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Methodik für 4 Lektionen
"Grundlagen der Raumfahrt"

Der Zweck des Unterrichts: die Bildung von Wissen über die theoretischen und praktischen Grundlagen der Raumfahrt.

Lernziele:

Allgemeinbildung: Begriffsbildung:

Zu den theoretischen und praktischen Voraussetzungen, Aufgaben und Methoden der Weltraumforschung;
- über die Verbindung der Raumfahrt mit Astronomie, Physik und anderen Natur- und Mathematikwissenschaften sowie mit Technik;
- über Raumfahrtmittel - Raumflugfahrzeuge (SV);
- über die Haupttypen von Strahlraketentriebwerken (Feststoffraketentriebwerke, Flüssigtreibstoffraketentriebwerke, ERE, YARD);
- über die Flugbahnen, Geschwindigkeiten und Merkmale der Bewegung von Raumfahrzeugen, Merkmale der interplanetaren und interstellaren Navigation.

Pädagogisch: Die Bildung des wissenschaftlichen Weltbildes der Schüler im Zuge der Bekanntschaft mit der Geschichte des menschlichen Wissens. Patriotische Erziehung beim Kennenlernen der herausragenden Rolle der russischen Wissenschaft und Technologie bei der Entwicklung der Kosmonautik. Polytechnische Bildung und Arbeitspädagogik in der Vermittlung von Informationen über die praktische Anwendung der Raumfahrt.

Entwickeln: die Bildung von Fähigkeiten zur Lösung von Problemen für die Anwendung der Bewegungsgesetze kosmischer Körper, Tsiolkovskys Formeln und Raumgeschwindigkeiten zur Beschreibung der Bewegung von Raumfahrzeugen.

Schüler sollten kennt:

Zur Kosmonautik (Gegenstand, Aufgabe und Methoden der kosmonautischen Forschung, ihre Verbindung mit anderen Wissenschaften);
- über die Mittel der Raumfahrt: die Haupttypen von Raumfahrzeugen, ihre Konstruktion und Eigenschaften;
- über die Haupttypen von Raketentriebwerken, deren Konstruktion und Eigenschaften
- Tsiolkovskys Formel, Formeln und Werte der kosmischen Geschwindigkeiten I, II, III (für die Erde);
- über die Flugbahnen von Raumfahrzeugen und die Beziehung zwischen der Form ihrer Umlaufbahnen und der Bewegungsgeschwindigkeit.

Schüler sollten in der Lage sein: Lösung von Problemen zur Anwendung der Tsiolkovsky-Formel und der Bewegungsgesetze kosmischer Körper zur Berechnung der Bewegungseigenschaften von Raumfahrzeugen.

Anschauungshilfen und Demonstrationen:

Filmstreifen: "Elemente der Raumfahrtmechanik".
Filme: "Künstliche Satelliten der Erde"; "Raumflüge".
Tische: "Raumflüge"; "Weltraumforschung".
Geräte und Werkzeuge: ein Gerät zur Demonstration der Bewegung von Satelliten.

Hausaufgaben:

1) Studieren Sie das Material von Lehrbüchern:
- BA Woronzow-Weljaminowa: §§ 14(4), 16(4).
- EP Levitan: §§ 7-11 (Überprüfung).
- EIN V. Zasova, E. V. Kononowitsch: § elf; Übungen 11 (3, 4)

2) Erledige Aufgaben aus der Aufgabensammlung Vorontsov-Velyaminov B.A. : 174; 179; 180; 186.

3) Bereiten Sie Berichte und Nachrichten für die Lektion "Geschichte der Raumfahrt" vor.

Unterrichtsplan

Unterrichtsphasen		Präsentationsmethoden	Zeit, mind
	Aktualisierung des Unterrichtsthemas	Geschichte
	Konzeptbildung über theoretische und praktische Voraussetzungen, Aufgaben und Methoden kosmonautischer Forschung	Vorlesung	7-10
	Bildung von Konzepten über die Mittel der Raumfahrt und die Haupttypen von Raketentriebwerken	Vorlesung	10-12
	Bildung von Konzepten über Flugbahnen, Geschwindigkeiten und Merkmale der Raumfahrzeugbewegung, Merkmale der interplanetaren und interstellaren Navigation	Vorlesung	10-12
	Probleme lösen
	Zusammenfassung des behandelten Stoffes, Zusammenfassung der Lektion, Hausaufgaben

Art der Präsentation des Materials

Dieser Unterricht wird am besten in Form einer Vorlesung durchgeführt, in der die Systematisierung, Verallgemeinerung und Entwicklung des "vorwissenschaftlichen" astronautischen Wissens der Studenten und Informationen zu Astronautik und Strahlantrieb von ihnen in Naturgeschichte, Naturwissenschaft und Physik studiert werden Kurse für die gesamte Schulzeit, durchgeführt. Die Autoren des Handbuchs schlagen vor, sich auf die Analyse von Fragen zu Umlaufbahnen und Geschwindigkeiten von Satelliten, Flügen von Raumfahrzeugen zum Mond und den einfachsten Flugbahnen interplanetarer Flüge zu beschränken. Wir halten es für notwendig, dieses Material zu ergänzen und zu erweitern, es so zu theoretisieren, dass der Student durch die Ausbildung ein ganzheitliches Verständnis der theoretischen und praktischen Grundlagen der Raumfahrt erwirbt. Die Darstellung des Stoffes soll sich an bereits erlerntem Material in Physik (Grundlagen der klassischen Mechanik: Newtonsche Gesetze, Gesetz der universellen Gravitation, Impulserhaltungssatz, Strahlantrieb) und Astronomie (Astrmetrie und Himmelsmechanik: Keplersche Gesetze) orientieren , Informationen über kosmische Geschwindigkeiten, Bahnen kosmischer Körper und Störungen ). Der patriotische Aspekt der Bildung wird verwirklicht, indem die Aufmerksamkeit der Schüler auf die Errungenschaften der heimischen Wissenschaft und Technologie, den Beitrag russischer Wissenschaftler zur Entstehung, Bildung und Entwicklung der Raketenwissenschaft und der Astronautik gelenkt wird. Historische Details sollten vermieden und für eine spätere Sitzung aufgehoben werden.

Kosmonautik - Flüge in den Weltraum; eine Reihe von Wissenschafts- und Technologiezweigen, die die Erforschung und Entwicklung von Weltraum- und Weltraumobjekten und ihren Systemen unter Verwendung verschiedener Raumfahrzeuge (SCV) ermöglichen: Raketen, künstliche Erdsatelliten (AES), automatische interplanetare Stationen (AMS), Raumfahrzeuge (SC), bemannt oder vom Boden aus gesteuert.

Die theoretische Grundlage der Raumfahrt bilden:

1. Astronomie (Astrometrie, Himmelsmechanik und Astrophysik).

2. Theorie der Raumfahrt - Kosmodynamik - der angewandte Teil der Himmelsmechanik, Untersuchung von Flugbahnen, Parametern der Umlaufbahnen von Raumfahrzeugen usw.

3. Raketentechnologie, die eine Lösung für wissenschaftliche und technische Probleme bei der Herstellung von Weltraumraketen, Triebwerken, Steuerungssystemen, Kommunikations- und Informationsübertragung, wissenschaftlicher Ausrüstung usw. bietet.

4. Weltraumbiologie und -medizin.

Das wichtigste und bis heute einzige Transportmittel im Weltraum ist die Rakete. Die Gesetze der Raketenbewegung werden auf der Grundlage der Gesetze der klassischen Mechanik abgeleitet: Kinematik und Dynamik (Newtonsches II-Gesetz, Impulserhaltungssatz usw.).

Die Formel von K. E. Tsiolkovsky beschreibt die Bewegung einer Rakete im Weltraum ohne Berücksichtigung des Einflusses äußerer Bedingungen und charakterisiert die Energieressourcen der Rakete:

, - Tsiolkovsky-Zahl, wo m 0 - anfänglich, m k ist die Endmasse der Rakete, w ist die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Masse relativ zur Rakete (Strahlgeschwindigkeit), g- Erdbeschleunigung.

Reis. 73

Trägerrakete (LV) - eine mehrstufige ballistische Rakete zum Abschuss von Nutzlasten in den Weltraum (ISZ, AMS, KK usw.). Raketenträger sind normalerweise 2- bis 4-stufige Raketen, die der Nutzlast I - II Raumgeschwindigkeit verleihen (Abb. 73).

Raketentriebwerk (RD) - ein Strahltriebwerk, das für Raketen entwickelt wurde und die Umgebung nicht für den Betrieb nutzt. In der RD wird nicht nur die dem Motor zugeführte Energie (chemisch, solar, nuklear usw.) in die kinetische Energie der Bewegung des Arbeitsfluids des Motors umgewandelt, sondern auch die treibende Schubkraft wird direkt erzeugt die Form einer Reaktion des aus dem Motor ausströmenden Arbeitsflüssigkeitsstrahls. Somit ist der RD sozusagen eine Kombination aus dem Motor selbst und dem Propeller.

Der spezifische Schub des RD wird durch die Formel bestimmt: .

Gegenwärtig haben nur chemische RDs breite Anwendung gefunden.

Das Feststoffraketentriebwerk (SRM) wird seit etwa 2000 Jahren eingesetzt – weit verbreitet in der Raketenartillerie und begrenzt in der Raumfahrt. Der Schubbereich von Feststoffraketenmotoren reicht von Gramm bis zu Hunderten von Tonnen (für leistungsstarke Raketentriebwerke). Kraftstoff in Form von Ladungen (am Anfang - Schwarzpulver, mit spätes XIX Jahrhundert - rauchloses Pulver, ab Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts - spezielle Zusammensetzungen) wird vollständig in die Brennkammer gegeben. Nach dem Start wird die Verbrennung in der Regel fortgesetzt, bis der Kraftstoff vollständig ausgebrannt ist, die Schubänderung wird nicht geregelt. Es ist das einfachste in Design und Betrieb, hat jedoch eine Reihe von Nachteilen: geringer spezifischer Schub, Einzelstart usw. Es ist in einigen US-Trägerraketen (Scout, Thor, Titan), Frankreich und Japan installiert. Es wird auch als Brems-, Rettungs-, Korrektur- usw. System verwendet (Abb. 74).

Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerk (LPRE) - ein Raketentriebwerk, das mit flüssigem Raketentreibstoff betrieben wird. 1903 von K. E. Tsiolkovsky vorgeschlagen. Der Hauptmotor der modernen Raumfahrttechnologie. Schub von Bruchteilen eines Gramms bis zu Hunderten von Tonnen. Raketentriebwerke werden je nach Zweck in Haupt- (Marsch-), Brems-, Korrekturtriebwerke usw. unterteilt. Als Brennstoff werden verwendet: aus Oxidationsmitteln - flüssiger Sauerstoff, Stickstofftetroxid, Wasserstoffperoxid; aus brennbaren Stoffen - Kerosin, Hydrazin, flüssigem Ammoniak, flüssigem Wasserstoff. Die vielversprechendste Kombination aus flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff (LV „Energy“) (Abb. 75).

Zur Erhöhung der spezifischen Schubkraft ist die Nutzung der Kernenergie erfolgversprechend. Experimentelle Proben von Atomraketentriebwerken ( HOF) wurden seit Mitte der 60er Jahre in der UdSSR und den USA entwickelt. Derzeit ist Russland der einzige Staat, der eine marschierende NRE hat (Abb. 76).

Die Entwicklung geht weiter elektrische Rollwege(ERD) - elektrothermisch, elektromagnetisch, ionisch. Die ersten experimentellen Modelle des Elektroantriebs wurden 1929-30 in der UdSSR entwickelt; Derzeit werden EREs als Orientierungsmotoren für Raumfahrzeuge in Russland und den Vereinigten Staaten verwendet. Die Marching-Ion-Engine ist im AMS installiert, das Ende der 90er Jahre auf den Markt kam. in den USA (Abb. 77).

Aus Sicht der Raumfahrtmechanik werden Rollwege unterteilt in:

1. Antriebssysteme mit begrenzter Abgasgeschwindigkeit w » 3 - 30 km/s, bestimmt durch die höchste Strahltemperatur (chemisch, nuklear usw.). Sie arbeiten für kurze Zeit (Minuten, Sekunden) in der Atmosphäre und im Vakuum auf kleinen aktiven Teilen der Flugbahn (Hunderte von Kilometern).

2. Systeme mit begrenzter Leistung mit einer separaten Energiequelle, von der ihre Effizienz abhängt (elektrisch usw.).

3. Systeme mit begrenztem Schub (Segeln und Radioisotop).

In den aktiven Flugphasen hängt die Bewegung des Raumfahrzeugs vom Betrieb seiner Triebwerke ab; In den passiven Teilen der Flugbahnen wird die Bewegung des Raumfahrzeugs durch die Anziehungskräfte kosmischer Körper, den Druck des Lichts und des Sonnenwinds und in den oberen Schichten der Atmosphäre durch aerodynamische Reibungskräfte beeinflusst.

Die Hauptmerkmale der passiven Bewegung des Raumfahrzeugs können durch Lösung des 2-Körper-Problems bestimmt werden.

Im zentralen Gravitationsfeld massiver kosmischer Körper bewegen sich Raumfahrzeuge entlang Kepler-Umlaufbahnen und:

1. Die Flugbahn des Raumfahrzeugs ist in dem Fall geradlinig, wenn seine Anfangsgeschwindigkeit u 0 = 0 ist und das Raumfahrzeug gleichmäßig beschleunigt auf den Schwerpunkt fällt.

2. Das Raumfahrzeug bewegt sich entlang elliptischer Flugbahnen, wenn die Anfangsgeschwindigkeit in einem Winkel zum Anziehungszentrum gerichtet ist, bei . In elliptischen Umlaufbahnen um die Erde bewegen sich ihre Satelliten, moderne Raumfahrzeuge und Orbitalstationen sowie AMS, die sich um die von ihnen untersuchten Planeten drehen.

3. Entlang parabelförmiger Bahnen für u 0 = u II , wenn die Endgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs an einem unendlich entfernten Punkt im Raum gleich Null ist.

4. Entlang hyperbolischer Trajektorien (u 0 > u II), in großer Entfernung vom Anziehungszentrum kaum von geradlinigen zu unterscheiden.

Trajektorien interplanetarer Flüge unterscheiden sich in Form, Flugdauer, Energiekosten und anderen Faktoren je nach Zweck und Merkmalen des Raumflugs. Es ist interessant festzustellen, dass sich Raumfahrzeuge fast nie in einer geraden Linie bewegen: Ihre Flugbahnen (mit Ausnahme einiger idealisierter Fälle) sind Segmente von Kurven zweiter Ordnung (Kreis, Ellipse, Parabel und Hyperbel), die die Umlaufbahnen kosmischer Körper oder der Körper verbinden sich.

Es gibt 3 passive Segmente der Bahnen interplanetarer Flüge: 1) innerhalb der "Wirkungssphäre" der Erde, in der die Bewegung des Raumfahrzeugs nur durch die Schwerkraft der Erde bestimmt wird; 2) von der Grenze des Wirkungsbereichs der Erde bis zur Grenze des Wirkungsbereichs des kosmischen Körpers - der Zweck des Fluges, der längste und längste, auf dem die Bewegung des Raumfahrzeugs durch die Anziehungskraft bestimmt wird Die Sonne; 3) im Rahmen des kosmischen Körpers - der Zweck des Fluges.

Es wurde bereits oben angemerkt, dass das Raumfahrzeug, um den Einflussbereich der Erde zu verlassen, eine Geschwindigkeit u > u II haben muss; . Die zusätzliche Geschwindigkeit, die ein Raumfahrzeug im Orbit eines künstlichen Satelliten erreichen muss, um den Wirkungsbereich der Erde zu verlassen, wird Austrittsgeschwindigkeit u genannt in. , wo r- Entfernung vom kosmischen Körper, R dÅ - Radius des Wirkungsbereichs der Erde ( R dÅ = 925000 km).

Beim Start eines Raumfahrzeugs von der Erdoberfläche muss Folgendes berücksichtigt werden:

1) die Geschwindigkeit und Richtung der Rotation der Erde um ihre Achse;
2) Geschwindigkeit und Richtung der Rotation der Erde um die Sonne (u Å = 29,785 km/s).

Der Start von Satelliten, die sich entgegen der Rotationsrichtung der Erde um ihre Achse drehen, erfordert große Energiekosten; Es ist schwieriger, ein Raumschiff entlang einer Flugbahn zu starten, die nicht in der Ebene der Ekliptik liegt.

Wenn die Austrittsgeschwindigkeit in Richtung mit der Geschwindigkeit der Erde übereinstimmt v Å, liegt die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs mit Ausnahme des Perihels außerhalb der Erdumlaufbahn (Abb. 79c).
Bei entgegengesetzter Richtung der Geschwindigkeit u in Die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs liegt mit Ausnahme des Aphels innerhalb der Erdumlaufbahn (Abb. 79a).
Bei gleicher Richtwirkung und Gleichheit der Geschwindigkeiten u in= u Å wird die SC-Bahn gerade, entlang derer der SC etwa 64 Tage lang auf die Sonne fällt (Abb. 79d).
Für dich in= 0 fällt die SC-Umlaufbahn mit der Erdumlaufbahn zusammen (Abb. 79b).

Je höher die Geschwindigkeit u in Raumfahrzeug, desto größer ist die Exzentrizität seiner elliptischen Umlaufbahn. Durch relativ einfache Berechnungen wird der Wert ermittelt v ein, die erforderlich sind, damit das Perihel oder Aphel der Raumfahrzeugbahnen in der Umlaufbahn der äußeren oder inneren Planeten liegt, .

Die Flugbahnen des Raumfahrzeugs, die gleichzeitig die Umlaufbahnen der Erde und der Weltraumkörper berühren - die Ziele des interplanetaren Fluges - werden genannt Hohmann-Trajektorien(zu Ehren des deutschen Wissenschaftlers W. Homann, der sie berechnet hat).

Für äußere Planeten: . Für innere Planeten: , wo r ist die durchschnittliche Entfernung eines Planetenkörpers von der Sonne.

Die Flugdauer entlang der Hohmann-Flugbahn wird nach folgender Formel berechnet: durchschnittlicher Sonnentag.

Bei der Berechnung der Flugbahn eines interplanetaren Fluges entlang der Hohmann-Bahnen müssen die relative Position (Anfangskonfiguration) der Erde, der Sonne und des Zielplaneten sowie die Eigenschaften und Merkmale der Bewegung der Planeten in ihren Umlaufbahnen berücksichtigt werden . Zum Beispiel dauert ein Flug zum Mars entlang der kürzesten Hohmann-Bahn nur 69,9 d , zum Jupiter - 1,11 Jahre, zum Pluto - 19,33 Jahre. Die tatsächliche optimale gegenseitige Position der Erde, der Sonne und dieser Planeten tritt jedoch äußerst selten auf, und um die Flugzeit zu verkürzen, muss u erhöht werden in, was einen zusätzlichen Energieverbrauch erfordert. Unter anderem deshalb sind bemannte Flüge zu den Planeten des Sonnensystems viel teurer und schwieriger als die Untersuchung dieser Planeten mit Hilfe von AMS, die jahrelang auf den wirtschaftlichsten Flugbahnen zu ihren Zielen fliegen können. Unter Berücksichtigung der Auswirkungen von Störungen durch die Planeten und die Sonne müssen AMS und Raumfahrzeuge über Triebwerke verfügen, um die Bewegungsbahn zu korrigieren.

Beim Erreichen der Wirkungssphäre des Zielplaneten muss das Raumfahrzeug, um in eine elliptische oder kreisförmige Umlaufbahn um ihn herum einzutreten, die Geschwindigkeit auf einen Wert von weniger als II Raum für diesen Planeten reduzieren.

In der interplanetaren Navigation ist das Raumschiffmanöver im Gravitationsfeld der Planeten weit verbreitet. Sonnensystem.

Wenn sich das Raumfahrzeug im zentralen Gravitationsfeld eines massiven kosmischen Körpers bewegt, wird es von der Anziehungskraft dieses Körpers beeinflusst, die die Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung des Raumfahrzeugs ändert. Richtung und Größe der Beschleunigung des Raumfahrzeugs hängen davon ab, wie nahe das Raumfahrzeug an den Raumkörper heranfliegt und von dem Winkel j zwischen der Eintritts- und Austrittsrichtung des Raumfahrzeugs in den Wirkungsbereich dieses Körpers.

Die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs ändert sich um:

Das Raumfahrzeug erhält die größte Beschleunigung, wenn es sich entlang einer Flugbahn bewegt, die in einem minimalen Abstand vom Raumkörper vorbeiführt, wenn die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs, das in die Wirkungssphäre eintritt, gleich I ist Raumgeschwindigkeit u I an der Oberfläche dieses Körpers, während .

Beim Umrunden des Mondes kann ein Raumschiff seine Geschwindigkeit um 1,68 km / s erhöhen, beim Umrunden der Venus um 7,328 km / s, beim Umrunden des Jupiters um 42,73 km / s. Die Austrittsgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs aus der Wirkungssphäre des Planeten kann erheblich erhöht werden, indem die Triebwerke im Moment der Periapsispassage eingeschaltet werden.

Auf Abb. 80-81 sind einige berechnete Flugbahnen interplanetarer Flüge angegeben.

Raumfahrt- ein Zweig der Raumfahrt, der die Probleme interstellarer Flüge untersucht. Derzeit beschäftigt er sich hauptsächlich mit theoretischen Problemen der Flugmechanik, da die moderne Wissenschaft nicht über die Informationen verfügt, um die technischen Probleme beim Erreichen der Sterne zu lösen.

Für einen interstellaren Flug muss das Raumschiff den Wirkungsbereich der Sonne um 9 × 10 12 km überschreiten. Die interstellaren Entfernungen sind enorm: zum nächsten Stern 270.000 AE; Es gibt nur etwa 50 Sterne innerhalb einer um die Sonne umschriebenen Kugel mit einem Radius von 10 pc.

Derzeit haben die Raumsonden Pioneer 10 und -11 sowie Voyager 1 und -2 einen Flug außerhalb des Sonnensystems unternommen, das in Tausenden von Jahren in einer Entfernung von 1 Lichtjahr entfernt sein wird.

Existierende und sogar vielversprechende Arten von Rollbahnen sind für interstellare Flüge nicht geeignet oder von geringem Nutzen, da sie Raumfahrzeuge nicht auf Geschwindigkeiten über 0,1 Lichtgeschwindigkeit beschleunigen können Mit .

Die einzig theoretisch möglichen Flüge zu den nächsten Sternen sind „Einweg“-Flüge automatischer interstellarer Sonden (AMZ) oder bemannte Flüge mit dem Ziel, geeignete Planeten mit einer Besatzung im Zustand des „reversiblen Todes“ (Winterschlaf) oder mit einem Generationswechsel innerhalb des Schiffes, der viele Probleme lösen muss, nur technische, aber auch ethische, psychologische, biologische Probleme (die Besatzung wird nie zur Erde zurückkehren; sie wird den größten Teil ihres Lebens oder sogar ihr ganzes Leben mit einem Wechsel verbringen müssen von Generationen innerhalb des Schiffs; es ist notwendig, ein vollständig geschlossenes Raumfahrzeug-Ökosystem zu schaffen usw.); terrestrische astronomische Beobachtungen sollten schon vor dem Start Garantien für die Existenz von terrestrischen Planeten mit geeigneten Lebensbedingungen in der Nähe des Sterns - dem Ziel des Fluges - geben (sonst verliert der Flug seine Bedeutung).

Der „blaue Traum“ der modernen Raumfahrt ist ein theoretisch ideales Quanten-(Photonen-)RD mit w = c - der einzige, der für interstellare Flüge innerhalb der Galaxis geeignet ist (Abb. 78).

Die Bewegung physikalischer Körper mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit wird in der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) berücksichtigt, die die räumlich-zeitlichen Muster aller physikalischen Prozesse untersucht.

Im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie wird die Tsiolkovsky-Formel verallgemeinert und nimmt die Form an: ,

wo z- Tsiolkovsky-Nummer, m 0 - anfänglich, m 1 - die Endmasse des Raumfahrzeugs, u 1 - die Endgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs im Bezugssystem der Erde, w - die Geschwindigkeit des Jetstreams relativ zum Schiff.

Selbst ein Photonenschiff kann die Lichtgeschwindigkeit für w = nicht erreichen c , weil die: .

Ein Flug mit einer Geschwindigkeit, die höher als die Lichtgeschwindigkeit ist, ist laut moderner Wissenschaft für materielle Objekte unmöglich. Ein Raumschiff kann jedoch (theoretisch) nahezu mit Lichtgeschwindigkeit reisen, .

Interstellare Flugoptionen sind:

1. Flug in 3 Stufen: Beschleunigung des Raumfahrzeugs auf die höchste Geschwindigkeit; Trägheitsflug mit abgeschalteten Triebwerken; Abbremsen auf Nullgeschwindigkeit.
2. Flug in 2 Stufen mit konstanter Beschleunigung: Die erste Hälfte der Flugbahn des Raumfahrzeugs erhöht die Geschwindigkeit mit Beschleunigung g ~ gÅ\u003d 10 m / s 2 und beginnt dann mit der gleichen Beschleunigung zu bremsen.

Gemäß den grundlegenden Bestimmungen der Allgemeinen Relativitätstheorie für einen Beobachter an Bord eines Raumfahrzeugs verlangsamen sich bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit alle physikalischen Prozesse um den Faktor 1, und die Entfernungen entlang der Bewegungsrichtung des Raumfahrzeugs verringern sich um denselben Faktor: Raum und Zeit "komprimieren" sich sozusagen. Im Bezugssystem des Schiffes ist es bewegungslos und bewegt sich relativ zur Erde und zum Flugziel mit einer Geschwindigkeit u £ c.

Die eigentliche (Schiffs-)Flugzeit und die unabhängige Zeit, die seit dem Start auf der Erde verstrichen ist, werden mit verschiedenen Formeln berechnet: , wo und - Funktionen des hyperbolischen Kosinus und des hyperbolischen Sinus, r- Entfernung zum Flugziel.

Mit kontinuierlicher Beschleunigung g\u003d 10 m / s 2 Flug zum Stern Ein Centauri dauert nach Schiffsuhren 3,6 Jahre, nach Erduhren 4,5 Jahre; Der Flug ins Zentrum der Galaxis dauert nach Schiffsuhr T zu= 19,72 Jahre, irdisch T E= 27000 Jahre; ein Flug zur Galaxie M31 ("Andromeda-Nebel"), der nächstgelegenen Spiralgalaxie, dauert jeweils T zu= 28 Jahre und T E= 3,5 Millionen Jahre!

So ist die Bezahlung für interstellare Flüge nach dem „Zwillingsparadoxon“: Astronauten, die die halbe Galaxis umrundet haben und jahrzehntelang gealtert sind, werden Jahrtausende und Millionen Jahre nach dem Start zur Erde zurückkehren. Zusätzlich zu den rein ethischen Problemen von Außerirdischen aus ferner Vergangenheit, die faktisch von einem "Einwegflug" in die Welt der Zukunft zurückgekehrt sind, gibt es ein wichtiges Problem des Werts der von Astronauten gelieferten Informationen: Während des Fluges steht die Wissenschaft auf der Erde nicht still!

Die Energieprobleme interstellarer Flüge sind sehr wichtig: Wenn eine Energie von etwa 8,4 × 10 9 kWh (erzeugt von einem Kraftwerk mit einer Leistung von 100 MW in 8,5 Stunden) aufgewendet wird, um die II-Raumgeschwindigkeit eines interplanetaren bemannten Fluges Erde zu erreichen - Mars, um das Raumschiff dann auf 0,2 zu beschleunigen Mit Die benötigte Energie beträgt 10 15 kWh - die gesamte Energie, die die Kraftwerke der Erde in 10 Jahren erzeugen. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit um bis zu 0,4 s bedeutet eine Erhöhung des Energieverbrauchs um das 16-fache bei 100 % Motorwirkungsgrad! Die Treibstoffreserven für thermonukleare RD werden über 99 % der Masse des Raumfahrzeugs betragen. Um Antimaterie für einen einzigen Flug eines photonischen Raumschiffs zu synthetisieren, ist eine solche Energiemenge erforderlich, dass die moderne Wissenschaft ihre Quelle nicht in den Grenzen des Sonnensystems angeben kann.

Somit sind nach den Gesetzen der Physik beim gegenwärtigen Entwicklungsstand der Erdzivilisation interstellare bemannte Raumfahrzeugflüge praktisch unmöglich. Studien von nahen Sternen durch interstellare unbemannte AMS sind durchaus möglich (derzeit werden in den Vereinigten Staaten und Russland Projekte entwickelt, um Mitte des 21. Jahrhunderts AMS zu Proxima Centauri, Barnards Stern und einigen anderen Objekten zu starten). Mit mehreren zehn Tonnen Nutzlastmasse wird AMZ auf eine Geschwindigkeit von 0,1 bis 0,2 beschleunigen Mit Solar-, Radioisotopen- oder thermonukleare Raketentriebwerke, die Flugzeit wird Dutzende oder sogar Hunderte von Jahren betragen.

Das untersuchte Material wird im Zuge der Problemlösung fixiert:

Übung 10:

1. Warum ist es einfacher, ein Raumschiff zum Pluto als zur Sonne zu schicken?

2. Ist es möglich, dass eine Situation, die in Science-Fiction der 60er Jahre beliebt ist, wenn ein Raumschiff mit einem ausgefallenen Motor angezogen wird und in die Sonne fällt?

3. Wo und warum ist es rentabler, Weltraumhäfen anzusiedeln: an den Polen oder am Äquator der Erde?

4. Bestimmen Sie die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs, das das Sonnensystem verlässt. Wie lange wird es zum nächsten der Sterne fliegen?

5. Warum tritt im Inneren des Raumfahrzeugs auf dem passiven Teil der Flugbahn Schwerelosigkeit ein?

6. Wie schnell dreht sich AMS auf einer kreisförmigen Umlaufbahn um Jupiter in einer Entfernung von: a) 2000 km; b) 10.000 km vom Planeten entfernt?

7. Zeichnen Sie auf der Zeichnung die Konfiguration der Erde, der Sonne und des Mars unter Berücksichtigung ihrer kreisförmigen Umlaufbahnen während des Fluges der sowjetischen AMS "Mars-2" und "Mars-3", die den Mars am 21.11.1971 erreichten und 2.12.1971 nach 192 und 188 Flugtagen, wenn die Opposition der Planeten am 10. August 1971 stattfand.

Laut V.V. Radzievsky soll die Aufmerksamkeit von Lehrern und Schülern auf "die enorme praktische Bedeutung der Astronomie im Zusammenhang mit der aktiven Erforschung des Weltraums, die Rolle der Raumfahrt bei der Lösung von Umweltproblemen der Umweltverschmutzung (Verbringung luftverschmutzender Unternehmen in den Weltraum, Emission schädlicher Produktionsabfälle in den Weltraum, demografische Perspektiven) ... Es ist notwendig, die Elemente der Raumfahrt im Programm selbst zu stärken, Fragen einzuführen: das Energieerhaltungsgesetz im 2-Körper-Problem (elementare Schlussfolgerung) ...

In den 60-80er Jahren unterrichteten die Schulen der Sowjetunion optionaler Kurs HÖLLE. Marlensky „Grundlagen der Kosmonautik“ (IX. Klasse, 70 Stunden Training, 2 Stunden pro Woche) . Informationen zu Struktur, Inhalt und Planung des Unterrichts können für einen modernen Physik- und Astronomielehrer hilfreich sein, um das relevante Material im Physik- und Astronomieunterricht (insbesondere im Physik- und Mathematikunterricht) und außerschulischen Aktivitäten einzusetzen:

1) Geschichte der Raumfahrt(2 Stunden) (Die ersten fantastischen Raumfahrtprojekte. K. E. Tsiolkovsky - der Begründer der wissenschaftlichen Kosmonautik. Die Hauptetappen in der Entwicklung der Raketentechnologie. Der Start des ersten sowjetischen Satelliten und der Beginn des Weltraumzeitalters. Bemannte Raumfahrt) .

2) Bewegung und Anordnung von Raketen(4 Stunden) (Das Prinzip des Raketenbetriebs. Das Konzept der Mechanik von Körpern mit variabler Masse. Ziolkowskis Formel. Die Hauptteile und numerischen Merkmale einer einstufigen Rakete. Mehrstufige Raketen. Raketentriebwerke und Treibstoffe). Beginnen Sie mit der Wiederholung des Impulserhaltungsgesetzes; sich darauf verlassen, um einen Einzelpuls-Massenausstoß von einer Rakete zu analysieren. Betrachten Sie eine Reihe aufeinanderfolgender Auswürfe und zeigen Sie, dass die Nettogeschwindigkeit einer Rakete bei unidirektionalen Auswürfen gleich der Summe der Geschwindigkeiten ist, die sie bei jedem Massenausstoß erhält. Bericht über die Formel von Tsiolkovsky (ohne detaillierte Herleitung, aber mit einer detaillierten Analyse körperlicher Sinn und Lösung damit zusammenhängender Probleme). Betrachten Sie die Bewegung einer Rakete unter dem Gesichtspunkt der dynamischen Gesetze in Abhängigkeit von der Reaktionskraft. Demonstrieren Sie experimentell die Entstehung einer Reaktionskraft am Beispiel ausströmender Wasserstrahlen und zeigen Sie, wie die Schubkraft verändert werden kann (Anlagenschema ist angegeben). Schüler mit den numerischen Eigenschaften von einstufigen und mehrstufigen Trägerraketen vertraut machen. Bieten Sie (zu Hause) an, Raketenprojekte mit unterschiedlichen Eigenschaften zu entwickeln und zu zerlegen Nächste Lektion. Die Arbeit des RD wird in untersucht allgemein gesagt. Die Schemata ihrer Anordnung, Kraftstoffversorgung und Diagramme von Änderungen der Eigenschaften (Geschwindigkeit, Temperatur und Druck von Verbrennungsprodukten entlang der Achse des RD) werden berücksichtigt. Achten Sie auf die Grunddaten von RD und Raketentreibstoff im Vergleich zu Wärmekraftmaschinen und Bodentransporttreibstoff. Es ist nützlich, funktionierende Modelle von Raketen zu demonstrieren.

3) Freie Bewegung einer Rakete in einem Gravitationsfeld(8 Stunden) (Zentrales Gravitationsfeld. 2-Körper-Problem. Das Erhaltungsgesetz der mechanischen Energie bei der Bewegung in einem Gravitationsfeld. Gravitationsparameter. Die Formel für die Geschwindigkeit eines Körpers, der sich auf einer elliptischen Bahn bewegt. Bewegungsbahnen in a Gravitationsfeld (Keplersche Bahnen). Keplersche Gesetze. Kreisgeschwindigkeit, Freisetzungsgeschwindigkeit, hyperbolischer Geschwindigkeitsüberschuss. Der Begriff der gestörten Bewegung. Wirkungsbereich. Schwerelosigkeit). Wiederholen Sie das Gesetz der universellen Gravitation in Bezug auf 2 materielle Punkte und analysieren Sie seine Formel im Detail; weisen auf die Möglichkeit hin, massive kosmische Körper in Form von materiellen Punkten darzustellen. Es entsteht eine Vorstellung über das Gravitationsfeld als Feld zentraler Kräfte und seine Eigenschaften: Beschleunigung im freien Fall (ermöglicht die Bestimmung der Kraftwirkung des zentralen Feldes auf eingeführte Körper verschiedene Punkte Felder) und Potentiale (zur Bestimmung der Energiekosten für verschiedene Körperbewegungen in diesem Feld). Begründen Sie die Wahl des Nullwertes des Gravitationspotentials für unendlich weit entfernte Punkte: In diesem Fall werden die Gravitationspotentiale aller kosmischen Körper vom Nullniveau aus gezählt und können leicht verglichen werden. Durch Vergleich der Gravitationspotentiale von Punkten auf der Oberfläche der Planeten kann man den Arbeitsaufwand abschätzen, um einen Körper von einem gegebenen Punkt bis ins Unendliche zu entfernen (Einführung in das Konzept der kosmischen Geschwindigkeit II). Die Lösung des 2-Körper-Problems basiert auf den Gesetzen der Erhaltung von Energie und Drehimpuls (es ist notwendig, das Konzept des Gesetzes der Erhaltung des Drehimpulses basierend auf der Demonstration der Zhukovsky-Bank, der Definition des Konzepts, zu bilden des Drehimpulses und eine Reihe von Experimenten)

4) Antrieb einer Rakete unter Schubeinfluss(6 h.) (Einführung des Raumfahrzeugs in die Umlaufbahn. Geschwindigkeitsverluste. Anfangs- und Gesamtgeschwindigkeit. Steuerung des Raumfahrzeugs. Flugbahnkorrekturen. G-Kräfte im Flug. Das Konzept der Weltraumnavigation. Trägheits-, Astro- und Funknavigation. Ausrichtung und Stabilisierung des Raumfahrzeugs). 5) Künstliche Erdsatelliten(8 Stunden) (AES-Umlaufbahnen. Störung der Umlaufbahnen, verursacht durch die Unrundheit der Erde, atmosphärischer Widerstand, Anziehungskraft des Mondes und der Sonne. Bewegung eines AES relativ zur Erdoberfläche. Start eines AES in die Umlaufbahn. Multipuls-Manöver Treffen im Orbit Warteorbits Hohmann-Übergänge Andocken Orbitalstationen Verlassen des Orbits Grundlegende physikalische Phänomene beim Wiedereintritt Ballistische und Segelflug-Abstiege 6) Flüge zum Mond und Planeten(8 Stunden) (Trajektorien von Flügen zum Mond. Künstliche Satelliten des Mondes. Landung auf dem Mond. Flugbahnen zu den Planeten. Optimale Flugbahnen. Startfenster. Flugbahnkorrekturen. Planeten, Nutzung der Atmosphäre für die Landung, Eingangskorridor, harte und weiche Landungen). 7) Raumfahrtbedingungen(2 Stunden) (Strahlengefahr. Meteorgefahr. Schutzmethoden. Lebenserhaltung in Raumfahrzeugen. Weltraumpsychologie. Lebensrhythmus in Raumfahrzeugen. Einfluss von Schwerelosigkeit und Überlastung auf den Körper). acht) Wissenschaftliche und praktische Nutzung der Raumfahrt(6 Stunden) (Erfolge der UdSSR bei der Nutzung des Weltraums. Wissenschaftliche Ausrüstung von künstlichen Satelliten, Raumfahrzeugen und AMS. Erforschung der Erde, des erdnahen Raums, des Mondes, der Planeten, des interplanetaren Raums mit Hilfe der Raumfahrt. Praktische Nutzung von Raumfahrt: in Geodäsie, Meteorologie, für Navigation, Kommunikation, Erforschung von Bodenschätzen). 9) Perspektiven für die Raumfahrt(2 Stunden) (Projekte für weitere Raumflüge im Sonnensystem. Projekte zur Erforschung des Mondes und der Planeten. Möglichkeit interstellarer Flüge). 10 Stunden praktische Arbeit (einschließlich astronomischer Beobachtungen).

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Einführung.

Die Menschheit hat schon immer davon geträumt, in den Weltraum zu reisen. Schriftsteller boten eine Vielzahl von Mitteln an, um dieses Ziel zu erreichen - Science-Fiction, Wissenschaftler, Träumer. Aber viele Jahrhunderte lang konnte kein einziger Wissenschaftler, kein einziger Science-Fiction-Autor das einzige Mittel erfinden, das dem Menschen zur Verfügung steht, mit dessen Hilfe es möglich ist, die Schwerkraft zu überwinden und in den Weltraum zu fliegen. Der Held der Geschichte des französischen Schriftstellers Cyrano de Bergerac, geschrieben im 17. Jahrhundert, gelangte beispielsweise zum Mond, indem er einen starken Magneten über den eisernen Karren warf, in dem er selbst saß. Der Karren stieg höher und höher über die Erde und wurde vom Magneten angezogen, bis er den Mond erreichte, sagte Baron Münchhausen, dass er entlang des Bohnenstiels zum Mond kletterte.

Zum ersten Mal konnte der russische Wissenschaftler Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857-1935) den Traum und die Bestrebungen vieler Menschen der Realität näher bringen, der zeigte, dass das einzige Gerät, das die Schwerkraft überwinden kann, eine Rakete ist, er erstmals wissenschaftliche Beweise für die Möglichkeit vorgelegt, mit einer Rakete in den Weltraum, über die Erdatmosphäre hinaus und zu anderen Planeten des Sonnensystems zu fliegen. Tsoilkovsky nannte eine Rakete einen Apparat mit einem Düsentriebwerk, das den Treibstoff und das Oxidationsmittel darauf verwendet.

Ein Strahltriebwerk ist ein Triebwerk, das in der Lage ist, die chemische Energie des Kraftstoffs in die kinetische Energie eines Gasstrahls umzuwandeln und gleichzeitig in die entgegengesetzte Richtung an Geschwindigkeit zu gewinnen.

Auf welchen Prinzipien und physikalischen Gesetzmäßigkeiten beruht die Wirkungsweise eines Strahltriebwerks?

Wie Sie aus dem Physikstudium wissen, geht ein Schuss aus einer Waffe mit einem Rückstoß einher. Nach den Newtonschen Gesetzen würden eine Kugel und eine Waffe bei gleicher Masse mit gleicher Geschwindigkeit in verschiedene Richtungen streuen. Die abgeworfene Gasmasse erzeugt eine Reaktionskraft, durch die Bewegung sowohl in der Luft als auch im luftlosen Raum sichergestellt werden kann, so entsteht ein Rückstoß. Je größer die von unserer Schulter empfundene Rückstoßkraft, desto größer die Masse und Geschwindigkeit der ausströmenden Gase und je stärker folglich die Reaktion der Waffe, desto größer die Reaktionskraft. Diese Phänomene werden durch das Impulserhaltungsgesetz erklärt:

• Die vektorielle (geometrische) Summe der Impulse der Körper, die ein geschlossenes System bilden, bleibt für alle Bewegungen und Wechselwirkungen der Körper des Systems konstant.

Die maximale Geschwindigkeit, die eine Rakete entwickeln kann, wird mit der Tsiolkovsky-Formel berechnet:

, wo

v max ist die maximale Geschwindigkeit der Rakete,

v 0 - Anfangsgeschwindigkeit,

v r ist die Geschwindigkeit des Ausströmens von Gasen aus der Düse,

m ist die Anfangsmasse des Kraftstoffs,

M ist die Masse der leeren Rakete.

Die vorgestellte Formel von Tsiolkovsky ist die Grundlage, auf der die gesamte Berechnung moderner Raketen basiert. Die Tsiolkovsky-Zahl ist das Verhältnis der Kraftstoffmasse zur Masse der Rakete am Ende des Motorbetriebs - zum Gewicht einer leeren Rakete.

So wurde festgestellt, dass die maximal erreichbare Geschwindigkeit der Rakete hauptsächlich von der Geschwindigkeit des Ausströmens von Gasen aus der Düse abhängt. Und die Geschwindigkeit der Abgase der Düse wiederum hängt von der Art des Brennstoffs und der Temperatur des Gasstrahls ab. Also je höher die Temperatur, desto mehr Geschwindigkeit. Dann müssen Sie für eine echte Rakete den kalorienreichsten Kraftstoff auswählen, der die größte Wärmemenge liefert. Die Formel zeigt, dass die Geschwindigkeit einer Rakete unter anderem von der Anfangs- und Endmasse der Rakete abhängt, davon, welcher Teil ihres Gewichts auf Treibstoff fällt und welcher Teil - auf nutzlose (in Bezug auf die Fluggeschwindigkeit) Strukturen: Körper, Mechanismen usw. d.

Die wichtigste Schlussfolgerung aus dieser Tsiolkovsky-Formel zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer Weltraumrakete ist, dass sich die Rakete im luftlosen Weltraum entwickelt, je größer die Geschwindigkeit, desto größer die Geschwindigkeit des Ausströmens von Gasen und desto größer die Anzahl von Tsiolkovsky.

Gerät ballistische Rakete.

Stellen wir uns ganz allgemein eine moderne Ultralangstreckenrakete vor.

Eine solche Rakete muss mehrstufig sein. In seinem Kopfteil befindet sich eine Kampfladung, dahinter befinden sich Steuergeräte, Panzer und ein Motor. Das Startgewicht der Rakete übersteigt das Gewicht der Nutzlast je nach Treibstoff um das 100-200-fache! So sollte eine echte Rakete mehrere hundert Tonnen wiegen und in der Länge mindestens die Höhe eines zehnstöckigen Gebäudes erreichen. An die Konstruktion der Rakete werden eine Reihe von Anforderungen gestellt. So ist es beispielsweise erforderlich, dass die Schubkraft durch den Schwerpunkt der Rakete geht. Der Flugkörper kann vom beabsichtigten Kurs abweichen oder sich sogar zu drehen beginnen, wenn die festgelegten Bedingungen nicht erfüllt sind.

Abb.1 Der innere Aufbau der Rakete.

Mit Hilfe von Rudern können Sie den richtigen Kurs wiederherstellen. In verdünnter Luft arbeiten Gasruder und lenken die von Tsiolkovsky vorgeschlagene Richtung des Gasstrahls ab. Aerodynamische Ruder funktionieren, wenn die Rakete in dichter Luft fliegt.

Moderne ballistische Flugkörper werden überwiegend von Flüssigtreibstofftriebwerken angetrieben. Als Brennstoff werden üblicherweise Kerosin, Alkohol, Hydrazin, Anilin und als Oxidationsmittel Salpeter- und Perchlorsäure, flüssiger Sauerstoff und Wasserstoffperoxid verwendet. Die aktivsten Oxidationsmittel sind Fluor und flüssiges Ozon, aber sie werden wegen ihrer extremen Explosivität selten verwendet.

Der Motor ist das wichtigste Element einer Rakete. Das wichtigste Element des Motors sind die Brennkammer und die Düse. In Brennkammern aufgrund der Tatsache, dass die Verbrennungstemperatur des Kraftstoffs 2500-3500 erreicht Ö C müssen besonders hitzebeständige Materialien und ausgefeilte Kühlmethoden eingesetzt werden. Solchen Temperaturen können gewöhnliche Materialien nicht standhalten.

Andere Einheiten sind ebenfalls sehr komplex. Zum Beispiel waren die Pumpen, die bereits in der V-2-Rakete, einer der ersten, das Oxidationsmittel und den Brennstoff zu den Einspritzdüsen der Brennkammer zuführen müssen, in der Lage, 125 kg Brennstoff pro Sekunde zu pumpen.

In manchen Fällen werden anstelle herkömmlicher Zylinder Zylinder mit Druckluft oder einem anderen Gas verwendet, die Kraftstoff aus Tanks verdrängen und in den Brennraum treiben können.

Gasruder müssen aus Graphit oder Keramik hergestellt werden, sind also sehr zerbrechlich und spröde. Moderne Designer beginnen daher, auf die Verwendung von Gasrudern zu verzichten, sie durch mehrere zusätzliche Düsen zu ersetzen oder die wichtigste Düse zu drehen. Tatsächlich ist zu Beginn des Fluges bei hoher Luftdichte die Raketengeschwindigkeit niedrig, sodass die Ruder schlecht steuern, und wo die Rakete eine hohe Geschwindigkeit erreicht, ist die Luftdichte niedrig.

Bei der nach dem Avangard-Projekt gebauten amerikanischen Rakete ist der Motor an Scharnieren aufgehängt und kann um 5-7 abgelenkt werden Ö. Die Leistung jeder nächsten Stufe und die Zeit ihrer Aktion sind geringer, da jede Stufe der Rakete unter völlig anderen Bedingungen arbeitet, die ihre Struktur bestimmen, und daher kann die Konstruktion der Rakete selbst einfacher sein.

Eine ballistische Rakete wird von einem speziellen Startgerät abgefeuert. Normalerweise ist dies ein durchbrochener Metallmast oder sogar ein Turm, in dessen Nähe die Rakete Stück für Stück mit Kränen zusammengebaut wird. Abschnitte eines solchen Turms befinden sich gegenüber den Inspektionsluken, die zum Überprüfen und Debuggen von Geräten erforderlich sind. Der Turm zieht sich zurück, wenn die Rakete betankt wird.

Die Rakete startet senkrecht und beginnt sich dann langsam zu neigen und beschreibt bald eine fast streng elliptische Flugbahn. Der größte Teil der Flugbahn solcher Raketen liegt in einer Höhe von mehr als 1000 km über der Erde, wo praktisch kein Luftwiderstand herrscht. Bei Annäherung an das Ziel beginnt die Atmosphäre die Bewegung der Rakete stark zu verlangsamen, während ihre Hülle sehr heiß wird, und wenn keine Maßnahmen ergriffen werden, kann die Rakete zusammenbrechen und ihre Ladung kann vorzeitig explodieren.

Die vorgestellte Beschreibung einer Interkontinentalrakete ist veraltet und entspricht dem Entwicklungsstand von Wissenschaft und Technologie in den 60er Jahren, aber aufgrund des begrenzten Zugangs zu modernen wissenschaftlichen Materialien ist es nicht möglich, eine genaue Beschreibung der Funktionsweise zu geben eine moderne Interkontinentalrakete mit ultralanger Reichweite. Trotzdem hob die Arbeit die allgemeinen Eigenschaften hervor, die allen Raketen innewohnen. Die Arbeit kann auch von Interesse sein, um sich mit der Geschichte der Entwicklung und Verwendung der beschriebenen Flugkörper vertraut zu machen.

Deryabin V. M. Erhaltungssätze in der Physik. – M.: Aufklärung, 1982.

Gelfer Ya M. Naturschutzgesetze. – M.: Nauka, 1967.

Körper K. Welt ohne Formen. – M.: Mir, 1976.

Enzyklopädie für Kinder. - M .: Verlag der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, 1959.

Der Text ist ein Interview von A. L. Chizhevsky mit K. E. Tsiolkovsky. Zitiert nach der Originalveröffentlichung in der Zeitschrift "Chemistry and Life" (Nr. 1, 1977).

Ich bin der reinste Materialist. Ich erkenne nichts als Materie.

K. E. Tsiolkovsky

Die Menschheit ist unsterblich.

K. E. Tsiolkovsky

... Einmal, als ich den Raum betrat, fand ich K. E. Tsiolkovsky tief in Gedanken versunken. Er trug eine helle Bluse mit aufgeknöpftem Kragen und saß auf seinem Stuhl, tief in ihn eingedrungen. Er bemerkte nicht gleich, dass ich die Treppe hochging und auf ihn zuging.

„Ich habe mich eingemischt“, schoss es mir durch den Kopf. Aber Konstantin Eduardovich streckte mir seine Hand entgegen und sagte:

Setzen Sie sich, Alexander Leonidovich. So denke ich vergeblich über Dinge nach, die nicht erklärt werden können ...

Wir sagten hallo und ich saß nebeneinander auf einem Stuhl.

Wie ist es - unerklärlich? Ich fragte. - Welche Art von Wundern? Mir scheint, dass alles, was in der Welt existiert, erklärbar ist.

Natürlich aus menschlicher Sicht. Dafür erhielt er ein Gehirn, wenn auch unvollkommen, besonders in einigen ...

Nein, Alexander Leonidovich, das ist nicht ganz richtig. Das Gehirn kann zwar in vieles eindringen, aber nicht in alles, weit entfernt von allem ... Auch ihm sind Grenzen gesetzt ...

Die Alten wussten es also, - bemerkte ich, - unsere Unwissenheit ist riesig, aber wir wissen sehr wenig.

Nein, das ist eine Frage einer ganz anderen Kategorie. Diese Frage selbst kann nicht gestellt werden, denn sie ist die Frage aller Fragen...

Also? Ich verstehe dich nicht…

Sehr einfach. Es gibt Fragen, die wir beantworten können – wenn auch nicht exakt, aber für heute zufriedenstellend. Es gibt Fragen, über die wir sprechen können, die wir diskutieren, argumentieren, widersprechen können, aber es gibt Fragen, die wir weder anderen noch uns selbst stellen können, aber wir stellen uns sicherlich in Momenten des größten Verständnisses der Welt. Diese Fragen lauten: Warum das alles? Wenn wir uns eine solche Frage stellen, dann sind wir nicht nur Tiere, sondern Menschen mit einem Gehirn, in dem es nicht nur Sechenovs Reflexe und Pawlowschen Sabber gibt, sondern etwas anderes, etwas ganz anderes als entweder Reflexe oder Sabber ... Materie , konzentriert im menschlichen Gehirn, auf bestimmte Weise, ungeachtet der primitiven Mechanismen von Sechenov und Pavlov? Mit anderen Worten, gibt es in der Gehirnmaterie nicht Gedanken- und Bewusstseinselemente, die sich über Millionen von Jahren entwickelt haben und frei von Reflexapparaten sind, selbst den komplexesten?... Ja, Sir, Alexander Leonidovich, sobald Sie sich fragen a Frage dieser Art, dann sind Sie dem traditionellen Laster entronnen und in endlose Höhen aufgestiegen: Warum all dies - warum sind Materie, Pflanzen, Tiere, der Mensch und sein Gehirn - auch Materie -, die eine Antwort auf die Frage erfordern: warum all dies? Warum existiert die Welt, das Universum, der Kosmos? Wozu? Wozu?

Materie ist ein einziges Existierendes, unabhängig von ihrer Bewegung oder Bewegung im Raum. Ich spreche von äußerer Bewegung, wie der Bewegung meiner Hand mit dem Hörgerät oder der Bewegung der Erde in ihrer Umlaufbahn. Diese Bewegung bestimmt die Materie nicht und kann vernachlässigt werden. Tiefes Wissen über den Aufbau der Materie steht uns noch nicht zur Verfügung. Aber es wird einen Wendepunkt geben, wenn sich die Menschheit diesem „esoterischen“ Wissen nähert. Dann kommt man der Frage nahe: warum? Aber dafür müssen Milliarden von Jahren des Weltraumzeitalters vergehen ...

Viele Leute denken, dass ich wegen der Rakete selbst mit der Rakete beschäftigt bin und mir Sorgen um ihr Schicksal mache. Das wäre der größte Fehler. Raketen sind für mich nur ein Weg, nur eine Methode, um in die Tiefen des Weltalls vorzudringen, aber keineswegs Selbstzweck. Menschen, die nicht zu einem solchen Verständnis der Dinge herangewachsen sind, sprechen über das, was es nicht gibt, was mich zu einer Art einseitigem Techniker und nicht zu einem Denker macht. Leider denken viele, die über ein Raketenschiff sprechen oder schreiben, so. Ich behaupte nicht, dass es sehr wichtig ist, Raketenschiffe zu haben, weil sie der Menschheit helfen werden, sich im Weltall auszubreiten. Und wegen dieser Umsiedlung bin ich beschäftigt. Es wird eine andere Art der Fortbewegung im Weltraum geben - ich werde es auch akzeptieren ... Der springende Punkt ist die Umsiedlung von der Erde und die Besiedlung des Weltraums. Wir müssen sozusagen der kosmischen Philosophie entgegengehen! Leider denken unsere Philosophen darüber überhaupt nicht nach. Und jemand anderes, wenn nicht Philosoph, hätte sich mit diesem Thema befassen sollen. Aber sie wollen oder verstehen die große Bedeutung des Themas nicht oder haben einfach Angst. Und das ist möglich! Stellen Sie sich einen Philosophen vor, der Angst hat! Demokrit, der ein Feigling ist! Undenkbar!

Luftschiffe, Raketen, der zweite Hauptsatz der Thermodynamik – das ist unser Tagesgeschäft, aber nachts leben wir ein anderes Leben, wenn wir uns diese verdammte Frage stellen. Es wird gesagt, dass das Stellen einer solchen Frage einfach sinnlos, schädlich und unwissenschaftlich ist. Sie sagen, es ist sogar kriminell. Ich stimme dieser Interpretation zu... Nun, wenn er diese Frage immer noch stellt... Was dann tun? Sich zurückziehen, in Kissen wühlen, sich berauschen, sich blenden? Und es wird nicht nur hier in Tsiolkovskys Zimmer gestellt, sondern einige Köpfe sind voll davon, davon gesättigt - und das seit mehr als einem Jahrhundert, nicht einem Jahrtausend ... Diese Frage erfordert weder Laboratorien noch Stände noch Athener Akademien . Niemand hat es gelöst: weder die Wissenschaft noch die Religion noch die Philosophie. Er steht vor der Menschheit – riesig, grenzenlos, wie die ganze Welt, und schreit: warum? warum? Andere - verständnisvoll - schweigen einfach.

Ja, ja, sagte ich. - Auf diese Frage gibt es keine Antwort. Aber vielleicht ist Ihnen, Konstantin Eduardovich, etwas eingefallen?

Ziolkowski war wütend. Das Hörhorn kam in seine Hände.

Kommen Sie mit? Wie fragst du? Nein, Alexander Leonidovich, das kann man nicht sagen. Dieser Lehrer, wie alle Kleinen dieser Welt, - und Konstantin Eduardovich zeigte auf seine Brust - nichts kann diese Frage beantworten ... Nichts als einige Vermutungen, vielleicht zuverlässige!

Um eine Frage zu beantworten, müssen Sie sie zunächst klar formulieren - sagte ich.

Nun, es ist was auch immer. Ich kann diese Frage formulieren, es bleibt nur unklar: kann ein Mensch wahr und genau formuliere es. Das weiß ich nicht, obwohl ich es natürlich gerne wüsste. Die Frage läuft auf dasselbe hinaus: Warum und warum existiert diese Welt und natürlich wir alle, dh das Wesen der Materie? Diese Frage ist einfach, aber wem können wir sie stellen? An uns selbst? Aber es ist zwecklos! Tausende von Philosophen, Wissenschaftlern und religiösen Persönlichkeiten versuchten mehrere Jahrtausende lang auf die eine oder andere Weise, es zu lösen, erkannten es aber schließlich als unlösbar an. Diese Tatsache hat es denen, die sich diese Frage stellen, nicht leichter gemacht. Er leidet immer noch, leidet an seiner Unwissenheit, manche Leute sagen sogar, dass eine Frage dieser Art „unwissenschaftlich“ ist (verstehen Sie das: unwissenschaftlich!), weil niemand, nicht einmal der Klügste, sie beantworten kann. Nur sie, diese klügste Menschen Warum sie unwissenschaftlich ist, erklärte sie nicht. Ich dachte mir: Jede Frage kann wissenschaftlich sein, wenn sie früher oder später beantwortet wird. „Unwissenschaftlich“ bezieht sich auf all jene Fragen, die unbeantwortet bleiben. Aber der Mensch löst nach und nach einige Rätsel dieser Art. Zum Beispiel werden wir in hundert oder tausend Jahren herausfinden, wie das Atom angeordnet ist, obwohl wir wahrscheinlich nicht herausfinden werden, was „Elektrizität“ ist, aus der alle Atome, alle Materie, dh die ganze Welt, der Weltraum, usw. gebaut werden, dann wird die Wissenschaft für viele Jahrtausende die Frage klären, was "Elektrizität" ist. Das bedeutet, so sehr sich die Wissenschaft auch bemüht, die Natur stellt ihr immer wieder neue und neue Aufgaben von größter Komplexität! Bei der Lösung des Atom- oder Elektrizitätsproblems stellt sich eine neue Frage zu etwas, das für den menschlichen Verstand unverständlich ist ... Und so weiter. Es stellt sich heraus, dass entweder eine Person nicht erwachsen geworden ist, um solche Probleme zu lösen, oder die Natur mit ihr schlau ist und Angst vor ihr hat, sodass sie nicht mehr weiß, als die Charta verlangt. Und wir wissen auch nichts Wertvolles über dieses Statut. Wieder "dunkel in den Wolken". So klammert sich eins ans andere, aber in Wirklichkeit stellt sich heraus, dass wir vor einer undurchdringlichen Mauer der Ungewissheit stehen.

Sie haben nur den Anfang des Artikels von K.E. Ziolkowski.

Fröhliches Lesen!

§ 1. Merkmale menschlicher Flugbahnen
§ 2. Direktflug Erde – Mond – Erde (die erste Version der Mondexpedition)
§ 3. Treffen im Weltraum und Installation des Schiffes (zweite Version der Mondexpedition)
§ 4. Trennung und Rendezvous im Mondorbit (die dritte Version der Mondexpedition)
§ 5. Expeditionen im Rahmen des Apollo-Programms
§ 6. Mondtransportraumsystem
§ 7. Mondfrachtschiffe mit geringer Schubkraft
§ 8. Zirkumlunare Orbitalstation
§ 9. Aussichten für die Nutzung des Mondes

Teil vier
INTERPLANETARISCHE FLÜGE

Kapitel 13 Interplanetare Flüge mit hohem Schub
§ 1. Hauptmerkmale des interplanetaren Fluges
§ 2. Bewegung im Wirkungsbereich der Erde
§ 3. Heliozentrische Bewegung außerhalb des Einflussbereiches der Erde
§ 4. Hohmann- und Parabelflüge
§ 5. Bewegung im Bereich des Zielplaneten
§ 6. Interplanetares Störungsmanöver
§ 7. Künstliche Satelliten von Planeten
§ 8. Störungen interplanetarer Bahnen
§ 9. Korrektur interplanetarer Bahnen

Kapitel 14 Interplanetare Flüge mit geringem Schub
§ 1. Bahnen zum Erreichen der Planeten
§ 2. Flüge zu den Umlaufbahnen künstlicher Satelliten der Planeten
§ 3. Sonnensegel
§ 4. Entwicklung von Raumfahrzeugen mit Triebwerken mit niedrigem Schub

G Lava 15. Erforschung des interplanetaren Raums
§ 1. Einzelpulsbahnen künstlicher Planeten
§ 2. Flüge außerhalb der Ebene der Ekliptik
§ 3. Drehen der Bahnebene mit Hilfe eines solarelektrischen Antriebssystems
§ 4. Umlaufbahnen künstlicher Planeten mit zwei Impulsen
§ 5. Durchgang durch die Unendlichkeit
§ 6. Bringen eines künstlichen Planeten zum Librationspunkt
§ 7. Wissenschaftliche Bedeutung künstlicher Planeten

Kapitel 16 Flüge zum Mars
§ 1. Trajektorien bei einem vereinfachten Modell von Planetenbahnen
§ 2. Einfluss der Exzentrizität und Neigung der Marsbahn
§ 3. Geographische Bedingungen für den Start zum Mars
§ 4. Landung auf dem Mars
§ 5. Künstliche Satelliten des Mars
§ 6. Flüge zu den Satelliten des Mars - Phobos und Deimos
§ 7. Vorbeiflug am Mars mit Rückkehr zur Erde
§ 8. Automatische Stationen erforschen den Mars
§ 9. Ergebnisse der Erforschung des Mars

G Lava 17. Flüge zur Venus
§ 1. Venus erreichen
§ 2. Landung und künstlicher Satellit der Venus
§ 3. Vorbeiflug der Venus
§ 4. Automatische Stationen erforschen die Venus
§ 5. Forschungsergebnisse auf der Venus

Kapitel 18 Flüge nach Merkur
§ 1. Erreichen des Merkur
§ 2. Landung und künstlicher Satellit des Merkur
§ 3. Flug zum Merkur mit einem dazugehörigen Vorbeiflug an der Venus
§ 4. Flug mit solarelektrischem Antrieb
§ 5. Ergebnisse der Quecksilberuntersuchungen

Kapitel 19
§ 1. Planeten, die dem unseren überhaupt nicht ähnlich sind
§ 2. Direktflüge
§ 3. Flüge nach Jupiter und Saturn durch die irdischen Planeten
§ 4. Störungsmanöver in den Wirkungskreisen von Planeten der Jupitergruppe
§ 5. Durch Jupiter - zur Sonne und weg von der Ebene der Ekliptik
§ 6. Künstlicher Satellit des Jupiter
§ 7. Künstliche Trabanten anderer Planeten der Jupitergruppe
§ 8. Landungen auf natürlichen Satelliten
§ 9. Untersuchung der Atmosphären der Jupiterplaneten. Landung auf Pluto
§ 10. Flüge mit geringem Schub
§ 11. Erkundungen von Jupiter und Saturn
§ 12. Forschungsergebnisse in den Systemen Jupiter und Saturn

Kapitel 20 Fliegen zu Asteroiden
§ 1. Vorbeiflug eines Asteroiden
§ 2. Begegnung mit einem Asteroiden
§ 3. Eintritt in die Umlaufbahn um einen Asteroiden
§ 4. Landung auf einem Asteroiden und Rückkehr zur Erde

Kapitel 21 Zu Kometen fliegen
§ 1. Impulsflüge
§ 2. Flüge mit geringem Schub
§ 3. Operationen in der Nähe des Kometenkerns

Kapitel 22 Interplanetare Expeditionen
§ 1. Sie werden nur verschoben
§ 2. Merkmale interplanetarer Expeditionen
§ 3. Abstieg zur Erde bei der Rückkehr von einer Expedition
§ 4. Ununterbrochene bemannte Vorbeiflüge an Planeten
§ 5. Expeditionen mit Stopps während direkter symmetrischer Flüge
§ 6. Expeditionen mit Rückflugbahnen, die nicht symmetrisch zu den Ankunftsflugbahnen sind
§ 7. Operationen auf zirkumplanetaren Umlaufbahnen, Vorbeiflugbahnen und Oberflächen
§ 8. Expeditionen zu Asteroiden
§ 9. Einsatz von Schiffen mit geringer Schubkraft
§ 10. Etwas über die Zukunft

Das Wort Kosmos ist gleichbedeutend mit dem Wort Universum. Oft wird der Weltraum etwas konventionell unterteilt in den nahen Weltraum, der derzeit mit Hilfe von künstlichen Erdsatelliten, Raumfahrzeugen, interplanetaren Stationen und anderen Mitteln erforscht werden kann, und den fernen Weltraum - alles andere, ungleich größer. Tatsächlich bezieht sich der Nahraum auf das Sonnensystem, und der Fernraum bezieht sich auf die riesigen Weiten von Sternen und Galaxien.

Die wörtliche Bedeutung des Wortes "Kosmonautik", die eine Kombination aus zwei ist Griechische Wörter- "Schwimmen im Universum." Im allgemeinen Sprachgebrauch bedeutet dieses Wort eine Kombination verschiedener Wissenschafts- und Technologiezweige, die die Erforschung und Erforschung des Weltraums und der Himmelskörper mit Hilfe von Raumfahrzeugen sicherstellen - künstliche Satelliten, automatische Stationen für verschiedene Zwecke, bemannte Raumfahrzeuge.

Die Kosmonautik oder, wie sie manchmal auch genannt wird, Astronautik kombiniert Flüge in den Weltraum, eine Reihe von Wissenschafts- und Technologiezweigen, die dazu dienen, den Weltraum im Interesse der Bedürfnisse der Menschheit mit verschiedenen Raumfahrtmitteln zu erforschen und zu nutzen. Der 4. Oktober 1957 gilt als Beginn des Weltraumzeitalters der Menschheit – das Datum, an dem der erste künstliche Erdsatellit in der Sowjetunion gestartet wurde.

Die Theorie der Raumfahrt, die ein alter Menschheitstraum war, wurde durch die grundlegenden Arbeiten des großen russischen Wissenschaftlers Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky zur Wissenschaft. Er studierte die Grundprinzipien der Raketenballistik, schlug ein Schema für einen Flüssigtreibstoff-Raketenmotor vor und etablierte Muster, die die Blindleistung eines Motors bestimmen. Außerdem wurden Schemata von Raumschiffen vorgeschlagen und die Prinzipien der Konstruktion von Raketen, die heute in der Praxis weit verbreitet sind, gegeben. Lange Zeit, bis zu dem Moment, als die Ideen, Formeln und Zeichnungen von Enthusiasten und Wissenschaftlern begannen, sich in Designbüros und in den Werkstätten von Fabriken in Objekte aus "Metall" zu verwandeln, theoretische Grundlage die Raumfahrt ruhte auf drei Säulen: 1) der Theorie der Raumfahrzeugbewegung; 2) Raketentechnologie; 3) die Gesamtheit des astronomischen Wissens über das Universum. In der Folge entstand in den Tiefen der Raumfahrt eine breite Palette neuer wissenschaftlicher und technischer Disziplinen, wie die Theorie der Steuerungssysteme für Weltraumobjekte, die Weltraumnavigation, die Theorie der Kommunikations- und Informationsübertragungssysteme im Weltraum, die Weltraumbiologie und -medizin usw. Nun, da es für uns schwierig ist, uns die Raumfahrt ohne diese Disziplinen vorzustellen, ist es nützlich, sich daran zu erinnern theoretische Basis Die Kosmonautik wurde von K. E. Tsiolkovsky zu einer Zeit gegründet, als nur die ersten Experimente zur Nutzung von Radiowellen durchgeführt wurden und Radio nicht als Kommunikationsmittel im Weltraum angesehen werden konnte.

Viele Jahre lang wurde die Signalisierung mit Hilfe von Sonnenstrahlen, die von Spiegeln an Bord eines interplanetaren Schiffes zur Erde reflektiert wurden, ernsthaft als Kommunikationsmittel in Betracht gezogen. Nun, da wir daran gewöhnt sind, weder von Live-Fernsehübertragungen von der Mondoberfläche noch von Radioaufnahmen, die in der Nähe von Jupiter oder auf der Venusoberfläche aufgenommen wurden, überrascht zu werden, ist dies kaum zu glauben. Daher kann argumentiert werden, dass die Theorie der Weltraumkommunikation trotz ihrer Bedeutung immer noch nicht das Hauptglied in der Kette der Weltraumdisziplinen ist. Als solches Hauptglied dient die Theorie der Bewegung von Weltraumobjekten. Es kann als die Theorie der Raumflüge betrachtet werden. Fachleute, die sich mit dieser Wissenschaft befassen, nennen sie selbst anders: Angewandte Himmelsmechanik, Himmelsballistik, Weltraumballistik, Kosmodynamik, Raumfahrtmechanik, Bewegungstheorie künstlicher Himmelskörper. Alle diese Namen haben die gleiche Bedeutung, genau ausgedrückt durch den letzten Begriff. Kosmodynamik ist somit Teil der Himmelsmechanik - einer Wissenschaft, die die Bewegung aller Himmelskörper untersucht, sowohl natürliche (Sterne, Sonne, Planeten, ihre Satelliten, Kometen, Meteoroide, kosmischer Staub) als auch künstliche (automatische Raumfahrzeuge und bemannte Schiffe). . Aber es gibt etwas, das die Kosmodynamik von der Himmelsmechanik unterscheidet. Die Kosmodynamik, die im Schoß der Himmelsmechanik geboren wurde, verwendet ihre Methoden, passt aber nicht in ihren traditionellen Rahmen.

Der wesentliche Unterschied zwischen der angewandten Himmelsmechanik und der klassischen Mechanik besteht darin, dass letztere sich nicht mit der Wahl der Umlaufbahnen von Himmelskörpern befasst und nicht beschäftigen kann, während erstere damit beschäftigt ist, aus einer Vielzahl möglicher Bahnen auszuwählen, um die eine oder andere zu erreichen Himmelskörper eine definierte Trajektorie, die mehrere, oft widersprüchliche Anforderungen berücksichtigt. Die Hauptanforderung ist die Mindestgeschwindigkeit, auf die das Raumfahrzeug in der ersten aktiven Phase des Fluges beschleunigt, und dementsprechend die Mindestmasse der Trägerrakete oder der orbitalen Oberstufe (beim Start aus der erdnahen Umlaufbahn). Dies gewährleistet die maximale Nutzlast und damit die größte wissenschaftliche Effizienz des Fluges. Berücksichtigt werden auch die Anforderungen an eine einfache Steuerung, Funkkommunikationsbedingungen (z. B. zum Zeitpunkt des Betretens des Planeten während des Fluges), Bedingungen wissenschaftliche Forschung(Landung auf der Tag- oder Nachtseite des Planeten) usw. Die Kosmodynamik bietet den Designern von Weltraumoperationen Methoden für den optimalen Übergang von einer Umlaufbahn zur anderen sowie Methoden zur Korrektur der Flugbahn. In ihrem Blickfeld liegt ein orbitales Manövrieren, das der klassischen Himmelsmechanik unbekannt ist. Die Kosmodynamik ist die Grundlage der allgemeinen Theorie der Raumfahrt (so wie die Aerodynamik die Grundlage der Theorie des Flugs in der Atmosphäre von Flugzeugen, Hubschraubern, Luftschiffen und anderen Luftfahrzeugen ist). Die Kosmodynamik teilt diese Rolle mit der Raketendynamik – der Wissenschaft der Raketenbewegung. Beide Wissenschaften, eng miteinander verflochten, liegen der Weltraumtechnologie zugrunde. Beides sind Abschnitte Theoretische Mechanik, die selbst ein eigener Zweig der Physik ist. Als exakte Wissenschaft bedient sich die Kosmodynamik mathematischer Forschungsmethoden und erfordert ein logisch schlüssiges Darstellungssystem. Nicht umsonst wurden die Grundlagen der Himmelsmechanik nach den großen Entdeckungen von Kopernikus, Galileo und Kepler von genau jenen Wissenschaftlern entwickelt, die den größten Beitrag zur Entwicklung der Mathematik und Mechanik geleistet haben. Dies waren Newton, Euler, Clairaut, D'Alembert, Lagrange, Laplace. Und gegenwärtig hilft die Mathematik, die Probleme der Himmelsballistik zu lösen, und erhält ihrerseits Impulse in ihrer Entwicklung durch die Aufgaben, die ihr die Kosmodynamik stellt.

Klassische Himmelsmechanik war rein theoretische Wissenschaft. Ihre Schlussfolgerungen fanden ausnahmslos Bestätigung in den Daten astronomischer Beobachtungen. Die Kosmodynamik brachte das Experiment in die Himmelsmechanik, und die Himmelsmechanik wurde zum ersten Mal zu einer experimentellen Wissenschaft, in dieser Hinsicht etwa ähnlich einem Zweig der Mechanik wie der Aerodynamik. Die unfreiwillig passive Natur der klassischen Himmelsmechanik wurde durch den aktiven, offensiven Geist der Himmelsballistik ersetzt. Jede neue Errungenschaft der Kosmonautik ist zugleich ein Beweis für die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit der Methoden der Kosmodynamik. Die Kosmodynamik gliedert sich in zwei Teile: die Theorie der Bewegung des Massenmittelpunkts eines Raumfahrzeugs (die Theorie der Raumbahnen) und die Theorie der Bewegung eines Raumfahrzeugs relativ zum Massenmittelpunkt (die Theorie der "Rotationsbewegung").

Raketentriebwerke

Das wichtigste und fast einzige Transportmittel im Weltall ist eine Rakete, die erstmals 1903 von K. E. Tsiolkovsky für diesen Zweck vorgeschlagen wurde. Die Gesetze des Raketenantriebs sind einer der Eckpfeiler der Raumfahrttheorie.

Die Raumfahrt verfügt über ein großes Arsenal an Raketenantriebssystemen, die auf der Nutzung verschiedener Energiearten basieren. Aber in allen Fällen erfüllt der Raketenmotor die gleiche Aufgabe: Auf die eine oder andere Weise stößt er eine bestimmte Masse aus der Rakete aus, deren Vorrat (das sogenannte Arbeitsfluid) innerhalb der Rakete ist. Auf die ausgestoßene Masse wirkt von der Seite der Rakete eine bestimmte Kraft, und nach Newtons drittem Gesetz der Mechanik - dem Gesetz der Gleichheit von Wirkung und Reaktion - wirkt dieselbe Kraft, aber entgegengesetzt gerichtet, von der Seite der Rakete auf die Rakete ausgeworfene Masse. Diese letzte Kraft, die die Rakete antreibt, wird Schub genannt. Es ist intuitiv klar, dass die Schubkraft umso größer sein sollte, je mehr Masse pro Zeiteinheit von der Rakete ausgestoßen wird und je größer die Geschwindigkeit ist, die der ausgestoßenen Masse verliehen werden kann.

Das einfachste Schema des Raketengeräts:

In diesem Stadium der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie gibt es Raketentriebwerke, die auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien basieren.

Thermochemische Raketentriebwerke.

Das Funktionsprinzip von thermochemischen (oder einfach chemischen) Motoren ist nicht kompliziert: Infolge einer chemischen Reaktion (in der Regel einer Verbrennungsreaktion) wird eine große Wärmemenge freigesetzt und die Reaktionsprodukte auf eine hohe Temperatur erhitzt. sich schnell ausdehnen, werden mit hoher Geschwindigkeit aus der Rakete geschleudert. Chemische Motoren gehören zu einer breiteren Klasse von thermischen (Wärmetauscher-) Motoren, bei denen das Ausatmen des Arbeitsmediums als Folge seiner Ausdehnung durch Erwärmung erfolgt. Bei solchen Motoren hängt die Abgasgeschwindigkeit hauptsächlich von der Temperatur der expandierenden Gase und von ihrem durchschnittlichen Molekulargewicht ab: Je höher die Temperatur und je niedriger das Molekulargewicht, desto größer die Abgasgeschwindigkeit. Flüssigtreibstoffraketentriebwerke, Feststoffraketentriebwerke, Luftstrahltriebwerke arbeiten nach diesem Prinzip.

Kernwärmemaschinen.

Das Funktionsprinzip dieser Motoren ist fast dasselbe wie das Funktionsprinzip von Chemiemotoren. Der Unterschied besteht darin, dass das Arbeitsmedium nicht durch seine eigene chemische Energie erwärmt wird, sondern durch die bei der intranuklearen Reaktion freigesetzte „fremde“ Wärme. Nach diesem Prinzip wurden pulsierende Kernwärmemaschinen entwickelt, Kernwärmemaschinen, die auf thermonuklearer Fusion, auf dem radioaktiven Zerfall von Isotopen basieren. Die Gefahr einer radioaktiven Kontamination der Atmosphäre und der Abschluss eines Abkommens über die Einstellung von Atomtests in der Atmosphäre, im Weltraum und unter Wasser führten jedoch zur Einstellung der Finanzierung dieser Projekte.

Wärmekraftmaschinen mit externe Quelle Energie.

Das Funktionsprinzip basiert auf der Energiegewinnung von außen. Nach diesem Prinzip ist eine solarthermische Maschine konzipiert, deren Energiequelle die Sonne ist. Die mit Hilfe von Spiegeln gebündelten Sonnenstrahlen werden zur direkten Erwärmung des Arbeitsmediums genutzt.

Elektrische Raketentriebwerke.

Diese breite Motorenklasse vereint verschiedene Motorentypen, die derzeit sehr intensiv entwickelt werden. Die Beschleunigung des Arbeitsmediums auf eine bestimmte Ausatemgeschwindigkeit erfolgt mittels elektrischer Energie. Energie wird aus einem Atom- oder Solarkraftwerk gewonnen, das sich an Bord eines Raumfahrzeugs befindet (im Prinzip sogar aus einer chemischen Batterie). Die Schemata der entwickelten Elektromotoren sind äußerst vielfältig. Dies sind elektrothermische Motoren, elektrostatische (Ionen-) Motoren, elektromagnetische (Plasma-) Motoren, Elektromotoren mit Ansaugung des Arbeitsmediums aus der oberen Atmosphäre.

Weltraumraketen

Eine moderne Weltraumrakete ist eine komplexe Struktur, die aus Hunderttausenden und Millionen von Teilen besteht, von denen jedes seine vorgesehene Rolle spielt. Aber vom Standpunkt der Mechanik der Raketenbeschleunigung auf die erforderliche Geschwindigkeit kann die gesamte Anfangsmasse der Rakete in zwei Teile geteilt werden: 1) die Masse des Arbeitsfluids und 2) die nach dem Ausstoß verbleibende Endmasse die Arbeitsflüssigkeit. Letzteres wird oft als "trockene" Masse bezeichnet, da das Arbeitsmedium in den meisten Fällen ein flüssiger Brennstoff ist. Die „trockene“ Masse (oder, wenn Sie so wollen, die Masse einer „leeren“ Rakete ohne Arbeitsflüssigkeit) setzt sich aus der Masse der Struktur und der Masse der Nutzlast zusammen. Unter Design versteht man nicht nur die tragende Struktur der Rakete, ihre Hülle usw., sondern auch das Antriebssystem mit all seinen Einheiten, das Steuerungssystem einschließlich der Steuerung, der Navigations- und Kommunikationsausrüstung usw. - mit einem Wort, alles, was den normalen Flug der Rakete gewährleistet. Die Nutzlast besteht aus wissenschaftlicher Ausrüstung, einem Radiotelemetriesystem, dem Körper des Raumfahrzeugs, das in die Umlaufbahn gebracht wird, der Besatzung und dem Lebenserhaltungssystem des Raumfahrzeugs usw. Die Nutzlast ist etwas, ohne das die Rakete einen normalen Flug durchführen kann.

Die Beschleunigung der Rakete wird dadurch begünstigt, dass mit dem Auslaufen des Arbeitsfluids die Masse der Rakete abnimmt, wodurch bei gleichem Schub die Strahlbeschleunigung kontinuierlich zunimmt. Aber leider besteht die Rakete nicht nur aus einer Arbeitsflüssigkeit. Wenn die Arbeitsflüssigkeit ausgeht, belasten die leeren Tanks, überschüssige Teile der Hülle usw. die Rakete mit Eigengewicht, was das Beschleunigen erschwert. An manchen Stellen ist es ratsam, diese Teile von der Rakete zu trennen. Eine auf diese Weise gebaute Rakete wird Verbundrakete genannt. Häufig besteht eine zusammengesetzte Rakete aus unabhängigen Raketenstufen (aus diesem Grund können verschiedene Raketensysteme aus einzelnen Stufen hergestellt werden), die in Reihe geschaltet sind. Es ist aber auch möglich, die Stufen parallel nebeneinander zu schalten. Schließlich gibt es Projekte von zusammengesetzten Raketen, bei denen die letzte Stufe in die vorherige eintritt, die in die vorherige eingeschlossen ist usw.; Gleichzeitig haben die Stufen einen gemeinsamen Motor und sind keine unabhängigen Raketen mehr. Ein wesentlicher Nachteil des letzteren Schemas besteht darin, dass nach der Trennung der verbrauchten Stufe die Strahlbeschleunigung stark ansteigt, da das Triebwerk gleich bleibt, sich der Schub daher nicht ändert und die beschleunigte Masse der Rakete stark abnimmt. Dies erschwert die Genauigkeit der Flugkörperführung und stellt erhöhte Anforderungen an die Festigkeit der Struktur. Wenn die Stufen in Reihe geschaltet werden, hat die neu eingeschaltete Stufe weniger Schub und die Beschleunigung ändert sich nicht abrupt. Während die erste Stufe läuft, können wir die restlichen Stufen zusammen mit der wahren Nutzlast als die Nutzlast der ersten Stufe betrachten. Nach der Trennung der ersten Stufe beginnt die zweite Stufe zu arbeiten, die zusammen mit den nachfolgenden Stufen und der wahren Nutzlast eine eigenständige Rakete („die erste Teilrakete“) bildet. Für die zweite Stufe spielen alle nachfolgenden Stufen zusammen mit der wahren Nutzlast die Rolle ihrer eigenen Nutzlast usw. Jede Teilrakete addiert ihre eigene ideale Geschwindigkeit zu der bereits verfügbaren Geschwindigkeit hinzu und als Ergebnis die endgültige ideale Geschwindigkeit von Eine mehrstufige Rakete ist die Summe der idealen Geschwindigkeiten einzelner Teilraketen.

Die Rakete ist sehr "teuer" Fahrzeug. Trägerraketen von Raumfahrzeugen "transportieren" hauptsächlich den für den Betrieb ihrer Triebwerke notwendigen Treibstoff und ihre eigene Konstruktion, die hauptsächlich aus Treibstoffbehältern und einem Antriebssystem besteht. Die Nutzlast macht nur einen kleinen Teil (1,5-2,0%) der Startmasse der Rakete aus.

Eine Verbundrakete ermöglicht eine rationellere Nutzung von Ressourcen, da im Flug die Stufe, die ihren Treibstoff verbraucht hat, getrennt wird und der Rest des Raketentreibstoffs nicht für die Beschleunigung der Struktur der verbrauchten Stufe verbraucht wird, was unnötig geworden ist Weiterflug.

Raketenoptionen. Von links nach rechts:

1. Einstufige Rakete.
2. Zweistufige Rakete mit Quertrennung.
3. Zweistufiger Flugkörper mit Längstrennung.
4. Rakete mit externen Treibstofftanks, die abnehmbar sind, nachdem der Treibstoff darin erschöpft ist.

Strukturell werden mehrstufige Raketen mit Quer- oder Längstrennung der Stufen hergestellt.

Bei einer Quertrennung werden die Stufen übereinander angeordnet und arbeiten sequentiell nacheinander, wobei sie sich erst nach der Trennung der vorherigen Stufe einschalten. Ein solches Schema ermöglicht es, Systeme mit prinzipiell beliebig vielen Stufen zu erstellen. Ihr Nachteil liegt darin, dass die Ressourcen nachfolgender Stufen nicht für die Arbeit der vorherigen verwendet werden können und für diese eine passive Belastung darstellen.

Bei Längstrennung besteht die erste Stufe aus mehreren identischen Raketen (in der Praxis aus zwei bis acht), die symmetrisch um den Körper der zweiten Stufe angeordnet sind, so dass die Resultierende der Schubkräfte der Triebwerke der ersten Stufe entlang der Achse gerichtet ist der Symmetrie des zweiten und arbeiten gleichzeitig. Ein solches Schema ermöglicht es dem Triebwerk der zweiten Stufe, gleichzeitig mit den Triebwerken der ersten zu arbeiten, wodurch der Gesamtschub erhöht wird, was insbesondere während des Betriebs der ersten Stufe erforderlich ist, wenn die Masse der Rakete maximal ist. Eine Rakete mit einer Längstrennung der Stufen kann jedoch nur zweistufig sein.

Es gibt auch ein kombiniertes Trennschema - Längs-Quer, mit dem Sie die Vorteile beider Schemata kombinieren können, bei denen die erste Stufe in Längsrichtung von der zweiten geteilt wird und die Trennung aller nachfolgenden Stufen quer erfolgt. Ein Beispiel für einen solchen Ansatz ist die heimische Trägerrakete Sojus.

Das einzigartige Schema einer zweistufigen Rakete mit Längstrennung hat Raumschiff Das Space Shuttle, dessen erste Stufe aus zwei seitlichen Festtreibstoff-Boostern besteht, in der zweiten Stufe befindet sich ein Teil des Treibstoffs in den Tanks des Orbiters (eigentlich ein wiederverwendbares Raumschiff), und der größte Teil davon in einem abnehmbaren externen Treibstoff Panzer. Erstens verbraucht das Antriebssystem des Orbiters Treibstoff aus dem externen Tank, und wenn er erschöpft ist, wird der externe Tank entleert und die Triebwerke werden mit dem in den Tanks des Orbiters enthaltenen Treibstoff weiter betrieben. Ein solches Schema macht es möglich, das Antriebssystem des Orbiters, das während des gesamten Starts des Raumfahrzeugs in die Umlaufbahn arbeitet, maximal zu nutzen.

Bei einer Quertrennung sind die Stufen durch spezielle Abschnitte - Adapter - Lagerstrukturen mit zylindrischer oder konischer Form (abhängig vom Verhältnis der Durchmesser der Stufen) miteinander verbunden, von denen jede das multiplizierte Gesamtgewicht aller nachfolgenden Stufen aushalten muss durch den Maximalwert der Überlastung, die die Rakete in allen Abschnitten erfährt, in denen dieser Adapter Teil der Rakete ist. Bei der Längstrennung entstehen Powerbänder (vorne und hinten) am Körper der zweiten Stufe, an denen die Blöcke der ersten Stufe befestigt werden.

Die Elemente, die die Teile einer zusammengesetzten Rakete verbinden, verleihen ihr die Steifigkeit eines einteiligen Körpers, und wenn die Stufen getrennt werden, sollten sie die obere Stufe fast sofort freigeben. Normalerweise werden die Stufen mit Pyrobolzen verbunden. Ein Pyrobolt ist ein Befestigungsbolzen, in dessen Schaft in der Nähe des Kopfes ein Hohlraum entsteht, der mit einem hochexplosiven Sprengstoff mit einem elektrischen Zünder gefüllt ist. Wenn ein Stromimpuls an den elektrischen Zünder angelegt wird, kommt es zu einer Explosion, die den Bolzenschaft zerstört, wodurch sich sein Kopf löst. Die Sprengstoffmenge im Pyrobolt ist sorgfältig dosiert, damit er einerseits garantiert den Kopf abreißt und andererseits die Rakete nicht beschädigt. Beim Trennen der Stufen werden die elektrischen Zünder aller Pyrobolzen, die die getrennten Teile verbinden, gleichzeitig mit einem Stromimpuls versorgt und die Verbindung gelöst.

Als nächstes müssen die Stufen in sicherem Abstand voneinander getrennt werden. (Das Starten des Triebwerks der oberen Stufe in der Nähe des unteren kann seinen Treibstofftank ausbrennen und den verbleibenden Treibstoff explodieren lassen, was die obere Stufe beschädigen oder ihren Flug destabilisieren wird.) In der Leere werden manchmal kleine Feststoffraketen-Hilfsmotoren verwendet.

Bei Flüssigtreibstoffraketen dienen die gleichen Triebwerke auch dazu, den Treibstoff in den Tanks der Oberstufe zu „niederschlagen“: Wenn das Triebwerk der Unterstufe abgeschaltet wird, fliegt die Rakete durch Trägheit im freien Fall, während der flüssige Treibstoff eindringt der Tank hängt, was beim Starten des Motors zum Ausfall führen kann. Hilfsmotoren verleihen den Stufen eine leichte Beschleunigung, unter deren Einfluss sich der Kraftstoff auf den Böden der Tanks "absetzt".

Eine Erhöhung der Stufenzahl wirkt sich nur bis zu einer bestimmten Grenze positiv aus. Je mehr Stufen, desto größer die Gesamtmasse an Adaptern sowie Triebwerken, die nur in einem Flugsegment arbeiten, und irgendwann wird eine weitere Erhöhung der Stufenzahl kontraproduktiv. In der modernen Raketenwissenschaftspraxis werden in der Regel nicht mehr als vier Schritte ausgeführt.

Zuverlässigkeitsaspekte sind auch wichtig, wenn die Anzahl der Schritte gewählt wird. Pyrobolts und Hilfs-Feststoffraketentriebwerke sind Einwegelemente, deren Funktionsfähigkeit vor dem Raketenstart nicht überprüft werden kann. Unterdessen kann der Ausfall nur eines Pyrobolzens zu einem Notabbruch des Raketenfluges führen. Eine Erhöhung der Anzahl nicht funktionsnachweispflichtiger Einwegelemente verringert die Zuverlässigkeit der gesamten Rakete insgesamt. Es zwingt auch Designer, davon abzusehen eine große Anzahl Schritte.

Raumgeschwindigkeiten

Es ist äußerst wichtig zu beachten, dass die Geschwindigkeit, die die Rakete (und damit das gesamte Raumfahrzeug) im aktiven Abschnitt der Bahn entwickelt, d. h. in diesem relativ kurzen Abschnitt, während das Raketentriebwerk läuft, sehr, sehr hoch erreicht werden muss .

Lassen Sie uns unsere Rakete gedanklich im freien Raum platzieren und ihren Motor einschalten. Der Motor erzeugte Schub, die Rakete erhielt eine gewisse Beschleunigung und begann, Geschwindigkeit aufzunehmen, wobei sie sich in einer geraden Linie bewegte (wenn die Schubkraft ihre Richtung nicht ändert). Welche Geschwindigkeit erreicht die Rakete in dem Moment, in dem ihre Masse vom Anfangswert m 0 auf den Endwert m k abnimmt? Wenn wir davon ausgehen, dass die Ausflussgeschwindigkeit w der Substanz aus der Rakete unverändert bleibt (dies wird bei modernen Raketen ziemlich genau beobachtet), dann entwickelt die Rakete eine Geschwindigkeit v, die ausgedrückt wird als Ziolkowskis Formel, die die Geschwindigkeit bestimmt, die das Flugzeug unter dem Einfluss des Schubes des Raketentriebwerks entwickelt, in der Richtung unverändert, in Abwesenheit aller anderen Kräfte:

wobei ln für natürlich steht und log der dezimale Logarithmus ist

Die nach der Tsiolkovsky-Formel berechnete Geschwindigkeit charakterisiert die Energieressourcen der Rakete. Es heißt ideal. Wir sehen, dass die ideale Geschwindigkeit nicht vom zweiten Verbrauch der Masse des arbeitenden Körpers abhängt, sondern nur von der Ausströmgeschwindigkeit w und von der Zahl z = m 0 /m k, Massenverhältnis oder Tsiolkovsky-Zahl genannt.

Es gibt ein Konzept der sogenannten kosmischen Geschwindigkeiten: die erste, zweite und dritte. Die erste kosmische Geschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der ein von der Erde gestarteter Körper (Raumfahrzeug) zu seinem Satelliten werden kann. Wenn wir den Einfluss der Atmosphäre nicht berücksichtigen, beträgt die erste kosmische Geschwindigkeit unmittelbar über dem Meeresspiegel 7,9 km / s und nimmt mit zunehmender Entfernung von der Erde ab. In einer Höhe von 200 km von der Erde entspricht sie 7,78 km/s. In der Praxis wird die erste kosmische Geschwindigkeit mit 8 km/s angenommen.

Um die Schwerkraft der Erde zu überwinden und beispielsweise ein Satellit der Sonne zu werden oder einen anderen Planeten im Sonnensystem zu erreichen, muss ein von der Erde gestarteter Körper (Raumfahrzeug) die zweite als gleich angenommene kosmische Geschwindigkeit erreichen auf 11,2 km/s.

Der Körper (das Raumfahrzeug) muss die dritte kosmische Geschwindigkeit in der Nähe der Erdoberfläche haben, falls es erforderlich ist, dass er die Anziehungskraft der Erde und der Sonne überwinden und das Sonnensystem verlassen kann. Die dritte Fluchtgeschwindigkeit wird mit 16,7 km/s angenommen.

Kosmische Geschwindigkeiten sind enorm in ihrer Bedeutung. Sie sind mehrere zehnmal schneller als die Schallgeschwindigkeit in Luft. Erst daraus wird ersichtlich, vor welch komplexen Aufgaben sich die Raumfahrt stellt.

Warum Raumgeschwindigkeiten so riesig und warum fallen Raumschiffe nicht auf die Erde? Seltsam: die Sonne riesige Kräfte Die Schwerkraft hält die Erde und alle anderen Planeten des Sonnensystems in ihrer Nähe und erlaubt ihnen nicht, in den Weltraum zu fliegen. Es scheint seltsam, dass die Erde den Mond um sich herum hält. Zwischen allen Körpern wirken Gravitationskräfte, aber die Planeten fallen nicht auf die Sonne, weil sie in Bewegung sind, das ist das Geheimnis.

Alles fällt auf die Erde: Regentropfen, Schneeflocken, ein Stein, der von einem Berg fällt, und eine umgestürzte Tasse vom Tisch. Und Luna? Es dreht sich um die Erde. Ohne die Schwerkraft würde er tangential zur Umlaufbahn davonfliegen und bei einem plötzlichen Stillstand auf die Erde fallen. Der Mond weicht aufgrund der Anziehungskraft der Erde ständig von einer geradlinigen Bahn ab und "fällt" sozusagen auf die Erde.

Die Bewegung des Mondes erfolgt entlang eines bestimmten Bogens, und solange die Schwerkraft wirkt, wird der Mond nicht auf die Erde fallen. Genauso ist es mit der Erde - wenn sie anhalten würde, würde sie in die Sonne fallen, aber das wird aus dem gleichen Grund nicht passieren. Zwei Bewegungsarten – eine unter dem Einfluss der Schwerkraft, die andere aufgrund der Trägheit – werden addiert und ergeben im Ergebnis eine krummlinige Bewegung.

Das Gesetz der universellen Gravitation, das das Universum im Gleichgewicht hält, wurde vom englischen Wissenschaftler Isaac Newton entdeckt. Als er seine Entdeckung veröffentlichte, sagten die Leute, er sei verrückt. Das Gravitationsgesetz bestimmt nicht nur die Bewegung des Mondes, der Erde, sondern auch aller Himmelskörper im Sonnensystem sowie künstlicher Satelliten, Orbitalstationen, interplanetarer Raumfahrzeuge.

Keplers Gesetze

Bevor Sie sich mit den Umlaufbahnen von Raumfahrzeugen befassen, betrachten Sie die Keplerschen Gesetze, die sie beschreiben.

Johannes Kepler hatte einen Sinn für Schönheit. Sein ganzes Erwachsenenleben lang versuchte er zu beweisen, dass das Sonnensystem eine Art mystisches Kunstwerk ist. Zunächst versuchte er, sein Gerät mit den fünf regelmäßigen Polyedern der klassischen antiken griechischen Geometrie zu verbinden. (Ein regelmäßiges Polyeder ist eine dreidimensionale Figur, deren Flächen alle gleiche regelmäßige Polygone sind.) Zur Zeit Keplers waren sechs Planeten bekannt, die auf rotierenden „Kristallkugeln“ platziert werden sollten. Kepler argumentierte, dass diese Kugeln so angeordnet sind, dass regelmäßige Polyeder genau zwischen benachbarte Kugeln passen. Zwischen die beiden äußeren Sphären – Saturn und Jupiter – platzierte er einen in die äußere Sphäre eingeschriebenen Würfel, in den wiederum die innere Sphäre eingeschrieben ist; zwischen den Sphären von Jupiter und Mars - ein Tetraeder (regelmäßiges Tetraeder) usw. Sechs Sphären der Planeten, fünf regelmäßige Polyeder, die zwischen ihnen eingeschrieben sind - es scheint, Perfektion selbst?

Nachdem Kepler sein Modell mit den beobachteten Umlaufbahnen der Planeten verglichen hatte, musste er leider zugeben, dass das tatsächliche Verhalten von Himmelskörpern nicht in den von ihm skizzierten harmonischen Rahmen passt. Das einzige erhaltene Ergebnis dieses jugendlichen Impulses von Kepler war ein Modell des Sonnensystems, das der Wissenschaftler selbst angefertigt und seinem Gönner, Herzog Friedrich von Württemberg, als Geschenk überreicht hatte. In diesem wunderschön ausgeführten Metallartefakt sind alle Umlaufkugeln der Planeten und die darin eingeschriebenen regelmäßigen Polyeder hohle Behälter, die nicht miteinander kommunizieren und die an Feiertagen mit verschiedenen Getränken gefüllt werden sollten, um die Gäste des Herzogs zu verwöhnen .

Erst nachdem er nach Prag gezogen und Assistent des berühmten dänischen Astronomen Tycho Brahe geworden war, stieß Kepler auf Ideen, die seinen Namen wirklich in den Annalen der Wissenschaft verewigten. Tycho Brahe sammelte sein ganzes Leben lang Daten aus astronomischen Beobachtungen und sammelte riesige Mengen an Informationen über die Bewegung der Planeten. Nach seinem Tod gingen sie an Kepler über. Diese Aufzeichnungen waren damals übrigens von großem kommerziellem Wert, da sie zur Erstellung aktualisierter astrologischer Horoskope verwendet werden konnten (heute schweigen Wissenschaftler über diesen Abschnitt der frühen Astronomie lieber).

Bei der Verarbeitung der Ergebnisse von Tycho Brahes Beobachtungen stieß Kepler auf ein Problem, das selbst mit modernen Computern manchen unlösbar erscheinen könnte, und Kepler blieb nichts anderes übrig, als alle Berechnungen manuell durchzuführen. Wie die meisten Astronomen seiner Zeit war Kepler natürlich bereits mit dem kopernikanischen heliozentrischen System vertraut und wusste, dass sich die Erde um die Sonne dreht, wie das obige Modell des Sonnensystems zeigt. Aber wie genau drehen sich die Erde und andere Planeten? Stellen wir uns das Problem folgendermaßen vor: Sie befinden sich auf einem Planeten, der sich erstens um seine eigene Achse dreht und zweitens auf einer Ihnen unbekannten Umlaufbahn um die Sonne rotiert. Wenn wir in den Himmel blicken, sehen wir andere Planeten, die sich ebenfalls auf uns unbekannten Umlaufbahnen bewegen. Und die Aufgabe besteht darin, anhand der Beobachtungsdaten unsere Rotation um ihre Achse um die Sonne zu bestimmen der Globus, die Geometrie der Bahnen und die Geschwindigkeiten anderer Planeten. Das ist es, was Kepler am Ende geschafft hat, woraufhin er auf der Grundlage der erhaltenen Ergebnisse seine drei Gesetze abgeleitet hat!

Das erste Gesetz beschreibt die Geometrie der Bahnen von Planetenbahnen: Jeder Planet des Sonnensystems dreht sich um eine Ellipse, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht. Aus dem Schulgeometriekurs - eine Ellipse ist eine Menge von Punkten in einer Ebene, deren Summe der Abstände zu zwei festen Punkten - Brennpunkten - gleich einer Konstanten ist. Oder anders - stellen Sie sich einen Abschnitt der Mantelfläche des Kegels durch eine Ebene vor, die in einem Winkel zu seiner Basis steht und nicht durch die Basis geht - dies ist auch eine Ellipse. Keplers erstes Gesetz besagt lediglich, dass die Bahnen der Planeten Ellipsen sind, in deren einem Brennpunkt sich die Sonne befindet. Die Exzentrizitäten (Elongationsgrad) der Bahnen und ihre Entfernung von der Sonne am Perihel (der sonnennächste Punkt) und am Apohel (am entferntesten Punkt) sind für alle Planeten unterschiedlich, aber alle elliptischen Bahnen haben eines gemeinsam - die Sonne befindet sich in einem der beiden Brennpunkte der Ellipse. Nach der Analyse der Beobachtungsdaten von Tycho Brahe kam Kepler zu dem Schluss, dass Planetenbahnen eine Reihe verschachtelter Ellipsen sind. Vor ihm kam es einfach keinem der Astronomen in den Sinn.

Die historische Bedeutung von Keplers erstem Gesetz kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Vor ihm glaubten Astronomen, dass sich die Planeten ausschließlich auf Kreisbahnen bewegten, und wenn dies nicht in den Rahmen der Beobachtungen passte, wurde die Hauptkreisbewegung durch kleine Kreise ergänzt, die die Planeten um die Punkte der Hauptkreisbahn beschrieben. Dies war in erster Linie eine philosophische Position, eine Art unbestreitbare Tatsache, die keinem Zweifel und keiner Überprüfung unterworfen war. Die Philosophen argumentierten, dass die himmlische Struktur im Gegensatz zur irdischen in ihrer Harmonie perfekt und seither die vollkommenste ist geometrische Formen sind ein Kreis und eine Kugel, was bedeutet, dass sich die Planeten auf einem Kreis bewegen. Die Hauptsache ist, dass Johannes Kepler, nachdem er Zugang zu den umfangreichen Beobachtungsdaten von Tycho Brahe erlangt hatte, dieses philosophische Vorurteil überwinden konnte, da er sah, dass es nicht den Tatsachen entspricht - so wie Kopernikus es wagte, die Erde aus dem Mittelpunkt der Welt zu entfernen Universum, konfrontiert mit Argumenten, die hartnäckigen geozentrischen Vorstellungen widersprechen, die auch im "falschen Verhalten" der Planeten in ihren Umlaufbahnen bestanden.

Das zweite Gesetz beschreibt die Geschwindigkeitsänderung der Planeten um die Sonne: Jeder Planet bewegt sich in einer Ebene, die durch das Zentrum der Sonne verläuft, und für gleiche Zeiträume beschreibt der Radiusvektor, der Sonne und Planet verbindet, gleiche Flächen. Je weiter die elliptische Umlaufbahn den Planeten von der Sonne entfernt, desto langsamer die Bewegung, je näher an der Sonne – desto schneller bewegt sich der Planet. Stellen Sie sich nun zwei Liniensegmente vor, die die beiden Positionen des Planeten in der Umlaufbahn mit dem Brennpunkt der Ellipse verbinden, die die Sonne enthält. Zusammen mit dem dazwischen liegenden Segment der Ellipse bilden sie einen Sektor, dessen Fläche genau die gleiche "Fläche ist, die das Liniensegment abschneidet". Das sagt das zweite Gesetz. Je näher der Planet an der Sonne ist, desto kürzer sind die Segmente. Aber in diesem Fall muss der Planet, damit der Sektor in gleicher Zeit eine gleiche Fläche abdeckt, eine größere Entfernung in der Umlaufbahn zurücklegen, was bedeutet, dass seine Bewegungsgeschwindigkeit zunimmt.

Die ersten beiden Gesetze befassen sich mit den Besonderheiten der Umlaufbahnen eines einzelnen Planeten. Keplers drittes Gesetz ermöglicht es, die Umlaufbahnen der Planeten miteinander zu vergleichen: Die Quadrate der Umlaufzeiten der Planeten um die Sonne verhalten sich wie Kuben der großen Halbachsen der Umlaufbahnen der Planeten. Sie besagt, je weiter ein Planet von der Sonne entfernt ist, desto länger dauert eine vollständige Umdrehung seiner Umlaufbahn und desto länger dauert dementsprechend das „Jahr“ auf diesem Planeten. Heute wissen wir, dass dies auf zwei Faktoren zurückzuführen ist. Erstens, je weiter der Planet von der Sonne entfernt ist, desto länger ist der Umfang seiner Umlaufbahn. Zweitens nimmt mit zunehmender Entfernung von der Sonne auch die lineare Geschwindigkeit des Planeten ab.

In seinen Gesetzen hat Kepler einfach die Tatsachen dargelegt, nachdem er die Ergebnisse der Beobachtungen studiert und verallgemeinert hat. Wenn Sie ihn gefragt hätten, was die Elliptizität der Bahnen oder die Flächengleichheit der Sektoren verursacht, hätte er Ihnen nicht geantwortet. Es folgte einfach aus seiner Analyse. Wenn Sie ihn nach der Umlaufbahn der Planeten in anderen Sternensystemen gefragt hätten, hätte er Ihnen auch keine Antwort geben können. Er müsste wieder von vorne anfangen – Beobachtungsdaten sammeln, sie dann analysieren und versuchen, Muster zu erkennen. Das heißt, er hätte einfach keinen Grund zu der Annahme, dass ein anderes Planetensystem denselben Gesetzen gehorcht wie das Sonnensystem.

Einer der größten Triumphe der klassischen Newtonschen Mechanik besteht gerade darin, dass sie eine fundamentale Rechtfertigung für Keplers Gesetze liefert und ihre Universalität behauptet. Es stellt sich heraus, dass die Keplerschen Gesetze aus den Gesetzen der Newtonschen Mechanik, dem Newtonschen Gesetz der universellen Gravitation und dem Gesetz der Erhaltung des Drehimpulses durch strenge mathematische Berechnungen abgeleitet werden können. Und wenn dem so ist, können wir sicher sein, dass Keplers Gesetze gleichermaßen für jedes Planetensystem überall im Universum gelten. Astronomen, die nach neuen Planetensystemen im Weltraum suchen (und davon gibt es schon einige), verwenden selbstverständlich immer wieder Keplers Gleichungen, um die Parameter der Bahnen entfernter Planeten zu berechnen, obwohl sie nicht beobachten können sie direkt.

Keplers drittes Gesetz spielte und spielt in der modernen Kosmologie eine wichtige Rolle. Bei der Beobachtung entfernter Galaxien registrieren Astrophysiker schwache Signale, die von Wasserstoffatomen ausgesandt werden, die sehr weit vom galaktischen Zentrum entfernt kreisen – viel weiter entfernt, als Sterne normalerweise angeordnet sind. Mithilfe des Dopplereffekts im Spektrum dieser Strahlung bestimmen Wissenschaftler die Rotationsgeschwindigkeiten der Wasserstoffperipherie der galaktischen Scheibe und daraus - die Winkelgeschwindigkeiten von Galaxien insgesamt. Die Arbeiten des Wissenschaftlers, der uns fest auf den Weg zu einem korrekten Verständnis der Struktur unseres Sonnensystems gebracht hat und heute, Jahrhunderte nach seinem Tod, eine so wichtige Rolle bei der Erforschung der Struktur des riesigen Universums spielt.

Umlaufbahnen

Von großer Bedeutung ist die Berechnung von Flugbahnen von Raumfahrzeugen, bei denen das Hauptziel verfolgt werden sollte - maximale Energieeinsparung. Bei der Berechnung der Flugbahn eines Raumfahrzeugs ist es notwendig, den günstigsten Zeitpunkt und möglichst den Startort zu bestimmen, die aerodynamischen Effekte zu berücksichtigen, die sich aus der Wechselwirkung des Raumfahrzeugs mit der Erdatmosphäre bei Start und Ziel ergeben, und vieles mehr.

Viele moderne Raumfahrzeuge, insbesondere solche mit Besatzung, haben relativ kleine Raketentriebwerke an Bord, deren Hauptzweck die notwendige Bahnkorrektur und das Bremsen während der Landung ist. Bei der Berechnung der Flugbahn sind deren mit der Anpassung verbundene Änderungen zu berücksichtigen. Der größte Teil der Flugbahn (eigentlich die gesamte Flugbahn, mit Ausnahme ihres aktiven Teils und der Korrekturperioden) wird bei ausgeschalteten Motoren durchgeführt, aber natürlich unter dem Einfluss der Gravitationsfelder von Himmelskörpern.

Die Flugbahn des Raumfahrzeugs wird Orbit genannt. Während des freien Fluges des Raumfahrzeugs, wenn die an Bord befindlichen Düsentriebwerke ausgeschaltet sind, erfolgt die Bewegung unter dem Einfluss von Gravitationskräften und Trägheit, und die Hauptkraft ist die Anziehungskraft der Erde.

Wenn die Erde streng kugelförmig betrachtet wird und die Wirkung des Gravitationsfeldes der Erde die einzige Kraft ist, dann gehorcht die Bewegung des Raumfahrzeugs den bekannten Gesetzen von Kepler: Sie erfolgt in einer festen (im absoluten Raum) Ebene, die durch den Mittelpunkt verläuft die Erde - die Ebene der Umlaufbahn; die Umlaufbahn hat die Form einer Ellipse oder eines Kreises (ein Sonderfall einer Ellipse).

Umlaufbahnen sind durch eine Reihe von Parametern gekennzeichnet - ein System von Größen, die die Ausrichtung der Umlaufbahn eines Himmelskörpers im Raum, seine Größe und Form sowie die Position auf der Umlaufbahn eines Himmelskörpers zu einem bestimmten Zeitpunkt bestimmen. Die ungestörte Umlaufbahn, auf der sich der Körper gemäß den Keplerschen Gesetzen bewegt, wird bestimmt durch:

1. Bahnneigung (i) zur Bezugsebene; kann Werte von 0° bis 180° annehmen. Die Neigung ist kleiner als 90°, wenn es für einen Beobachter am Nordpol der Ekliptik oder am Nordpol des Himmels so aussieht, als würde sich der Körper gegen den Uhrzeigersinn bewegen, und größer als 90°, wenn sich der Körper in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Bezogen auf das Sonnensystem wird üblicherweise die Ebene der Erdbahn (die Ebene der Ekliptik) als Bezugsebene gewählt, bei künstlichen Satelliten der Erde wird üblicherweise die Ebene des Erdäquators als Bezugsebene gewählt, z Satelliten anderer Planeten des Sonnensystems wird üblicherweise die Ebene des Äquators des entsprechenden Planeten als Bezugsebene gewählt.
2. Längengrad des aufsteigenden Knotens (Ω)- eines der Hauptelemente der Umlaufbahn, das zur mathematischen Beschreibung der Form der Umlaufbahn und ihrer Ausrichtung im Raum verwendet wird. Gibt den Punkt an, an dem die Umlaufbahn die Basisebene in Süd-Nord-Richtung schneidet. Bei Körpern, die sich um die Sonne drehen, ist die Hauptebene die Ekliptik, und der Nullpunkt ist der Erste Punkt des Widders (das Frühlingsäquinoktium).
3. Hauptachse(n) die Hälfte der Hauptachse der Ellipse ist. In der Astronomie charakterisiert sie die durchschnittliche Entfernung eines Himmelskörpers vom Brennpunkt.
4. Exzentrizität- Numerische Charakteristik des Kegelschnitts. Die Exzentrizität ist invariant gegenüber ebenen Bewegungen und Ähnlichkeitstransformationen und charakterisiert die "Kompression" der Umlaufbahn.
5. Periapsis-Argument- ist definiert als der Winkel zwischen den Richtungen vom Anziehungszentrum zum aufsteigenden Knoten der Umlaufbahn und zur Periapsis (dem Punkt der Umlaufbahn des Satelliten, der dem Anziehungszentrum am nächsten liegt) oder als Winkel zwischen der Knotenlinie und der Linie von Apsiden. Es wird vom anziehenden Zentrum in Richtung der Satellitenbewegung gezählt, normalerweise zwischen 0° und 360° gewählt. Um die aufsteigenden und absteigenden Knoten zu bestimmen, wird eine bestimmte (sogenannte Basis-) Ebene gewählt, die das anziehende Zentrum enthält. Als Basis verwenden sie normalerweise die Ebene der Ekliptik (die Bewegung von Planeten, Kometen, Asteroiden um die Sonne), die Ebene des Äquators des Planeten (die Bewegung von Satelliten um den Planeten) usw.
6. Durchschnittliche Anomalie für einen Körper, der sich auf einer ungestörten Umlaufbahn bewegt - das Produkt aus seiner durchschnittlichen Bewegung und dem Zeitintervall nach dem Passieren der Periapsis. Somit ist die mittlere Anomalie der Winkelabstand von der Periapsis eines hypothetischen Körpers, der sich mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gleich der mittleren Bewegung bewegt.

Es gibt verschiedene Arten von Umlaufbahnen - äquatoriale (Neigung "i" = 0°), polare (Neigung "i" = 90°), sonnensynchrone Umlaufbahnen (Umlaufbahnparameter sind so, dass der Satellit jeden Punkt auf der Erdoberfläche überfliegt ungefähr die gleiche lokale Sonnenzeit), niedrige Umlaufbahn (Höhen von 160 km bis 2000 km), mittlere Umlaufbahn (Höhen von 2000 km bis 35786 km), geostationär (Höhe 35786 km), hohe Umlaufbahn (Höhen über 35786 km). ).