúceho riadku piesne „A navigátor objasňuje trasu pre posledný čas,“ by sme sa mali porozprávať najmä s jej autorom. Už viete, že objasnenie trasy znamená nejako zmeniť počiatočné podmienky pohybu. Tí sa zase stávajú balistickými špecialistami v dôsledku dlhej, pracne náročnej výpočtovej práce s použitím najmodernejších elektronických počítačov, berúc do úvahy všetky schopnosti rakety a požiadavky letového programu. To je dôvod, prečo navigátor bezprostredne pred štartom („...Veď nám zostáva ešte 14 minút“) prakticky nebude schopný objasniť „trasu naposledy“.

Balistika nazvala cestu kozmickej lode vzhľadom k Zemi zvučným slovom trasu.

Dráha letu satelitu je priemet jeho obežnej dráhy na zemský povrch. Je skonštruovaný nasledovne. Pre každý daný časový okamih sa vypočíta predpoveď pohybu satelitu, t.j. určia sa jeho súradnice. Potom je bod, kde sa nachádza satelit, spojený priamkou so stredom Zeme. Priesečník tejto priamky s povrchom Zeme sa nazýva subsatelitný bod.

Zostrojením podsatelitných bodov pre množstvo časových okamihov a ich spojením hladkou krivkou získame trasu pohybu.

Na vykreslenie dráhy satelitu je možné vytvoriť jednoduchý mechanický model satelitu. Aby ste to urobili, vezmite obyčajný školský glóbus Zeme a pripevnite k nemu pevnú kovovú obruč tak, aby sa glóbus nachádzal vo vnútri obruče a stredy obruče a glóbusu sa zhodovali (obr. 22). Zdá sa, že zemeguľa predstavuje rotujúcu Zem a obruč bude predstavovať kruhovú obežnú dráhu. Teraz položte ceruzku na obruč tak, aby sa jej hrot dotýkal zemegule a smeroval k jej stredu. Pohybom ceruzky pozdĺž obruče akoby ste zobrazili let satelitu. Ak súčasne otočíte zemeguľu (simulujete rotáciu Zeme), ceruzka zanechá na zemeguli hladkú krivku, ktorá bude zobrazovať stopu satelitu. Čím presnejšia bude trasa, tým lepšie dodržíte pomer periód rotácie Zeme a rotácie satelitu.

Model pohybu družice voči Zemi je samozrejme možné výrazne vylepšiť a odrážať na ňom let družice prirodzeným tempom. Na tento účel môžete využiť automatický systém na synchronizáciu rotácie zemegule so zemskou a posúvanie modelu satelitu po povrchu zemegule – s jej skutočným letom voči Zemi. Potom bude poloha modelu na zemeguli v každom okamihu presne zodpovedať súradniciam lietajúcej lode. Takéto zariadenie bolo použité pri štarte prvých umelých satelitov Zeme a zatiaľ bolo predmetom obdivu novinárov. Tento glóbus, predtým inštalovaný v koordinačnom a výpočtovom centre, však už splnil svoj účel. Namiesto zemegule sa objavila obrovská matná svetelná obrazovka s mapou Zeme. Svetelný bod sa plazí po mape, navádzaný špeciálnym elektronickým počítacím zariadením. Táto škvrna predstavuje lietajúcu vesmírnu loď. Na tej istej mape sú pozemné meracie body a ich zóny rádiovej viditeľnosti vo forme oválov označené určitými ikonami. Keď „zajačik“ vstúpi do ďalšieho oválu, znamená to, že tento merací bod „vidí“ lietajúcu loď, a preto s ňou môže udržiavať kontakt.

Po tom, čo však zemeguľa prežila svoju užitočnosť v koordinačnom a výpočtovom centre, zostáva pre astronautov stále nepostrádateľným pomocníkom. Je inštalovaný na palube, v kabíne astronautov. Zemeguľa je pre nich veľmi pohodlným a dôležitým zariadením, ktoré im pomáha orientovať sa počas letu a rozpoznávať geografické „črty“ Zeme. Takýto glóbus sa často nazýva navigačný glóbus a používa sa na satelitoch Vostok, Voskhod a Sojuz.

Keď ste sa naučili, ako vykresliť dráhy satelitných letov na zemeguli alebo na mape, môžete teraz zvážiť, ako vyzerajú a aké orbitálne prvky je možné s ich pomocou určiť.

Začnime s najjednoduchším prípadom konštrukcie dráhy stacionárneho satelitu Zeme. Nechajte tento satelit pohybovať sa po rovníkovej obežnej dráhe. Jeho obežný polomer možno zistiť z podmienky: obežná doba satelitu sa musí rovnať jednému hviezdnemu dňu (t. j. dobe, počas ktorej Zem vykoná jednu úplnú otáčku okolo svojej osi vzhľadom na hviezdy). Výpočty ukazujú, že polomer obežnej dráhy satelitu by mal byť 35809 km. Inými slovami, satelit poletí vo výške 29438 km rýchlosťou 3076 m/s. Pri pohybe po stacionárnej rovníkovej dráhe sa bude zdať, že visí nad tým istým bodom na povrchu Zeme, ktorý sa nachádza na jej rovníku. Dráha satelitu je znázornená veľmi jednoducho: bod na ježibabe. Tu je celá „trasa“ pohybu! Samozrejme, táto okolnosť môže poskytnúť potravu na iróniu nielen pilotom či námorníkom, ale dokonca aj chodcom, ktorí sa, hoci pomaly, stále pohybujú vzhľadom k povrchu Zeme. Balisti spolu s astronómami im však môžu odpovedať: príroda nie je ľahostajná k stacionárnym dráham, pretože Zem je vo vzťahu k Mesiacu akýmsi stacionárnym „satelitom“. Svetlá tvár Mesiaca je vždy obrátená k Zemi tou istou stranou a Zem, obrazne povedané, visí nad konštantnou oblasťou povrchu Mesiaca. A len vďaka úsiliu ľudí, ktorí vytvorili medziplanetárnu stanicu Luna-3, bolo možné nahliadnuť za časť Mesiaca skrytú pred Zemou a opustiť stacionárnu obežnú dráhu. Ak je polomer obežnej dráhy satelitu menší ako polomer stacionárnej obežnej dráhy, jeho obežná doba sa zníži, t. j. dokončí o jednu otáčku rýchlejšie, ako sa Zem otáča. Dráha letu družice sa bude zhodovať so zemským rovníkom a poddružicový bod sa po nej bude pohybovať zo západu na východ (v smere rotácie Zeme), naopak, keď sa družica vypustí na obežnú dráhu, ktorej polomer presahuje polomere stacionárnej dráhy, potom bude vo svojom pohybe zaostávať za rotáciou Zeme a poddružicový bod sa bude pohybovať po rovníku z východu na západ v smere opačnom k ​​rotácii Zeme.

Ako bude vyzerať dráha, ak sa orbitálna rovina satelitu nezhoduje s rovníkovou rovinou? Aby sme to pochopili, pozrime sa na obr. 23. Schematicky znázorňuje Zem a obežnú dráhu satelitu pri pohľade „od okraja“. Odtiaľ je okamžite jasné, že najväčšia zemepisná šírka bodov dráhy bude číselne rovná sklonu roviny obežnej dráhy. Dráha kruhovej dráhy družice Zeme na mape Zeme sa teda bude nachádzať v páse medzi rovnobežkami vzdialenými od rovníka na sever a juh v uhle rovnajúcom sa sklonu roviny obežnej dráhy. To znamená, že ak je daná dráha letu satelitu na kruhovej obežnej dráhe, potom na nej nájdete zemepisnú šírku bodu dráhy najvzdialenejšieho od rovníka a bude sa číselne rovnať sklonu roviny obežnej dráhy k rovníku.

Uvažujme teraz o pohybe družice od okamihu, keď prekročil rovník počas prechodu z južnej pologule na severnú (ako je známe, poddružicový bod v tomto okamihu bude zodpovedať polohe vzostupnej uzol obežnej dráhy). Počas jednej otáčky družice na obežnej dráhe, t. j. kým sa dostane k rovníku, sa Zem otočí o určitý uhol, ktorého veľkosť bude závisieť od doby otáčania družice. Tento uhol, meraný pozdĺž rovníka, nazýva balistika satelitný posun v zemepisnej dĺžke na obežnú otáčku (pre stručnosť sa niekedy hovorí posunutie na obežnú dráhu). Pre kruhový satelit Zeme v orbitálnej výške 200 km bude posun 22°. So zvyšujúcim sa polomerom obežnej dráhy sa bude zvyšovať aj posun na obežnú dráhu a u stacionárnych satelitov dosiahne 24 hviezdnych hodín.

Príklady rôznych satelitných dráh sú znázornené na obr. 24, 25. Vodorovné osi obrázkov znázorňujú zemepisnú dĺžku projekcie satelitu na zemský povrch a zvislé osi ukazujú zemepisnú šírku. Tieto obrázky jasne ukazujú, že dráha satelitu vždy prechádza v pásme medzi dvoma rovnobežkami, symetrickými vzhľadom k rovníku.

Pozrime sa bližšie na Obr. 24. Hrubá čiara na ňom znázorňuje dráhu letu satelitu na prvej obežnej dráhe. Počnúc od rovníka (bod A), trasa stúpa na severnú pologuľu a po dotyku s rovnobežkou sa vracia späť k rovníku, pretína ho, potom sa približuje k južnej rovnobežke, dotýka sa jej a opäť sa približuje k rovníku z južnej pologule (bod IN). Vzdialenosť medzi bodmi A A IN a existuje posun satelitu v zemepisnej dĺžke na obežnú dráhu. Následné odbočenia trasy možno získať postupným posúvaním z odbočky na odbočku o veľkosť segmentu AB. Na uľahčenie kreslenia trasy môžete vytvoriť špeciálny vzor.

Je zrejmé, že ak sa posunutie na otáčku celé číslo zhoduje s dĺžkou zemského rovníka, potom sa dráha satelitu cez určitý počet otáčok priblíži k bodu. A a bude sa opakovať aj v budúcnosti.

Nechaj N je najbližší celočíselný počet obehov, ktoré satelit vykoná za približne 24 hodín. Ak po dokončení N obežných dráh satelit nedosiahne bod A, ale skončí napríklad pri bode S, potom sa uhlová vzdialenosť v zemepisnej dĺžke medzi bodmi A a C nazýva denný orbitálny posun. Keď je toto posunutie nulové, satelit sa vráti do svojej pôvodnej polohy do jedného dňa.

Na základe opísaných vlastností pohybu družice Zeme môžeme teraz kompetentne komentovať nasledujúce správy TASS:

„Dnes, 11. októbra o 14 hodiny 10 minút Moskovského času bola v Sovietskom zväze vypustená nosná raketa nesúca kozmickú loď Sojuz-6. O 14 hodiny 19 minút kozmická loď Sojuz-6 bola umiestnená s vysokou presnosťou na vypočítanú obežnú dráhu družice Zeme... Podľa meraní trajektórie sú orbitálne parametre lode nasledovné:

Maximálna vzdialenosť od povrchu Zeme (v apogeu) je 223 kilometrov;

Minimálna vzdialenosť od povrchu Zeme (v perigeu) je 186 kilometrov;

Sklon obežnej dráhy 51,7 stupňa;

Obdobie revolúcie okolo Zeme je 88,36 minúty "..." V pokračovaní plánovaného programu vedecko-technického výskumu a experimentov kozmickej lode Sojuz bola 12. októbra 1969 o 13:45 moskovského času druhá kozmická loď Sojuz. , bola vypustená v Sovietskom zväze. 7 "... Posádky kozmických lodí Sojuz-6 a Sojuz-7 nadviazali medzi sebou spoľahlivé obojsmerné rádiové spojenie."

Následné správy agentúry TASS uviedli, že orbitálne parametre kozmickej lode Sojuz-7 sa blížili k orbitálnej lodi Sojuz-6.

Po pozornom prečítaní týchto správ TASS sa pokúsme vysvetliť otázku, prečo bola kozmická loď Sojuz-7 vypustená o 13:45? Dá sa predpokladať, že čas štartu kozmickej lode Sojuz-7 bol zvolený z podmienky, že po vypustení na obežnú dráhu bude čo najbližšie k lodi Sojuz-6 (...“zavedený spoľahlivý obojsmerný rádiová komunikácia medzi sebou...“). Na to je samozrejme potrebné, aby trasa kozmickej lode Sojuz-6 prechádzala štartovacím bodom kozmickej lode Sojuz-7. Otestujme našu hypotézu. Zo správy TASS sme zistili, že kozmická loď Sojuz-7 bola vypustená po 23 hodinách 26 min po štarte kozmickej lode Sojuz-6. S periódou rotácie kozmickej lode Sojuz-6 88,36 min v termíne 23 hodina 26 min. trvá takmer (menej ako pár minút) 16 obehov okolo Zeme. Rozdiel niekoľkých minút možno vysvetliť vplyvom necentrálnosti síl na let lode. Z toho vyplýva, že trasa kozmickej lode Sojuz-6 skutočne prechádzala v blízkosti štartovacieho bodu kozmickej lode Sojuz-7 a tým zabezpečovala ich následný blízky let.

Zmena obežnej doby satelitu výrazne mení vzhľad jeho letovej dráhy. Môžete si to overiť opätovným pohľadom na obr. 25. Zvlášť zaujímavá je dráha letu stacionárneho satelitu, ktorého orbitálna rovina sa nezhoduje s rovinou rovníka. Z obr. 25 je možné vidieť, že satelitná dráha je znázornená vo forme „osmičky“ umiestnenej na rovnakej ploche zemského povrchu. "Zužuje" sa, keď sa sklon zmenšuje a zmršťuje sa do bodu, kde sa dráha stáva rovníkovou.

Preskúmali sme teda hlavné charakteristiky pohybu kruhového satelitu vzhľadom na rotujúcu Zem. Je dôležité poznamenať, že jeho trasu alebo „trasu“ pohybu nemožno nakresliť ľubovoľne, ako sa to robí napríklad pri priraďovaní trasy letu lietadla. Satelitná trasa, napriek svojmu bizarnému vzhľadu, spĺňa prísne zákony pohybu a nemožno ju svojvoľne meniť. Je úplne určená sklonom obežnej roviny a obežnou dobou satelitu.

Priemetom družice na zemský povrch nazvime bod, v ktorom radiálna priamka (čiara spájajúca družicu so stredom zeme) pretína zemský povrch. Keď sa satelit pohybuje okolo Zeme a otáča sa v rámci svojej obežnej dráhy, projekcia nakreslí na zemský povrch určitú čiaru, ktorá sa nazýva dráha satelitu. Trasa spája tie body kontinentov a oceánov, nad ktorými je satelit v rôznych okamihoch

čas sa objavuje v zenite, teda nad hlavou pozorovateľa. Tvar dráhy je určený najmä sklonom obežnej dráhy a dobou otáčania. Vzhľadom na to, že dráhu kreslí satelit na rotujúcej Zemi, uhol, pod ktorým dráha pretína rovník, je vždy odlišný od sklonu obežnej dráhy. Najmä pre polárne dráhy sa nerovná 90° (pri prekročení rovníka sa projekcia satelitu odchyľuje na západ).

Pre satelity s nízkymi obežnými dráhami a priamym pohybom (sklon menší ako 90°) dráha pripomína sínusoidu, opakovane obopínajúcu zemeguľu. Tento tvar trasy je všetkým dobre známy už od vypustenia prvej umelej družice Zeme a my ho neuvádzame.

Ryža. 32. Dráhy satelitov s kruhovými dráhami so sklonom 65° a obežné doby;

Na takýchto trasách je doprava všade nasmerovaná na severovýchod alebo juhovýchod a na extrémnych severných a južných bodoch - na východ.

Iná situácia je pri dlhých obdobiach obehu. Aj keď sa družica pohybuje v smere rotácie Zeme, jej projekcia môže zaostávať za rotáciou Zeme (najmä v blízkosti rovníka, kde je lineárna rýchlosť povrchových bodov väčšia), a potom sa pohyb aspoň časti dráhy sa vyskytujú západným smerom (obr. 32).

Komunikačný satelit, ako aj satelit na štúdium zemského povrchu, sú často vypúšťané na viacperiodické dráhy (niekedy sa im hovorí aj synchrónne), t.j. dráhy s dobou obehu takmer úmernou času jednej otáčky Zeme. okolo svojej osi (hviezdny deň 23 hodín 56 minút 4 s). „Takmer“ sa vysvetľuje precesiou obežnej dráhy: ak by bolo gravitačné pole Zeme centrálne, potom by sa vybralo obdobie presne zodpovedajúce hviezdnemu dňu. Cesty takýchto satelitov sú uzavreté

línii, takže nad ktorýmkoľvek bodom dráhy sa satelit objavuje periodicky a vôbec sa neobjavuje v obmedzených oblastiach „ležiacich nabok“. Príkladom je komunikačný satelit Molniya-1.

Na obr. Obrázok 33 zobrazuje stopy piatich denných satelitov s kruhovými dráhami so sklonmi 60, 40 a 20°. Tieto osemsmerovky neobopínajú zemeguľu, ale ležia na jej jednej strane (ak by bol pohyb opačný, situácia by bola iná)