§ 1. Особенности 1раекторий полета человека
§ 2. Прямой полет Земля - Луна - Земля (первый вариант лунной экспедиции)
§ 3. Встреча в космосе и монтаж корабля (второй вариант лунной экспедиции)
§ 4. Разъединение и сближение на окололунной орбите (третий вариант лунной экспедиции)
§ 5. Экспедиции по программе «Аполлон»
§ 6. Лунная транспортная космическая система
§ 7. Лунные грузовые корабли с малой тягой
§ 8. Окололунная орбитальная станция
§ 9. Перспективы использования Луны
Часть четвертая
МЕЖПЛАНЕТНЫЕ ПОЛЕТЫ
§ 1. Главные особенности межпланетного полета
§ 2. Движение внутри сферы действия Земли
§ 3. Гелиоцентрическое движение вне сферы действия Земли
§ 4. Гомановские и параболические перелеты
§ 5. Движение внутри сферы действия планеты-цели
§ 6. Межпланетный пертурбационный маневр
§ 7. Искусственные спутники планет
§ 8. Возмущения межпланетных траекторий
§ 9. Коррекция межпланетных траекторий
§ 1. Траектории достижения планет
§ 2. Перелеты на орбиты искусственных спутников планет
§ 3. Солнечный парус
§ 4. Разработки космических аппаратов с двигателями малой тяги
§ 1. Одноимпульсные орбиты искусственных планет
§ 2. Полеты вне плоскости эклиптики
§ 3. Поворот плоскости орбиты с помощью солнечной ЭРДУ
§ 4. Двухимпульсные орбиты искусственных планет
§ 5. Переход через бесконечность
§ 6. Выведение искусственной планеты в точку либрации
§ 7. Научное значение искусственных планет
§ 1. Траектории в случае упрощенной модели планетных орбит
§ 2. Влияние эксцентриситета и наклона орбиты Марса
§ 3. Географические условия старта к Марсу
§ 4. Посадка на Марс
§ 5. Искусственные спутники Марса
§ 6. Полеты на спутники Марса - Фобос и Деймос
§ 7. Облет Марса с возвращением к Земле
§ 8. Автоматические станции исследуют Марс
§ 9. Результаты исследований Марса
§ 1. Достижение Венеры
§ 2. Посадка и искусственный спутник Венеры
§ 3. Облет Венеры
§ 4. Автоматические станции исследуют Венеру
§ 5. Результаты исследований Венеры
§ 1. Достижение Меркурия
§ 2. Посадка и искусственный спутник Меркурия
§ 3. Полет к Меркурию при попутном облете Венеры
§ 4. Полет с солнечно-электрическим двигателем
§ 5. Результаты исследований Меркурия
§ 1. Планеты, совсем не похожие на нашу
§ 2. Прямые перелеты
§ 3. Полеты к Юпитеру и Сатурну через планеты земной группы
§ 4. Пертурбационные маневры в сферах действия планет группы Юпитера
§ 5. Через Юпитер - к Солнцу и подальше от плоскости эклиптики
§ 6. Искусственный спутник Юпитера
§ 7. Искусственные спутники других планет группы Юпитера
§ 8. Посадки на естественные спутники
§ 9. Зондирование атмосфер юпитерианских планет. Посадка на Плутон
§ 10. Полеты с малой тягой
§ 11. Исследования Юпитера и Сатурна
§ 12. Результаты исследований в системах Юпитера и Сатурна
§ 1. Пролет астероида
§ 2. Встреча с астероидом
§ 3. Выход на орбиту вокруг астероида
§ 4. Посадка на астероид и возвращение на Землю
§ 1. Импульсные полеты
§ 2. Полеты с малой тягой
§ 3. Операции вблизи ядра кометы
§ 1. Они только отложены
§ 2. Особенности межпланетных экспедиций
§ 3. Спуск на Землю при возвращении из экспедиции
§ 4. Безостановочные пилотируемые облеты планет
§ 5. Экспедиции с остановками при прямых симметричных перелетах
§ 6. Экспедиции с траекториями возвращения, несимметричными траекториям прибытия
§ 7. Операции на околопланетных орбитах, пролетных траекториях и поверхностях
§ 8. Экспедиции на астероиды
§ 9. Использование кораблей с малой тягой
§ 10. Немного о будущем
§ 1. Космодинамика - теория космических полетов
Буквальный смысл слова «космонавтика» (представляющего собой сочетание двух греческих слов) - «плавание во Вселенной». В обычном употреблении это слово означает совокупность различных отраслей науки и техники, обеспечивающих исследование и освоение космического пространства и небесных тел с помощью космических летательных аппаратов - искусственных спутников, автоматических станций различного назначения, пилотируемых космических кораблей.
Теория космических полетов, представлявших давнюю мечту человечества, превратилась в науку в результате основополагающих трудов великого русского ученого Константина Эдуардовича Циолковского. В течение продолжительного времени, до того момента, когда идеи, формулы и чертежи энтузиастов и ученых стали в конструкторских бюро и в цехах заводов превращаться в объекты, изготовленные «в металле», теоретический фундамент космонавтики покоился на трех китах: 1) теории движения космических аппаратов; 2) ракетной технике; 3) совокупности астрономических знаний о Вселенной.
Впоследствии в недрах космонавтики зародился широкий цикл новых научно-технических дисциплин, таких, как теория систем управления космическими объектами, космическая навигация, теория космических систем связи и передачи информации, космическая биология и медицина и т. д. Сейчас, когда нам трудно представить себе космонавтику без этих дисциплин, полезно вспомнить о том, что теоретические основы космонавтики закладывались К. Э. Циолковским в то время, когда производились лишь первые опыты над использованием радиоволн и радио не могло считаться
средством связи в космосе. В течение многих лет в качестве средства связи всерьез рассматривалась сигнализация с помощью лучей солнечного света, отражаемых в сторону Земли зеркалами, находящимися на борту межпланетного корабля. Сейчас, когда мы привыкли не удивляться ни прямому телевизионному репортажу с поверхности Луны, ни полученным по радио фотографиям, сделанным вблизи Юпитера или на поверхности Венеры, в это трудно поверить. Поэтому можно утверждать, что теория космической связи, несмотря на всю свою важность, не является все же главным звеном в цепи космических дисциплин.
Таким главным звеном служит теория движения космических объектов. Именно ее можно считать теорией космических полетов. Специалисты, занимающиеся этой наукой, сами называют ее по-разному: прикладная небесная механика, небесная баллистика, космическая баллистика, космодинамика механика космического полета, теория движения искусственных небесных тел.
Все эти названия имеют один и тот же смысл, точно выражаемый последним термином. Космодинамика, таким образом, является частью небесной механики - науки, изучающей движение любых небесных тел - как естественных (звезды, Солнце, планеты, их спутники, кометы, метеорные тела, космическая пыль), так и искусственных (автоматические космические аппараты и пилотируемые корабли). Но есть нечто, выделяющее космодинамику из небесной механики. Родившаяся в лоне небесной механики космодинамика пользуется ее методами, но не умещается в ее традиционных рамках.
Существенное отличие прикладной небесной механики от классической заключается в том, что вторая не занимается и не может заниматься выбором орбит небесных тел, в то время как первая занимается отбором из огромного числа возможных траекторий достижения того или иного небесного тела определенной траектории, которая учитывает многочисленные, зачастую противоречивые, требования. Главное требование - минимальность скорости, до которой разгоняется космический аппарат на начальном активном участке полета и соответственно минимальность массы ракеты-носителя или орбитального разгонного блока (при старте с околоземной орбиты). Это обеспечивает максимальную полезную нагрузку и, следовательно, наибольшую научную эффективность полета. Учитываются также требования простоты управления, условий радиосвязи (например, в момент захода станции за планету при ее облете),
условий научных исследований (посадка на дневной или ночной стороне планеты) и т. п.
Космодинамика предоставляет в распоряжение проектировщиков космической операции методы оптимального перехода с одной орбиты на другую, способы исправления траектории. В поле ее зрения находится неведомое классической небесной механике орбитальное маневр ирование.
Космодинамика представляет собой фундамент общей теории космического полета (подобно тому как аэродинамика представляет собой фундамент теории полета в атмосфере самолетов, вертолетов, дирижаблей и других летательных аппаратов). Эту свою роль космодинамика делит с ракетодинамикой - наукой о движении ракет. Обе науки, тесно переплетаясь, лежат в основе космической техники. Обе они являются разделами теоретической механики, которая сама представляет собой обособившийся раздел физики.
Будучи точной наукой, космодинамика использует математические методы исследования и требует логически стройной системы изложения. Недаром основы небесной механики были разработаны после великих открытий Коперника, Галилея и Кеплера именно теми учеными, которые внесли величайший вклад в развитие математики и механики. Это были Ньютон, Эйлер, Клеро, Даламбер, Лагранж, Лаплас. И в настоящее время математика помогает решению задач небесной баллистики и в свою очередь получает толчок в своем развитии благодаря тем задачам, которые космодинамика перед ней ставит.
Классическая небесная механика была чисто теоретической наукой. Ее выводы находили неизменное подтверждение в данных астрономических наблюдений. Космодинамика привнесла в небесную механику эксперимент, и небесная механика впервые превратилась в экспериментальную науку, подобную в этом отношении, скажем, такому разделу механики, как аэродинамика. На смену поневоле пассивному характеру классической небесной механики пришел активный, наступательный дух небесной баллистики. Каждое новое достижение космонавтики - это вместе с тем свидетельство эффективности и точности методов космодинамики.
Космодинамика делится на две части: теорию движения центра масс космического аппарата (теорию космических траекторий) и теорию движения космического аппарата относительно центра масс (теорию «вращательного движения»). Как уже говорилось в предисловии, в книге будет рассказываться главным образом о траекториях, и космический аппарат в большинстве случаев будет рассматриваться как материальная точка.
Введение.Человечество всегда мечтало о путешествии в космос. Самые разные средства для достижения этой цели предлагали писатели - фантасты, учёные, мечтатели. Но единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в космос за многие века не смог изобрести ни один учёный, ни один писатель-фантаст. Например, герой рассказа французского писателя Сирано де Бержерака, написанного в XVII веке, добрался до Луны, подбрасывая сильный магнит над железной повозкой, в которой находился сам. Повозка всё выше поднималась над Землёй, притягиваясь к магниту, пока не достигла Луны, барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.
Впервые мечту и стремления многих людей впервые смог приблизить к реальности русский учёный Константин Эдуардович Циолковский(1857-1935), который показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, он впервые представил научное доказательство возможности использования ракеты для полётов в космическое пространство, за пределы земной атмосферы и к другим планетам Солнечной системы. Ракетой Цоилковский назвал аппарат с реактивным двигателем, использующим находящиеся на нём горючее и окислитель.
Реактивным двигателем называют двигатель, способный преобразовать химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, и приобрести при этом скорость в обратном направлении.
На каких же принципах и физических законах основывается действие реактивного двигателя?
Как известно из курса физики, выстрел из ружья сопровождается отдачей. По законам Ньютона, пуля и ружьё разлетелись бы в разные стороны с одинаковой скоростью, если бы имели одинаковую массу. Отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение, как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве, так возникает отдача. Тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем больше масса и скорость истекающих газов, и, следовательно, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила. Эти явления объясняются законом сохранения импульса:
- векторная (геометрическая) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы.
Максимальную скорость, которую может развить ракета, рассчитывают по формуле Циолковского:
, где
v max – максимальная скорость ракеты,
v 0 – начальная скорость,
v r – скорость истечения газов из сопла,
m – начальная масса топлива,
M – масса пустой ракеты.
Представленная формула Циолковского является фундаментом, на котором зиждется весь расчёт современных ракет. Числом Циолковского называют отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя - к весу пустой ракеты.
Таким образом, получили, что максимально достижимая скорость ракеты зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла. А скорость истечения газов сопла в свою очередь зависит от вида топлива и температуры газовой струи. Значит, чем выше температура, тем больше скорость. Тогда для настоящей ракеты нужно подобрать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. По формуле видно, что кроме всего прочего скорость ракеты зависит от начальной и конечной массы ракеты, от того, какая часть её веса приходится на горючее, и какая - на бесполезные (с точки зрения скорости полёта) конструкции: корпус, механизмы, и т.д.
Основной вывод из этой формулы Циолковского для определения скорости космической ракеты состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше число Циолковского.
Устройство баллистической ракеты.
Представим в общих чертах современную ракету сверхдальнего действия.
Такая ракета необходимо должна быть многоуровневой. В её головной части размещается боевой заряд, позади - приборы управления, баки и двигатель. Стартовый вес ракеты превышает вес полезного груза в 100-200 раз в зависимости от топлива! Таким образом, настоящая ракета должна весить несколько сотен тонн, а в длину должна, как минимум, достигать высоты десятиэтажного дома. К конструкции ракеты предъявляется ряд требований. Так, необходимо, например, чтобы сила тяги проходила через центр тяжести ракеты. Ракета может отклониться от заданного курса или даже начать вращательное движение, если не выполнить обозначенные условия.
Рис.1 Внутреннее устройство ракеты.
Восстановить правильный курс можно с помощью рулей. В разреженном воздухе работают газовые рули, отклоняющие направление газовой струи, предложенные Циолковским. Аэродинамические рули работают при полёте ракеты в плотном воздухе.
Современные баллистические ракеты преимущественно работают на двигателях, использующих жидкое топливо. В качестве горючего обычно используют керосин, спирт, гидразин, анилин, а в качестве окислителей - азотную и хлорную кислоты, жидкий кислород и перекись водорода. Самыми активными окислителями являются фтор и жидкий озон, но они применяются редко из-за крайней взрывоопасности.
Двигатель -самая важный элемент ракеты. Самый важный элемент двигателя - камера сгорания и сопло. В камерах сгорания, из-за того, что температура сгорания топлива доходит до 2500-3500 О С, должны использоваться особо жаропрочные материалы и сложные методы охлаждения. Таких температур не выдерживают обычные материалы.
Очень сложны и остальные агрегаты. Например, насосы, которые должны подавать окислитель и горючее к форсункам камеры сгорания, уже в ракете ФАУ-2, одной из первых, были способны перекачивать 125 кг топлива в секунду.
В ряде случаев вместо обычных баллонов применяют баллоны со сжатым воздухом или каким-нибудь другим газом, способным вытеснить горючее из баков и загнать его в камеру сгорания.
Газовые приходиться делать из графита или керамики, поэтому они очень хрупкие и ломкие, поэтому современные конструкторы начинают отказываться от применения газовых рулей, заменяя их несколькими дополнительными соплами или поворачивая самое главное сопло. Действительно, в начале полёта, при высокой плотности воздуха, скорость ракеты мала, поэтому рули плохо управляют, а там, где ракета приобретает большую скорость, мала плотность воздуха.
На американской ракете, построенной по проекту “Авангард”, двигатель подвешен на шарнирах, и его можно отклонять на 5-7 О. Мощность каждой следующей ступени и время её действия меньше, потому что каждая ступень ракеты работает в совершенно различных условиях, которые и определяют её устройство, поэтому и конструкция самой ракеты может быть проще.
Запуск баллистическая ракета происходит со специального стартового устройства. Обычно это ажурная металлическая мачта или даже башня, около которой ракету собирают по частям подъёмными кранами. Участки такой башни размещаются против необходимых для проверки и отладки оборудования смотровых люков. Башня отъезжает, когда ракету заправляют топливом.
Ракета стартует вертикально, а затем начинает медленно наклоняться и вскоре описывает почти строго эллиптическую траекторию. Большая часть траектории полёта таких ракет лежит на высоте больше 1000 км над Землёй, где сопротивление воздуха практически отсутствует. Приближаясь к цели, атмосфера начинает резко тормозить движение ракеты, при этом её оболочка сильно нагревается, а, если не принять меры, ракета может разрушиться, а её заряд - преждевременно взорваться.
Представленное описание межконтинентальной баллистической ракеты устарело и соответствует уровню развития науки и техники 60-х годов, но, ввиду ограниченности доступа к современным научным материалам, отсутствует возможность дать точное описание работы современной межконтинентальной баллистической ракеты сверхдальнего радиуса действия. Несмотря на это, в работе были освещены общие свойства, присущие всем ракетам. Работа также может быть интересна в целях ознакомления с историей развития и использования описанных ракет.
Дерябин В. М. Законы сохранения в физике. – М.: Просвещение, 1982.
Гельфер Я. М. Законы сохранения. – М.: Наука, 1967.
Кузов К. Мир без форм. – М.:Мир, 1976.
Детская энциклопедия. – М.: Издательство АН СССР, 1959.
