Ajuda na Tele2, tarifas, dúvidas

Metodologia para 4 aulas
"Fundamentos da astronáutica"

O objetivo da aula: a formação de conhecimento sobre os fundamentos teóricos e práticos da astronáutica.

Objetivos de aprendizado:

Educação geral: a formação de conceitos:

Sobre os pré-requisitos teóricos e práticos, tarefas e métodos de investigação espacial;
- sobre a ligação da astronáutica com a astronomia, a física e outras ciências naturais e matemáticas e com a tecnologia;
- sobre meios de astronáutica - veículos voadores espaciais (SV);
- sobre os principais tipos de motores de foguete a jato (motores de foguete de combustível sólido, motores de foguete de combustível líquido, ERE, YARD);
- sobre as trajetórias, velocidades e características do movimento da nave espacial, características da navegação interplanetária e interestelar.

Educacional: a formação da visão de mundo científica dos alunos no curso de familiarização com a história do conhecimento humano. Educação Patriótica ao se familiarizar com o papel destacado da ciência e tecnologia russas no desenvolvimento da cosmonáutica. O ensino politécnico e o ensino do trabalho na apresentação de informação sobre a aplicação prática da astronáutica.

Desenvolvimento: a formação de habilidades para resolver problemas para a aplicação das leis de movimento de corpos cósmicos, fórmulas de Tsiolkovsky e velocidades espaciais para descrever o movimento de naves espaciais.

Os alunos devem conhecer:

Sobre cosmonáutica (tema, tarefa e métodos de pesquisa cosmonáutica, sua conexão com outras ciências);
- sobre meios de astronáutica: os principais tipos de naves espaciais, seu design e características;
- sobre os principais tipos de motores de foguete, seu design e características
- Fórmula de Tsiolkovsky, fórmulas e valores de I, II, III velocidades cósmicas (para a Terra);
- sobre as trajetórias de voo das naves espaciais e a relação entre a forma de suas órbitas e a velocidade do movimento.

Os alunos devem ser capaz de: resolver problemas sobre a aplicação da fórmula de Tsiolkovsky e as leis do movimento dos corpos cósmicos para calcular as características do movimento das naves espaciais.

Recursos visuais e demonstrações:

Tiras de filme: "Elementos da mecânica do voo espacial".
Filmes: "Satélites artificiais da Terra"; "Vôos espaciais".
mesas: "Vôos espaciais"; "Pesquisa Espacial".
Dispositivos e ferramentas: um dispositivo para demonstrar o movimento de satélites.

Trabalho de casa:

1) Estude o material dos livros didáticos:
- BA. Vorontsov-Velyaminova: §§ 14(4), 16(4).
- E.P. Levitano: §§ 7-11 (revisão).
- AV Zasova, E. V. Kononovich: § onze; exercícios 11 (3, 4)

2) Complete tarefas da coleção de tarefas Vorontsov-Velyaminov B.A. : 174; 179; 180; 186.

3) Preparar relatórios e mensagens para a lição "História da astronáutica".

Plano de aula

Estágios da lição		Métodos de apresentação	Tempo, min
	Atualização do tema da aula	História
	Formação de conceitos sobre pré-requisitos teóricos e práticos, tarefas e métodos de pesquisa cosmonáutica	Palestra	7-10
	Formação de conceitos sobre os meios da astronáutica e os principais tipos de motores de foguetes	Palestra	10-12
	Formação de conceitos sobre trajetórias, velocidades e características de movimento de naves espaciais, características de navegação interplanetária e interestelar	Palestra	10-12
	Solução de problemas
	Resumir o material abordado, resumir a lição, lição de casa

Método de apresentação do material

Esta lição é melhor feita na forma de uma palestra, durante a qual a sistematização, generalização e desenvolvimento do conhecimento astronáutico "pré-científico" dos alunos e informações sobre astronáutica e propulsão a jato, estudados por eles em história natural, ciências naturais e física cursos para todo o período de escolaridade. Os autores do manual se propõem a nos limitar à análise de questões sobre órbitas e velocidades de satélites, voos de naves espaciais para a Lua e as trajetórias mais simples de voos interplanetários. Consideramos necessário complementar e ampliar esse material, teorizá-lo de tal forma que, como resultado do treinamento, o aluno adquira uma compreensão holística dos fundamentos teóricos e práticos da astronáutica. A apresentação do material deve ser baseada em material previamente estudado em física (os fundamentos da mecânica clássica: leis de Newton, lei da gravitação universal, lei da conservação do momento, propulsão a jato) e astronomia (astrometria e mecânica celeste: leis de Kepler , informações sobre velocidades cósmicas, órbitas de corpos cósmicos e perturbações ). O aspecto patriótico da educação é realizado ao focar a atenção dos alunos nas conquistas da ciência e tecnologia domésticas, a contribuição dos cientistas russos para o surgimento, formação e desenvolvimento da ciência de foguetes e astronáutica. Detalhes históricos devem ser evitados e deixados para uma sessão posterior.

Cosmonáutica - voos no espaço sideral; um conjunto de ramos da ciência e tecnologia que fornecem pesquisa e desenvolvimento do espaço exterior e objetos espaciais e seus sistemas usando várias naves espaciais (SCV): foguetes, satélites artificiais da Terra (AES), estações interplanetárias automáticas (AMS), naves espaciais (SC), tripulado ou controlado a partir do solo.

A base teórica da astronáutica é formada por:

1. Astronomia (astrometria, mecânica celeste e astrofísica).

2. Teoria dos voos espaciais - cosmodinâmica - a parte aplicada da mecânica celeste, investigando trajetórias de voo, parâmetros de órbitas de naves espaciais, etc.

3. Tecnologia de foguetes, fornecendo uma solução para problemas científicos e técnicos de criação de foguetes espaciais, motores, sistemas de controle, comunicações e transferência de informações, equipamentos científicos, etc.

4. Biologia espacial e medicina.

O principal e até hoje o único meio de transporte no espaço sideral é o foguete. As leis do movimento do foguete são derivadas com base nas leis da mecânica clássica: cinemática e dinâmica (lei de Newton II, lei da conservação do momento, etc.).

A fórmula de K. E. Tsiolkovsky descreve o movimento de um foguete no espaço sideral sem levar em conta a influência das condições externas e caracteriza os recursos energéticos do foguete:

, - número de Tsiolkovsky, Onde m 0 - inicial, m k é a massa final do foguete, w é a velocidade da massa ejetada em relação ao foguete (velocidade do jato), g- aceleração da gravidade.

Arroz. 73

Veículo de lançamento (LV) - um míssil balístico de vários estágios para lançamento de carga útil no espaço (ISZ, AMS, KK, etc.). Os transportadores de foguetes são geralmente foguetes de 2-4 estágios, que fornecem a velocidade espacial da carga útil I - II (Fig. 73).

Motor de foguete (RD) - um motor a jato projetado para foguetes e não usa o ambiente para operação. No RD, não apenas a energia fornecida ao motor (química, solar, nuclear, etc.) a forma de uma reação do jato do fluido de trabalho que flui para fora do motor. Assim, o RD é, por assim dizer, uma combinação do próprio motor e da hélice.

O impulso específico do RD é determinado pela fórmula: .

Atualmente, apenas os RDs químicos encontraram ampla aplicação.

O motor de foguete de propelente sólido (SRM) tem sido usado por cerca de 2.000 anos - amplamente na artilharia de foguetes e de forma limitada na astronáutica. A faixa de empuxo de motores de foguete de propelente sólido varia de gramas a centenas de toneladas (para motores de foguete potentes). Combustível na forma de cargas (no início - pólvora negra, com final do XIX século - pó sem fumaça, de meados do século XX - composições especiais) é completamente colocado na câmara de combustão. Após a partida, a combustão geralmente continua até que o combustível queime completamente; a mudança no empuxo não é regulada. É o mais simples em design e operação, mas tem várias desvantagens: baixo empuxo específico, lançamento único, etc. É instalado em alguns veículos lançadores dos EUA ("Scout", "Tor", "Titan"), França e Japão. Também é utilizado como sistema de freio, resgate, corretivo, etc. (Fig. 74).

Motor de foguete de propelente líquido (LPRE) - um motor de foguete movido a combustível de foguete líquido. Proposto por K. E. Tsiolkovsky em 1903. O principal motor da tecnologia espacial moderna. Impulso de frações de um grama para centenas de toneladas. De acordo com sua finalidade, os motores de foguete são divididos em principais (marcha), freio, corretivo, etc. Os seguintes são usados ​​​​como combustível: de oxidantes - oxigênio líquido, tetróxido de nitrogênio, peróxido de hidrogênio; de combustíveis - querosene, hidrazina, amônia líquida, hidrogênio líquido. A combinação mais promissora de hidrogênio líquido e oxigênio (LV "Energy") (Fig. 75).

Para aumentar o impulso específico, o uso da energia nuclear é promissor. Amostras experimentais de motores de foguetes nucleares ( JARDIM) foram desenvolvidos desde meados dos anos 60 na URSS e nos EUA. Atualmente, a Rússia é o único estado que tem um NRE em marcha (Fig. 76).

O desenvolvimento continua taxiways elétricos(ERD) - eletrotérmico, eletromagnético, iônico. Os primeiros modelos experimentais de propulsão elétrica foram criados na URSS em 1929-30; Atualmente, os EREs são usados ​​como motores de orientação para naves espaciais na Rússia e nos Estados Unidos. O motor de íons de marcha está instalado no AMS, lançado no final dos anos 90. nos EUA (Fig. 77).

Do ponto de vista da mecânica do voo espacial, as pistas de táxi são divididas em:

1. Sistemas de propulsão com velocidade de exaustão limitada w » 3 - 30 km/s, determinada pela temperatura do jato mais alta (química, nuclear, etc.). Eles operam por um curto período de tempo (minutos, segundos) na atmosfera e aspiram pequenas partes ativas da trajetória de voo (centenas de quilômetros).

2. Sistemas de potência limitada com uma fonte de energia separada, da qual depende a sua eficiência (elétrica, etc.).

3. Sistemas com empuxo limitado (vela e radioisótopo).

Nas fases ativas do voo, o movimento da espaçonave depende do funcionamento de seus motores; nas partes passivas das trajetórias, o movimento da espaçonave é afetado pelas forças de atração dos corpos cósmicos, a pressão da luz e do vento solar, e nas camadas superiores da atmosfera - por forças de atrito aerodinâmico.

As principais características do movimento passivo da espaçonave podem ser determinadas resolvendo o problema de 2 corpos.

No campo gravitacional central de corpos cósmicos massivos, as naves espaciais se movem ao longo das órbitas Keplerianas e:

1. A trajetória da espaçonave é retilínea no caso em que sua velocidade inicial u 0 = 0 e a espaçonave cai uniformemente acelerada em direção ao centro de gravidade.

2. A espaçonave se move ao longo de trajetórias elípticas quando a velocidade inicial é direcionada em um ângulo em relação ao centro de atração, em . Em órbitas elípticas ao redor da Terra, seus satélites, naves espaciais modernas e estações orbitais, bem como AMS, girando em torno dos planetas que estudam, se movem.

3. Ao longo de trajetórias parabólicas para u 0 = u II , quando a velocidade final da espaçonave em um ponto infinitamente distante no espaço é igual a zero.

4. Ao longo de trajetórias hiperbólicas (u 0 > u II), quase indistinguíveis das retilíneas a grande distância do centro de atração.

As trajetórias dos voos interplanetários diferem em forma, duração do voo, custos de energia e outros fatores, dependendo da finalidade e das características do voo espacial. É interessante notar que as naves espaciais quase nunca se movem em linha reta: suas trajetórias (exceto em alguns casos idealizados) são segmentos de curvas de segunda ordem (círculo, elipse, parábola e hipérbole) conectando as órbitas dos corpos cósmicos ou dos corpos eles mesmos.

Existem 3 segmentos passivos das trajetórias dos voos interplanetários: 1) dentro da "esfera de ação" da Terra, na qual o movimento da espaçonave é determinado apenas pela força da gravidade terrestre; 2) do limite da esfera de ação da Terra até o limite da esfera de ação do corpo cósmico - o objetivo do vôo, o mais longo e o mais longo, no qual o movimento da espaçonave é determinado pela atração de o sol; 3) dentro do escopo do corpo cósmico - o propósito do vôo.

Já foi observado acima que para sair da esfera de influência da Terra, a espaçonave deve ter uma velocidade u > u II; . A velocidade adicional que uma espaçonave em órbita de um satélite artificial deve adquirir para sair da esfera de ação da Terra é chamada de velocidade de saída u dentro. , Onde r- distância do corpo cósmico, R dÅ - raio da esfera de ação da Terra ( R dÅ = 925.000 km).

Ao lançar uma nave espacial da superfície da Terra, é necessário levar em consideração:

1) a velocidade e direção da rotação da Terra em torno de seu eixo;
2) a velocidade e direção da rotação da Terra em torno do Sol (u Å = 29,785 km/s).

O lançamento de satélites que giram na direção oposta à direção de rotação da Terra em torno de seu eixo, exigindo grandes custos de energia, é muito complicado; é mais difícil lançar uma espaçonave ao longo de uma trajetória que não esteja no plano da eclíptica.

Se a velocidade de saída coincide na direção com a velocidade da Terra v Å, a órbita da espaçonave, com exceção do periélio, fica fora da órbita da Terra (Fig. 79c).
Com a direção oposta da velocidade u dentro a órbita da espaçonave, com exceção do afélio, fica dentro da órbita da Terra (Fig. 79a).
Com a mesma diretividade e igualdade de velocidades u dentro= u Å a órbita SC se torna reta, ao longo da qual o SC cairá no Sol por cerca de 64 dias (Fig. 79d).
Para você dentro= 0 a órbita SC coincide com a órbita da Terra (Fig. 79b).

Quanto maior a velocidade u dentro espaçonave, maior a excentricidade de sua órbita elíptica. Por cálculos relativamente simples, o valor é determinado v em, necessário para que o periélio ou afélio das órbitas da espaçonave fique na órbita dos planetas externos ou internos, .

As trajetórias de voo da espaçonave, tocando simultaneamente as órbitas da Terra e os corpos espaciais - os alvos do voo interplanetário, são chamadas de Trajetórias de Hohmann(em homenagem ao cientista alemão W. Homann que os calculou).

Para planetas externos: . Para planetas internos: , Onde ré a distância média de um corpo planetário ao Sol.

A duração do voo ao longo da trajetória de Hohmann é calculada pela fórmula: dia solar médio.

Ao calcular a trajetória de um voo interplanetário ao longo das trajetórias de Hohmann, é necessário levar em consideração a posição relativa (configuração inicial) da Terra, do Sol e do planeta alvo, as características e características do movimento dos planetas em suas órbitas . Por exemplo, um voo para Marte ao longo da trajetória Hohmann mais curta levará apenas 69,9 d , para Júpiter - 1,11 anos, para Plutão - 19,33 anos. No entanto, a posição mútua ideal real da Terra, do Sol e desses planetas ocorre extremamente raramente e, para reduzir o tempo de voo, é necessário aumentar u dentro, o que requer um consumo de energia adicional. Portanto, entre outras razões, os voos tripulados para os planetas do sistema solar são muito mais caros e mais difíceis do que o estudo desses planetas com a ajuda do AMS, que pode voar para seus alvos nas trajetórias mais econômicas por anos. Levando em conta o efeito das perturbações dos planetas e do Sol, AMS e naves espaciais devem ter motores para corrigir a trajetória do movimento.

Ao atingir a esfera de ação do planeta alvo, para entrar em uma órbita elíptica ou circular ao seu redor, a espaçonave deve reduzir a velocidade para um valor menor que II espaço para este planeta.

Na navegação interplanetária, a manobra da espaçonave no campo gravitacional dos planetas é amplamente utilizada. sistema solar.

Ao se mover no campo gravitacional central de um corpo cósmico massivo, a espaçonave é afetada pela força de atração desse corpo, que altera a velocidade e a direção do movimento da espaçonave. A direção e magnitude da aceleração da espaçonave dependem de quão perto a espaçonave voa do corpo cósmico e do ângulo j entre as direções de entrada e saída da espaçonave na esfera de ação deste corpo.

A velocidade da espaçonave muda por:

A espaçonave adquire a maior aceleração ao se mover ao longo de uma trajetória passando a uma distância mínima do corpo espacial, se a velocidade da espaçonave entrando na esfera de ação for igual a I velocidade espacial u I na superfície desse corpo, enquanto .

Ao voar ao redor da Lua, uma espaçonave pode aumentar sua velocidade em 1,68 km / s, ao voar ao redor de Vênus - em 7,328 km / s, ao voar ao redor de Júpiter - em 42,73 km / s. A velocidade de saída da espaçonave da esfera de ação do planeta pode ser significativamente aumentada ligando os motores no momento da passagem do periapsis.

Na fig. 80-81 são dadas algumas trajetórias calculadas de voos interplanetários.

Astronáutica- um ramo da astronáutica que estuda os problemas dos voos interestelares. Atualmente, ele estuda principalmente problemas teóricos da mecânica do voo, já que a ciência moderna não possui informações para resolver as questões técnicas de alcançar as estrelas.

Para um voo interestelar, a espaçonave deve ir além da esfera de ação do Sol, igual a 9 × 10 12 km. As distâncias interestelares são enormes: até a estrela mais próxima 270.000 UA; existem apenas cerca de 50 estrelas dentro de uma esfera circunscrita ao redor do Sol com um raio de 10 pc.

Atualmente, as espaçonaves Pioneer 10 e -11 e Voyager 1 e -2 fizeram um voo fora do sistema solar, que será removido a uma distância de 1 ano-luz em milhares de anos.

Tipos de pistas de táxi existentes e até promissores não são adequados ou de pouca utilidade para voos interestelares, pois não podem fornecer aceleração de espaçonaves a velocidades acima de 0,1 da velocidade da luz com .

Os únicos voos teoricamente possíveis para as estrelas mais próximas são voos "one-way" de sondas interestelares automáticas (AMZ) ou voos tripulados com o objetivo de colonizar planetas adequados com uma tripulação em estado de "morte reversível" (hibernação) ou com um mudança de gerações dentro do navio, o que exige a resolução de muitos problemas, apenas técnicos, mas também problemas éticos, psicológicos, biológicos (a tripulação nunca mais voltará à Terra; terá que passar a maior parte de sua vida ou mesmo toda a vida com uma mudança de gerações dentro da nave; é necessário criar um ecossistema de espaçonaves completamente fechado, etc.); antes mesmo do início, as observações astronômicas terrestres devem dar garantias da existência de planetas terrestres com condições adequadas para a vida perto da estrela - alvo do voo (caso contrário, o voo perde o sentido).

O "sonho azul" da astronáutica moderna é um RD quântico (fóton) teoricamente ideal com w = c - o único adequado para voos interestelares dentro da Galáxia (Fig. 78).

O movimento de corpos físicos com velocidades próximas à velocidade da luz são considerados na teoria da relatividade geral (GR), que estuda os padrões espaço-temporais de quaisquer processos físicos.

No quadro da relatividade geral, a fórmula de Tsiolkovsky é generalizada e assume a forma: ,

Onde z- Número de Tsiolkovsky, m 0 - inicial, m 1 - a massa final da espaçonave, u 1 - a velocidade final da espaçonave no referencial da Terra, w - a velocidade da corrente de jato em relação à nave.

Mesmo uma nave estelar de fótons não pode atingir a velocidade da luz para w = c , na medida em que: .

Voar a uma velocidade maior que a velocidade da luz, de acordo com a ciência moderna, é impossível para qualquer objeto material. No entanto (teoricamente) uma nave pode viajar a uma velocidade próxima à da luz, .

As opções de voo interestelar são:

1. Voo em 3 etapas: aceleração da espaçonave até a velocidade máxima; voo por inércia com os motores desligados; desaceleração até a velocidade zero.
2. Voo em 2 etapas com aceleração constante: a primeira metade do caminho da nave aumenta a velocidade com aceleração g ~ gÅ\u003d 10 m / s 2 e, em seguida, começa a frear com a mesma aceleração.

De acordo com as disposições básicas da relatividade geral para um observador a bordo de uma espaçonave, ao se aproximar da velocidade da luz, todos os processos físicos diminuirão por um fator de 1, e as distâncias ao longo da direção do movimento da espaçonave diminuirão pelo mesmo fator: espaço e tempo, por assim dizer, "comprimir". No referencial da nave, ela estará imóvel, e em relação à Terra e ao alvo de voo ela se moverá com uma velocidade u £ c.

O tempo de voo adequado (nave) e o tempo independente decorrido desde o momento do lançamento na Terra são calculados usando diferentes fórmulas: , Onde e - funções de cosseno hiperbólico e seno hiperbólico, r- distância ao alvo do voo.

Com aceleração contínua g\u003d 10 m / s 2 vôo para estrelar um Centauri levará 3,6 anos de acordo com os relógios da nave, 4,5 anos de acordo com os relógios terrestres; o vôo para o centro da Galáxia será feito de acordo com o relógio da nave T para= 19,72 anos, terrestre T Å= 27.000 anos; um voo para a galáxia M31 ("Nebulosa de Andrômeda"), a mais próxima das galáxias espirais, levará, respectivamente, T para= 28 anos e T Å= 3,5 milhões de anos!

Tal é o pagamento por voos interestelares de acordo com o "paradoxo dos gêmeos": os astronautas que circularam metade da Galáxia e envelheceram por décadas retornarão à Terra milhares e milhões de anos após o início. Além dos problemas puramente éticos dos alienígenas do passado distante que retornaram, de fato, de um "voo de ida" para o mundo do futuro, há um problema importante do valor das informações fornecidas pelos astronautas: durante o voo, a ciência na Terra não fica parada!

Os problemas energéticos dos voos interestelares são muito importantes: se a energia de cerca de 8,4 × 10 0,2 com a energia necessária é de 10 15 kWh - toda a energia gerada pelas usinas da Terra em 10 anos. Um aumento na velocidade de até 0,4 s implica um aumento no consumo de energia em 16 vezes com 100% de eficiência do motor! As reservas de combustível para RD termonuclear serão mais de 99% da massa da espaçonave. Para sintetizar antimatéria para um único vôo de uma nave fotônica, é necessária uma quantidade de energia tal que a ciência moderna não pode indicar sua fonte nos limites do sistema solar.

Assim, de acordo com as leis da física no atual nível de desenvolvimento da civilização da Terra, os voos interestelares tripulados são praticamente impossíveis. Estudos de estrelas próximas por AMS interestelar não tripulado são bem possíveis (atualmente, projetos estão sendo desenvolvidos nos Estados Unidos e na Rússia para lançar AMS para Proxima Centauri, Estrela de Barnard e alguns outros objetos em meados do século XXI). Tendo várias dezenas de toneladas de massa de carga útil, o AMZ acelerará a uma velocidade de 0,1-0,2 com motores de foguetes solares, radioisótopos ou termonucleares, o tempo de voo será de dezenas ou mesmo centenas de anos.

O material estudado é fixado no decorrer da resolução de problemas:

Exercício 10:

1. Por que é mais fácil lançar uma espaçonave para Plutão do que para o Sol?

2. É possível que uma situação, amada na ficção científica dos anos 60, quando uma espaçonave com um motor defeituoso seja atraída e caia no Sol?

3. Onde e por que é mais lucrativo localizar portos espaciais: nos pólos ou no equador da Terra?

4. Determine a velocidade da nave espacial deixando o sistema solar. Quanto tempo ele voará até a estrela mais próxima?

5. Por que a ausência de peso se instala dentro da espaçonave na parte passiva da trajetória de voo?

6. Qual é a velocidade do AMS girando em uma órbita circular em torno de Júpiter a uma distância: a) 2000 km; b) 10.000 km do planeta?

7. Desenhe no desenho a configuração da Terra, do Sol e de Marte, considerando suas órbitas circulares, durante o voo dos AMS soviéticos "Mars-2" e "Mars-3", que chegaram a Marte em 21/11/1971 e 02/12/1971 após 192 e 188 dias de vôo, se a oposição dos planetas ocorreu em 10 de agosto de 1971.

Segundo V. V. Radzievsky, a atenção de professores e alunos deve ser chamada para "a enorme importância prática da astronomia em conexão com a exploração ativa do espaço sideral, o papel da astronáutica na resolução de problemas ambientais de poluição ambiental (transferência de empresas poluentes atmosféricas para o espaço, emissão de resíduos de produção nocivos no espaço, perspectivas demográficas) ... É necessário fortalecer os elementos da astronáutica no próprio programa, introduzir questões: a lei da conservação da energia no problema de 2 corpos (conclusão elementar) ...

Nos anos 60-80, as escolas da União Soviética ensinavam curso opcional INFERNO. Marlensky "Fundamentos da Cosmonáutica" (IX grau, 70 horas de treinamento, 2 horas por semana) . Informações sobre sua estrutura, conteúdo e planejamento de aulas podem ser úteis para um professor moderno de física e astronomia utilizar o material relevante nas aulas de física e astronomia (especialmente nas aulas de física e matemática) e atividades extracurriculares:

1) História da astronáutica(2 horas) (Os primeiros projetos fantásticos de voo espacial. K.E. Tsiolkovsky - o fundador da cosmonáutica científica. As principais etapas do desenvolvimento da tecnologia de foguetes. O lançamento do primeiro satélite soviético e o início da era espacial. Voo espacial tripulado) .

2) Movimento e disposição de foguetes(4 horas) (O princípio da operação do foguete. O conceito da mecânica dos corpos de massa variável. A fórmula de Tsiolkovsky. As principais partes e características numéricas de um foguete de estágio único. Foguetes multiestágio. Motores de foguete e combustíveis). Comece repetindo a lei da conservação do momento; contando com ele para analisar uma ejeção de massa de um único pulso de um foguete. Considere uma série de ejeções sucessivas e mostre que a velocidade líquida de um foguete em ejeções unidirecionais é igual à soma das velocidades que ele recebe em cada ejeção de massa. Relate a fórmula de Tsiolkovsky (sem uma derivação detalhada, mas com uma análise detalhada sentido físico e resolução de problemas relacionados). Considere o movimento de um foguete do ponto de vista das leis da dinâmica, dependendo da força reativa. Demonstre experimentalmente o surgimento de uma força reativa usando exemplos de jatos de água e mostre como a força de empuxo pode ser alterada (é fornecido um diagrama da instalação). Familiarizar os alunos com as características numéricas dos veículos lançadores de estágio único e multiestágio. Ofereça (em casa) para desenvolver projetos de mísseis com características diferentes, desmontar em próxima lição. O trabalho do RD está sendo estudado em em termos gerais. São considerados os esquemas de seu projeto, alimentação de combustível e gráficos de mudanças nas características (velocidade, temperatura e pressão dos produtos de combustão ao longo do eixo do RD). Preste atenção aos dados básicos de RD e combustível de foguete em comparação com motores térmicos e combustível de transporte terrestre. É útil para demonstrar modelos funcionais de foguetes.

3) Movimento livre de um foguete em um campo gravitacional(8 horas) (Campo gravitacional central. Problema de 2 corpos. A lei da conservação da energia mecânica ao mover-se em um campo gravitacional. Parâmetro gravitacional. A fórmula para a velocidade de um corpo movendo-se em uma órbita elíptica. Trajetórias de movimento em uma campo gravitacional (órbitas de Kepler) Leis de Kepler Velocidade circular, velocidade de liberação, excesso de velocidade hiperbólico O conceito de movimento perturbado Escopo de ação. Repita a lei da gravitação universal em relação a 2 pontos materiais e analise detalhadamente sua fórmula; indicam a possibilidade de representar corpos cósmicos massivos na forma de pontos materiais. Forma-se uma ideia sobre o campo gravitacional como um campo de forças centrais e suas características: aceleração de queda livre (permite determinar os efeitos de força do campo central sobre corpos introduzidos em pontos diferentes campos) e potenciais (para determinar os custos de energia para vários movimentos de corpos neste campo). Justifique a escolha do valor zero do potencial gravitacional para pontos infinitamente distantes, neste caso, os potenciais gravitacionais de todos os corpos cósmicos são contados a partir do nível zero e podem ser facilmente comparados. Comparando os potenciais gravitacionais de pontos na superfície dos planetas, pode-se julgar a quantidade de trabalho para remover um corpo de um determinado ponto até o infinito (introdução do conceito de velocidade cósmica II). A solução do problema de 2 corpos é baseada nas leis de conservação de energia e momento angular (é necessário formar o conceito da lei de conservação do momento angular com base na demonstração do banco de Zhukovsky, a definição do conceito de momento angular e uma série de experimentos)

4) Propulsão de um foguete sob a influência do empuxo(6 h.) (Introdução da espaçonave em órbita. Perdas de velocidade. Velocidades características iniciais e totais. Controle da espaçonave. Correções de trajetória. Forças G em vôo. O conceito de navegação espacial. Navegação inercial, astro e rádio. Orientação e estabilização da espaçonave). 5) Satélites terrestres artificiais(8 horas) (órbitas AES. Perturbação de órbitas causada pela não esfericidade da Terra, arrasto atmosférico, atração da Lua e do Sol. Movimento de um AES em relação à superfície da Terra. Lançamento de um AES em órbita. Manobras multipulso . Encontro em órbita. Órbitas de espera. Transições de Hohmann. Acoplamento. 6) Voos para a Lua e planetas(8 horas) (Trajetórias de voos para a Lua. Satélites artificiais da Lua. Aterrissagem na Lua. Trajetórias de voo para os planetas. Trajetórias ótimas. Janelas de lançamento. Correções de trajetória. planetas, uso da atmosfera para pouso, corredor de entrada, aterragens duras e suaves). 7) Condições de voo espacial(2 horas) (Risco de radiação. Perigo de meteoros. Métodos de proteção. Suporte de vida em espaçonaves. Psicologia espacial. Ritmo de vida em espaçonaves. Influência da falta de peso e sobrecarga no corpo). oito) Uso científico e prático da astronáutica(6 horas) (Sucessos da URSS no uso do espaço. Equipamento científico de satélites artificiais, naves espaciais e AMS. Pesquisa da Terra, espaço próximo à Terra, Lua, planetas, espaço interplanetário por meio da astronáutica. Uso prático de astronáutica: em geodésia, meteorologia, para navegação, comunicações, exploração de recursos terrestres). nove) Perspectivas para a astronáutica(2 horas) (Projetos para novos voos espaciais no sistema solar. Projetos para a exploração da Lua e dos planetas. Possibilidade de voos interestelares). 10 horas de trabalho prático (incluindo observações astronômicas).

<< Предыдущая наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача
Veja também: Todas as publicações sobre o mesmo tema >>

Introdução.

A humanidade sempre sonhou em viajar para o espaço. Vários meios para atingir esse objetivo foram oferecidos por escritores - ficção científica, cientistas, sonhadores. Mas por muitos séculos, nem um único cientista, nem um único escritor de ficção científica poderia inventar o único meio à disposição do homem, com a ajuda do qual é possível superar a força da gravidade e voar para o espaço. Por exemplo, o herói da história do escritor francês Cyrano de Bergerac, escrita no século XVII, chegou à lua jogando um forte ímã sobre a carroça de ferro em que ele próprio estava. O carrinho subiu cada vez mais alto acima da Terra, atraído pelo ímã, até chegar à Lua, o Barão Munchausen disse que subiu até a Lua pelo pé de feijão.

Pela primeira vez, o sonho e as aspirações de muitas pessoas puderam pela primeira vez ser aproximados da realidade pelo cientista russo Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857-1935), que mostrou que o único dispositivo capaz de vencer a gravidade é um foguete, ele apresentou pela primeira vez a prova científica da possibilidade de usar um foguete para voar para o espaço sideral, além da atmosfera terrestre e para outros planetas do sistema solar. Tsoilkovsky chamou um foguete de um aparelho com um motor a jato que usa o combustível e o oxidante nele.

Um motor a jato é um motor capaz de converter a energia química do combustível em energia cinética de um jato de gás e, ao mesmo tempo, ganhar velocidade na direção oposta.

Em que princípios e leis físicas se baseia a ação de um motor a jato?

Como você sabe do curso de física, um tiro de uma arma é acompanhado de recuo. De acordo com as leis de Newton, uma bala e uma arma se espalhariam em direções diferentes com a mesma velocidade se tivessem a mesma massa. A massa de gases descartada cria uma força reativa, devido à qual o movimento pode ser garantido tanto no ar quanto no espaço sem ar, é assim que ocorre o recuo. Quanto maior a força de recuo que nosso ombro sente, maior a massa e a velocidade dos gases que saem e, consequentemente, quanto mais forte a reação da arma, maior a força reativa. Esses fenômenos são explicados pela lei da conservação do momento:

• a soma vetorial (geométrica) dos impulsos dos corpos que compõem um sistema fechado permanece constante para quaisquer movimentos e interações dos corpos do sistema.

A velocidade máxima que um foguete pode desenvolver é calculada usando a fórmula de Tsiolkovsky:

, Onde

v max é a velocidade máxima do foguete,

v 0 - velocidade inicial,

v r é a velocidade de saída dos gases do bocal,

m é a massa inicial de combustível,

M é a massa do foguete vazio.

A fórmula apresentada de Tsiolkovsky é a base sobre a qual se baseia todo o cálculo dos mísseis modernos. O número de Tsiolkovsky é a razão entre a massa de combustível e a massa do foguete no final da operação do motor - com o peso de um foguete vazio.

Assim, verificou-se que a velocidade máxima alcançável do foguete depende principalmente da velocidade de escoamento dos gases do bocal. E a velocidade dos gases de escape do bico, por sua vez, depende do tipo de combustível e da temperatura do jato de gás. Assim, quanto maior a temperatura, mais velocidade. Então, para um foguete real, você precisa escolher o combustível mais calórico que fornece a maior quantidade de calor. A fórmula mostra que, entre outras coisas, a velocidade de um foguete depende da massa inicial e final do foguete, em que parte de seu peso cai no combustível e em que parte - em estruturas inúteis (em termos de velocidade de vôo): corpo, mecanismos, etc. d.

A principal conclusão desta fórmula de Tsiolkovsky para determinar a velocidade de um foguete espacial é que no espaço sem ar o foguete se desenvolverá quanto maior a velocidade, maior a velocidade do fluxo de gases e maior o número de Tsiolkovsky.

Dispositivo Míssil balístico.

Imaginemos em termos gerais um míssil moderno de ultralongo alcance.

Tal foguete deve ser multi-nível. Uma carga de combate é colocada na parte da cabeça, atrás dela estão dispositivos de controle, tanques e um motor. O peso de lançamento do foguete excede o peso da carga útil em 100-200 vezes, dependendo do combustível! Assim, um foguete real deve pesar várias centenas de toneladas e, em comprimento, deve atingir pelo menos a altura de um prédio de dez andares. Uma série de requisitos são impostos ao projeto do foguete. Assim, é necessário, por exemplo, que a força de empuxo passe pelo centro de gravidade do foguete. O míssil pode desviar-se do curso pretendido ou até mesmo começar a girar se as condições indicadas não forem atendidas.

Fig.1 A estrutura interna do foguete.

Você pode restaurar o curso correto com a ajuda de lemes. No ar rarefeito, os lemes de gás funcionam, desviando a direção do jato de gás, proposto por Tsiolkovsky. Os lemes aerodinâmicos funcionam quando o foguete está voando no ar denso.

Os mísseis balísticos modernos são predominantemente movidos por motores de propelente líquido. Querosene, álcool, hidrazina, anilina são geralmente usados ​​como combustível, e ácidos nítrico e perclórico, oxigênio líquido e peróxido de hidrogênio são usados ​​como agentes oxidantes. Os oxidantes mais ativos são o flúor e o ozônio líquido, mas raramente são usados ​​devido à sua extrema explosividade.

O motor é o elemento mais importante de um foguete. O elemento mais importante do motor é a câmara de combustão e o bico. Nas câmaras de combustão, devido ao fato de a temperatura de combustão do combustível atingir 2500-3500 O C, materiais particularmente resistentes ao calor e métodos de resfriamento sofisticados devem ser usados. Tais temperaturas não podem suportar materiais comuns.

Outras unidades também são muito complexas. Por exemplo, as bombas que devem fornecer o oxidante e combustível aos injetores da câmara de combustão, já no foguete V-2, um dos primeiros, eram capazes de bombear 125 kg de combustível por segundo.

Em alguns casos, ao invés de cilindros convencionais, são utilizados cilindros com ar comprimido ou algum outro gás que pode deslocar o combustível dos tanques e conduzi-lo para a câmara de combustão.

Os lemes de gás têm que ser feitos de grafite ou cerâmica, por isso são muito frágeis e quebradiços, então os designers modernos estão começando a abandonar o uso de lemes de gás, substituindo-os por vários bicos adicionais ou girando o bico mais importante. De fato, no início do vôo, com alta densidade do ar, a velocidade do foguete é baixa, então os lemes controlam mal e onde o foguete adquire alta velocidade, a densidade do ar é baixa.

No foguete americano, construído de acordo com o projeto Avangard, o motor é suspenso por dobradiças e pode ser desviado por 5-7 O. A potência de cada estágio seguinte e o tempo de sua ação são menores, pois cada estágio do foguete opera em condições completamente diferentes, que determinam sua estrutura e, portanto, o projeto do próprio foguete pode ser mais simples.

Um míssil balístico é lançado de um dispositivo de lançamento especial. Normalmente é um mastro de metal a céu aberto ou mesmo uma torre, perto da qual o foguete é montado peça por peça com guindastes. As seções de tal torre estão localizadas em frente às escotilhas de inspeção necessárias para verificação e depuração de equipamentos. A torre recua quando o foguete é reabastecido.

O foguete é lançado verticalmente e então começa a se inclinar lentamente e logo descreve uma trajetória quase estritamente elíptica. A maior parte da trajetória de voo desses mísseis fica a uma altitude de mais de 1.000 km acima da Terra, onde praticamente não há resistência do ar. Aproximando-se do alvo, a atmosfera começa a desacelerar drasticamente o movimento do foguete, enquanto seu casco fica muito quente e, se medidas não forem tomadas, o foguete pode entrar em colapso e sua carga pode explodir prematuramente.

A descrição apresentada de um míssil balístico intercontinental está desatualizada e corresponde ao nível de desenvolvimento da ciência e tecnologia na década de 60, mas, devido ao acesso limitado a materiais científicos modernos, não é possível dar uma descrição precisa do funcionamento de um moderno míssil balístico intercontinental de longo alcance. Apesar disso, o trabalho destacou as propriedades gerais inerentes a todos os foguetes. O trabalho também pode ser de interesse para conhecer a história do desenvolvimento e uso dos mísseis descritos.

Deryabin V. M. Leis de conservação em física. – M.: Iluminismo, 1982.

Gelfer Ya. M. Leis de conservação. – M.: Nauka, 1967.

Corpo K. Mundo sem formas. – M.: Mir, 1976.

Enciclopédia infantil. - M.: Editora da Academia de Ciências da URSS, 1959.

O texto é uma entrevista de A.L. Chizhevsky com K.E. Tsiolkovsky. Citado a partir da publicação original na revista "Chemistry and Life" (nº 1, 1977).

Eu sou o mais puro materialista. Não reconheço nada além da matéria.

K. E. Tsiolkovsky

A humanidade é imortal.

K. E. Tsiolkovsky

... Uma vez, tendo entrado na sala, encontrei K.E. Tsiolkovsky em profunda reflexão. Ele estava com uma blusa clara, com a gola desabotoada, e estava sentado em sua cadeira, entrando profundamente nela. Ele não percebeu imediatamente que eu subi as escadas e me aproximei dele.

“Eu interferi,” passou pela minha cabeça. Mas Konstantin Eduardovich estendeu a mão para mim e disse:

Sente-se, Alexander Leonidovich. Este sou eu pensando em vão em coisas que não podem ser explicadas...

Nós dissemos olá e eu sentei um ao lado do outro em uma cadeira.

Como é - inexplicável? Eu perguntei. - Que tipo de milagres? Parece-me que tudo o que existe no mundo é passível de explicação.

Claro, do ponto de vista humano. Para isso ele recebeu um cérebro, embora imperfeito, especialmente em alguns ...

Não, Alexander Leonidovich, isso não é inteiramente verdade. O cérebro, é verdade, pode penetrar em muitas coisas, mas não em tudo, longe de tudo... Também há limites para isso...

Então os antigos sabiam, - notei, - nossa ignorância é enorme, mas sabemos muito pouco.

Não, esta é uma questão de uma categoria completamente diferente. Esta questão em si não pode ser colocada, pois é a questão de todas as questões...

Ou seja? não te entendo…

Muito simples. Há perguntas às quais podemos responder - se não exatas, mas satisfatórias para os dias de hoje. Há perguntas sobre as quais podemos falar, discutir, argumentar, discordar, mas há perguntas que não podemos fazer nem aos outros, nem a nós mesmos, mas certamente nos fazemos nos momentos de maior compreensão do mundo. Essas perguntas são: por que tudo isso? Se nos fizermos uma pergunta desse tipo, não somos apenas animais, mas pessoas com um cérebro em que não há apenas reflexos de Sechenov e baba pavloviana, mas outra coisa, algo completamente diferente de reflexos ou baba ... , concentrada no cérebro humano, de algumas maneiras especiais, independentemente dos mecanismos primitivos de Sechenov e Pavlov? Em outras palavras, não há elementos de pensamento e consciência na matéria cerebral, desenvolvidos ao longo de milhões de anos e livres de aparelhos reflexos, mesmo os mais complexos? pergunta desse tipo, então você escapou do vício tradicional e subiu em alturas infinitas: por que tudo isso - por que a matéria, as plantas, os animais, o homem e seu cérebro - também importam - exigindo uma resposta à pergunta: por que tudo isso? Por que existe o mundo, o Universo, o Cosmos? Pelo que? Pelo que?

A matéria é um único existente, independentemente de seu movimento ou movimento no espaço. Estou falando de movimento externo, como o movimento da minha mão com o aparelho auditivo, ou o movimento da Terra em sua órbita. Este movimento não determina a matéria e pode ser desprezado. O conhecimento profundo da estrutura da matéria ainda não está disponível para nós. Mas haverá um ponto de virada quando a humanidade se aproximar desse conhecimento "esotérico". Então chegará perto da pergunta: por quê? Mas para isso, bilhões de anos da era espacial devem passar...

Muitas pessoas pensam que estou ocupado com o foguete e preocupado com seu destino por causa do próprio foguete. Este seria o erro mais profundo. Foguetes para mim são apenas um meio, apenas um método de penetrar nas profundezas do espaço, mas de modo algum um fim em si mesmo. As pessoas que não cresceram para tal compreensão das coisas falam sobre o que não existe, o que me torna uma espécie de técnico unilateral, e não um pensador. Infelizmente, muitos que falam ou escrevem sobre um foguete pensa assim. Não discuto que é muito importante ter foguetes, porque eles ajudarão a humanidade a se espalhar pelo espaço mundial. E por causa deste reassentamento, estou ocupado. Haverá uma maneira diferente de se mover no espaço - eu também a aceitarei... A questão toda está no reassentamento da Terra e no assentamento do Cosmos. Devemos ir em direção, por assim dizer, à filosofia cósmica! Infelizmente, nossos filósofos não pensam sobre isso. E outra pessoa, se não filósofos, deveria ter lidado com essa questão. Mas eles não querem, ou não entendem o grande significado da questão, ou simplesmente estão com medo. E isso é possível! Imagine um filósofo que tem medo! Demócrito, que é um covarde! Impensável!

Dirigíveis, foguetes, a segunda lei da termodinâmica - esse é o negócio do nosso dia, mas à noite vivemos uma vida diferente, se nos fizermos essa maldita pergunta. Diz-se que fazer tal pergunta é simplesmente inútil, prejudicial e não científico. Dizem que é até criminoso. Eu concordo com esta interpretação... Bem, se ele, esta pergunta, ainda é feita... O que fazer então? Retirar-se, enterrar-se em travesseiros, intoxicar-se, cegar-se? E é perguntado não apenas aqui na sala de Tsiolkovsky, mas algumas cabeças estão cheias disso, saturadas com isso - e por mais de um século, nem um milênio ... Esta pergunta não requer laboratórios, estandes ou academias atenienses . Ninguém resolveu: nem a ciência, nem a religião, nem a filosofia. Ele está diante da humanidade - enorme, sem limites, como o mundo inteiro, e grita: por quê? porque? Outros - compreensivos - são simplesmente silenciosos.

Sim, sim, eu disse. - Não há resposta para esta pergunta. Mas talvez você, Konstantin Eduardovich, tenha inventado algo?

Tsiolkovsky estava zangado. A trompa auditiva veio em suas mãos.

Vem com? Como você pergunta? Não, Alexander Leonidovich, você não pode dizer isso. Este professor, como todos os pequeninos deste mundo, - e Konstantin Eduardovich apontou para o peito, - nada pode responder a esta pergunta... Nada além de alguns palpites, talvez confiáveis!

Em primeiro lugar, para responder a qualquer pergunta, você precisa formulá-la claramente - eu disse.

Bem, seja o que for. Posso formular esta pergunta, mas ainda não está claro: uma pessoa pode verdadeiro e preciso formulá-lo. Eu não sei disso, embora eu gostaria de saber, é claro. A questão se resume à mesma coisa: por que e por que esse mundo existe e, claro, todos nós, ou seja, a essência da matéria. Esta pergunta é simples, mas a quem podemos fazê-la? Para nós mesmos? Mas é inútil! Milhares de filósofos, cientistas, figuras religiosas por vários milênios, de uma forma ou de outra, tentaram resolvê-lo, mas finalmente o reconheceram como insolúvel. Esse fato não facilitou para quem se faz essa pergunta. Ele ainda sofre, sofre por causa de sua ignorância, algumas pessoas até dizem que uma pergunta desse tipo é “não científica” (entenda isso: não científica!), porque ninguém, nem das pessoas mais inteligentes, pode responder. Só eles, esses pessoas mais inteligentes, não explicou por que não é científico. Pensei assim: qualquer pergunta pode ser científica se for respondida mais cedo ou mais tarde. “Não científico” refere-se a todas aquelas questões que permanecem sem resposta. Mas o homem resolve gradualmente alguns enigmas desse tipo. Por exemplo, em cem ou mil anos descobriremos como o átomo está organizado, embora seja improvável que descubramos o que é “eletricidade”, da qual todos os átomos, toda a matéria, isto é, todo o mundo, espaço, etc., então a ciência por muitos milênios resolverá a questão do que é "eletricidade". Isso significa que, por mais que a ciência tente, a natureza o tempo todo lhe impõe novas e novas tarefas da maior complexidade! Ao resolver a questão do átomo ou da eletricidade, surgirá uma nova questão sobre algo incompreensível para a mente humana... E assim por diante. Acontece que ou uma pessoa não cresceu para resolver esses problemas, ou a natureza é astuta com ela, com medo dela, para que ela não saiba mais do que o exigido pela carta. E também não sabemos nada que valha a pena sobre este estatuto. Novamente, "escuro nas nuvens". Então uma coisa se apega à outra, mas na realidade estamos diante de um muro impenetrável de incerteza.

Você apenas leu o início do artigo de K.E. Tsiolkovsky.

Leitura feliz!

§ 1. Características das trajetórias de voo humano
§ 2. Vôo direto Terra - Lua - Terra (a primeira versão da expedição lunar)
§ 3. Encontro no espaço e instalação da nave (segunda versão da expedição lunar)
§ 4. Separação e encontro em órbita lunar (a terceira versão da expedição lunar)
§ 5. Expedições no âmbito do programa Apollo
§ 6. Sistema espacial de transporte lunar
§ 7. Navios de carga lunares com baixo empuxo
§ 8. Estação orbital circunlunar
§ 9. Perspectivas para o uso da lua

Parte Quatro
VOOS INTERPLANETÁRIOS

Capítulo 13 Voos interplanetários com alto empuxo
§ 1. Principais características do voo interplanetário
§ 2. Movimento dentro da esfera de ação da Terra
§ 3. Movimento heliocêntrico fora da esfera de influência da Terra
§ 4. Hohmann e voos parabólicos
§ 5. Movimento dentro do escopo do planeta alvo
§ 6. Manobra de perturbação interplanetária
§ 7. Satélites artificiais de planetas
§ 8. Perturbações de trajetórias interplanetárias
§ 9. Correção de trajetórias interplanetárias

Capítulo 14 Voos interplanetários com baixo empuxo
§ 1. Trajetórias de alcançar os planetas
§ 2. Voos para as órbitas dos satélites artificiais dos planetas
§ 3. Vela solar
§ 4. Desenvolvimento de naves espaciais com motores de baixo empuxo

G lava 15. Sondagem do espaço interplanetário
§ 1. Órbitas de pulso único de planetas artificiais
§ 2. Voos fora do plano da eclíptica
§ 3. Girando o plano da órbita com a ajuda de um sistema de propulsão elétrica solar
§ 4. Órbitas de dois momentos de planetas artificiais
§ 5. Passagem pelo infinito
§ 6. Trazendo um planeta artificial ao ponto de libração
§ 7. Significado científico dos planetas artificiais

Capítulo 16 Voos para Marte
§ 1. Trajetórias no caso de modelo simplificado de órbitas planetárias
§ 2. Influência da excentricidade e inclinação da órbita de Marte
§ 3. Condições geográficas para o lançamento a Marte
§ 4. Pouso em Marte
§ 5. Satélites artificiais de Marte
§ 6. Voos para os satélites de Marte - Fobos e Deimos
§ 7. Sobrevoo de Marte com retorno à Terra
§ 8. Estações automáticas exploram Marte
§ 9. Resultados da exploração de Marte

G lava 17. Voos para Vênus
§ 1. Alcançando Vênus
§ 2. Pouso e satélite artificial de Vênus
§ 3. Sobrevoo de Vênus
§ 4. Estações automáticas exploram Vênus
§ 5. Resultados da pesquisa em Vênus

Capítulo 18 Voos para Mercúrio
§ 1. Alcançando Mercúrio
§ 2. Pouso e satélite artificial de Mercúrio
§ 3. Voo para Mercúrio com um sobrevoo associado de Vênus
§ 4. Voo com propulsão solar-elétrica
§ 5. Resultados das investigações de Mercúrio

Capítulo 19
§ 1. Planetas que não são como os nossos
§ 2. Voos diretos
§ 3. Voos para Júpiter e Saturno através dos planetas terrestres
§ 4. Manobras de perturbação nas esferas de ação dos planetas do grupo Júpiter
§ 5. Através de Júpiter - para o Sol e longe do plano da eclíptica
§ 6. Satélite artificial de Júpiter
§ 7. Satélites artificiais de outros planetas do grupo Júpiter
§ 8. Pousos em satélites naturais
§ 9. Sondagem das atmosferas dos planetas jovianos. Desembarque em Plutão
§ 10. Voos com baixo empuxo
§ 11. Explorações de Júpiter e Saturno
§ 12. Resultados da pesquisa nos sistemas de Júpiter e Saturno

Capítulo 20 Voando para asteróides
§ 1. Sobrevoo de um asteróide
§ 2. Encontro com um asteróide
§ 3. Entrada em órbita ao redor de um asteroide
§ 4. Aterrissar em um asteroide e retornar à Terra

Capítulo 21 Voando para os cometas
§ 1. Voos de pulso
§ 2. Voos com baixo empuxo
§ 3. Operações próximas ao núcleo de um cometa

Capítulo 22 Expedições interplanetárias
§ 1. São apenas adiados
§ 2. Características das expedições interplanetárias
§ 3. Descida à Terra ao retornar de uma expedição
§ 4. Sobrevoos tripulados ininterruptos de planetas
§ 5. Expedições com escalas em voos diretos simétricos
§ 6. Expedições com trajetórias de retorno não simétricas às trajetórias de chegada
§ 7. Operações em órbitas circumplanetárias, trajetórias de sobrevoo e superfícies
§ 8. Expedições a asteróides
§ 9. Uso de navios com baixo empuxo
§ 10. Um pouco sobre o futuro

A palavra cosmos é sinônimo da palavra universo. Muitas vezes, o espaço é convencionalmente dividido em espaço próximo, que pode ser explorado atualmente com a ajuda de satélites artificiais da Terra, naves espaciais, estações interplanetárias e outros meios, e espaço distante - todo o resto, incomensuravelmente maior. Na verdade, o espaço próximo refere-se ao sistema solar, e o espaço distante refere-se às vastas extensões de estrelas e galáxias.

O significado literal da palavra "cosmonautics", que é uma combinação de dois palavras gregas- "nadar no universo." No uso comum, esta palavra significa uma combinação de vários ramos da ciência e tecnologia que garantem a exploração e exploração do espaço sideral e dos corpos celestes com a ajuda de naves espaciais - satélites artificiais, estações automáticas para diversos fins, naves tripuladas.

A cosmonáutica, ou, como às vezes é chamada, astronáutica, combina voos para o espaço sideral, um conjunto de ramos da ciência e tecnologia que servem para explorar e usar o espaço sideral no interesse das necessidades da humanidade usando vários meios espaciais. 4 de outubro de 1957 é considerado o início da era espacial da humanidade - a data em que o primeiro satélite artificial da Terra foi lançado na União Soviética.

A teoria dos voos espaciais, que era um sonho antigo da humanidade, tornou-se uma ciência como resultado dos trabalhos fundamentais do grande cientista russo Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Ele estudou os princípios básicos da balística de foguetes, propôs um esquema para um motor de foguete de combustível líquido e estabeleceu padrões que determinam a potência reativa de um motor. Além disso, esquemas de naves espaciais foram propostos e os princípios de projeto de foguetes que agora são amplamente utilizados na prática foram dados. Por muito tempo, até o momento em que as ideias, fórmulas e desenhos de entusiastas e cientistas começaram a se transformar em objetos feitos "em metal" nos escritórios de design e nas oficinas das fábricas, fundamentação teórica a astronáutica se apoiava em três pilares: 1) a teoria do movimento da espaçonave; 2) tecnologia de foguetes; 3) a totalidade do conhecimento astronômico sobre o Universo. Posteriormente, uma ampla gama de novas disciplinas científicas e técnicas nasceu nas profundezas da astronáutica, como a teoria dos sistemas de controle para objetos espaciais, navegação espacial, teoria da comunicação espacial e sistemas de transmissão de informações, biologia espacial e medicina, etc. Agora, quando nos é difícil imaginar a astronáutica sem essas disciplinas, é útil lembrar que base teórica a cosmonáutica foi fundada por K. E. Tsiolkovsky em uma época em que apenas os primeiros experimentos estavam sendo feitos sobre o uso de ondas de rádio e o rádio não podia ser considerado um meio de comunicação no espaço.

Por muitos anos, a sinalização com a ajuda de raios de luz solar refletidos em direção à Terra por espelhos a bordo de uma nave interplanetária foi seriamente considerada um meio de comunicação. Agora, quando estamos acostumados a não ser surpreendidos pela cobertura televisiva ao vivo da superfície da Lua ou por fotografias de rádio tiradas perto de Júpiter ou na superfície de Vênus, isso é difícil de acreditar. Portanto, pode-se argumentar que a teoria das comunicações espaciais, apesar de toda a sua importância, ainda não é o principal elo da cadeia das disciplinas espaciais. A teoria do movimento de objetos espaciais serve como um elo principal. Pode ser considerada a teoria dos voos espaciais. Os próprios especialistas envolvidos nessa ciência a chamam de maneira diferente: mecânica celeste aplicada, balística celeste, balística espacial, cosmodinâmica, mecânica de vôo espacial, teoria do movimento de corpos celestes artificiais. Todos esses nomes têm o mesmo significado, expresso exatamente pelo último termo. A cosmodinâmica, portanto, faz parte da mecânica celeste - ciência que estuda o movimento de quaisquer corpos celestes, tanto naturais (estrelas, o Sol, planetas, seus satélites, cometas, meteoróides, poeira cósmica) quanto artificiais (naves espaciais automáticas e naves tripuladas) . Mas há algo que distingue a cosmodinâmica da mecânica celeste. Nascida no seio da mecânica celeste, a cosmodinâmica utiliza seus métodos, mas não se enquadra em seu arcabouço tradicional.

A diferença essencial entre a mecânica celeste aplicada e a mecânica clássica é que a última não está e não pode ser engajada na escolha das órbitas dos corpos celestes, enquanto a primeira está engajada na seleção de um grande número de trajetórias possíveis para alcançar uma ou outra. corpo celestial uma trajetória definida que leva em consideração vários requisitos, muitas vezes conflitantes. O principal requisito é a velocidade mínima para a qual a espaçonave acelera na fase ativa inicial do voo e, consequentemente, a massa mínima do veículo lançador ou estágio orbital superior (ao partir da órbita próxima à Terra). Isso garante a carga útil máxima e, portanto, a maior eficiência científica do voo. Também são levados em consideração os requisitos de facilidade de controle, condições de comunicação de rádio (por exemplo, no momento em que a estação entra no planeta durante seu voo), condições pesquisa científica(pousando no lado diurno ou noturno do planeta), etc. A cosmodinâmica fornece aos projetistas de operações espaciais métodos para a transição ideal de uma órbita para outra, métodos para corrigir a trajetória. Em seu campo de visão há uma manobra orbital desconhecida da mecânica celeste clássica. A cosmodinâmica é a base da teoria geral do voo espacial (assim como a aerodinâmica é a base da teoria do voo na atmosfera de aviões, helicópteros, aeronaves e outras aeronaves). A cosmodinâmica compartilha esse papel com a dinâmica de foguetes - a ciência do movimento de foguetes. Ambas as ciências, intimamente interligadas, fundamentam a tecnologia espacial. Ambos são seções mecânica teórica, que em si é um ramo separado da física. Sendo uma ciência exata, a cosmodinâmica usa métodos de pesquisa matemática e requer um sistema de apresentação logicamente coerente. Não é à toa que os fundamentos da mecânica celeste foram desenvolvidos após as grandes descobertas de Copérnico, Galileu e Kepler precisamente por aqueles cientistas que deram a maior contribuição para o desenvolvimento da matemática e da mecânica. Estes eram Newton, Euler, Clairaut, D'Alembert, Lagrange, Laplace. E atualmente, a matemática ajuda a resolver os problemas da balística celeste e, por sua vez, recebe um impulso em seu desenvolvimento graças às tarefas que a cosmodinâmica lhe propõe.

A mecânica celeste clássica era puramente ciência teórica. Suas conclusões encontraram confirmação invariável nos dados de observações astronômicas. A cosmodinâmica trouxe o experimento para a mecânica celeste, e a mecânica celeste pela primeira vez se transformou em uma ciência experimental, semelhante a esse respeito, digamos, a um ramo da mecânica como a aerodinâmica. A natureza involuntariamente passiva da mecânica celeste clássica foi substituída pelo espírito ativo e ofensivo da balística celeste. Cada nova conquista da astronáutica é, ao mesmo tempo, evidência da eficiência e precisão dos métodos da cosmodinâmica. A cosmodinâmica é dividida em duas partes: a teoria do movimento do centro de massa de uma espaçonave (a teoria das trajetórias espaciais) e a teoria do movimento de uma espaçonave em relação ao centro de massa (a teoria do "movimento rotacional").

motores de foguete

O principal e quase único meio de transporte no espaço mundial é um foguete, que foi proposto pela primeira vez para esse fim em 1903 por K. E. Tsiolkovsky. As leis da propulsão de foguetes são uma das pedras angulares da teoria do voo espacial.

A astronáutica possui um grande arsenal de sistemas de propulsão de foguetes baseados no uso de vários tipos de energia. Mas em todos os casos, o motor do foguete realiza a mesma tarefa: de uma forma ou de outra, ejeta uma certa massa do foguete, cujo estoque (o chamado fluido de trabalho) está dentro do foguete. Uma certa força atua sobre a massa ejetada do lado do foguete e, de acordo com a terceira lei da mecânica de Newton - a lei da igualdade de ação e reação - a mesma força, mas com direção oposta, atua no foguete a partir da massa ejetada. Essa força final que impulsiona o foguete é chamada de empuxo. É intuitivamente claro que a força de empuxo deve ser tanto maior quanto maior a massa por unidade de tempo ejetada do foguete e maior a velocidade que pode ser transmitida à massa ejetada.

O esquema mais simples do dispositivo de foguete:

Nesta fase do desenvolvimento da ciência e da tecnologia, existem motores de foguete baseados em diferentes princípios de operação.

Motores de foguete termoquímicos.

O princípio de operação dos motores termoquímicos (ou simplesmente químicos) não é complicado: como resultado de uma reação química (geralmente uma reação de combustão), uma grande quantidade de calor é liberada e os produtos da reação são aquecidos a alta temperatura, expandindo-se rapidamente, são ejetados do foguete em alta velocidade. Os motores químicos pertencem a uma classe mais ampla de motores térmicos (troca de calor), nos quais a expiração do fluido de trabalho é realizada como resultado de sua expansão por aquecimento. Para esses motores, a velocidade de exaustão depende principalmente da temperatura dos gases em expansão e de seu peso molecular médio: quanto maior a temperatura e menor o peso molecular, maior a velocidade de exaustão. Motores de foguete de propelente líquido, motores de foguete de propelente sólido, motores de jato de ar funcionam com este princípio.

Motores térmicos nucleares.

O princípio de operação desses motores é quase o mesmo que o princípio de operação dos motores químicos. A diferença está no fato de que o fluido de trabalho é aquecido não devido à sua própria energia química, mas devido ao calor "estranho" liberado durante a reação intranuclear. De acordo com este princípio, foram projetados motores térmicos nucleares pulsantes, motores térmicos nucleares baseados em fusão termonuclear, no decaimento radioativo de isótopos. No entanto, o perigo de contaminação radioativa da atmosfera e a conclusão de um acordo sobre a cessação dos testes nucleares na atmosfera, no espaço e debaixo d'água, levaram ao término do financiamento dos projetos mencionados.

Motores térmicos com fonte externa energia.

O princípio do seu funcionamento baseia-se na obtenção de energia do exterior. De acordo com este princípio, um motor solar térmico é projetado, cuja fonte de energia é o Sol. Os raios do sol concentrados com a ajuda de espelhos são usados ​​para aquecimento direto do fluido de trabalho.

Motores de foguete elétricos.

Esta ampla classe de motores reúne vários tipos de motores que atualmente estão sendo desenvolvidos de forma muito intensa. A aceleração do fluido de trabalho a uma certa velocidade de expiração é realizada por meio de energia elétrica. A energia é obtida de uma usina nuclear ou solar localizada a bordo de uma espaçonave (em princípio, até mesmo de uma bateria química). Os esquemas dos motores elétricos desenvolvidos são extremamente diversos. São motores eletrotérmicos, motores eletrostáticos (íon), motores eletromagnéticos (plasma), motores elétricos com a entrada do fluido de trabalho das camadas superiores da atmosfera.

foguetes espaciais

Um foguete espacial moderno é uma estrutura complexa, composta por centenas de milhares e milhões de partes, cada uma das quais desempenha o papel pretendido. Mas do ponto de vista da mecânica da aceleração do foguete até a velocidade necessária, toda a massa inicial do foguete pode ser dividida em duas partes: 1) a massa do fluido de trabalho e 2) a massa final restante após a ejeção do o fluido de trabalho. Esta última é muitas vezes referida como massa "seca", uma vez que o fluido de trabalho na maioria dos casos é um combustível líquido. A massa "seca" (ou, se preferir, a massa de um foguete "vazio", sem fluido de trabalho) consiste na massa da estrutura e na massa da carga útil. Por design, deve-se entender não apenas a estrutura de suporte do foguete, seu casco etc., mas também o sistema de propulsão com todas as suas unidades, o sistema de controle, incluindo controles, equipamentos de navegação e comunicação etc. - em uma palavra, tudo o que garante o vôo normal do foguete. A carga útil consiste em equipamento científico, um sistema de radiotelemetria, o corpo da espaçonave sendo lançada em órbita, a tripulação e o sistema de suporte à vida da espaçonave, etc. A carga útil é algo sem o qual o foguete pode fazer um vôo normal.

A aceleração do foguete é favorecida pelo fato de que, à medida que o fluido de trabalho se esgota, a massa do foguete diminui, pelo que, com o mesmo empuxo, a aceleração do jato aumenta continuamente. Mas, infelizmente, o foguete não consiste em apenas um fluido de trabalho. À medida que o fluido de trabalho se esgota, os tanques vazios, partes em excesso do casco, etc., começam a sobrecarregar o foguete com peso morto, dificultando a aceleração. É aconselhável em alguns pontos separar essas partes do foguete. Um foguete construído dessa maneira é chamado de foguete composto. Muitas vezes, um foguete composto consiste em estágios de foguetes independentes (devido a isso, vários sistemas de foguetes podem ser feitos de estágios individuais) conectados em série. Mas também é possível conectar os degraus em paralelo, lado a lado. Por fim, há projetos de foguetes compostos em que a última etapa entra na anterior, que é encerrada na anterior, etc.; ao mesmo tempo, os estágios têm um motor comum e não são mais foguetes independentes. Uma desvantagem significativa do último esquema é que, após a separação do estágio gasto, a aceleração do jato aumenta acentuadamente, pois o motor permanece o mesmo, o empuxo não muda e a massa acelerada do foguete diminui acentuadamente. Isso complica a precisão da orientação do míssil e impõe maiores exigências à resistência da estrutura. Quando os estágios são conectados em série, o estágio recém-ligado tem menos empuxo e a aceleração não muda abruptamente. Enquanto o primeiro estágio está em execução, podemos considerar o restante dos estágios junto com a carga útil verdadeira como a carga útil do primeiro estágio. Após a separação do primeiro estágio, o segundo estágio começa a funcionar, que, juntamente com os estágios subsequentes e a carga útil real, forma um foguete independente (“o primeiro sub-foguete”). Para o segundo estágio, todos os estágios subsequentes, juntamente com a carga útil real, desempenham o papel de sua própria carga útil, etc. Cada subfoguete adiciona sua própria velocidade ideal à velocidade já disponível e, como resultado, a velocidade ideal final de um foguete multi-estágio é a soma das velocidades ideais de sub-foguetes individuais.

O foguete é muito "caro" veículo. Os lançadores de naves espaciais "transportam" principalmente o combustível necessário para operar seus motores e seu próprio projeto, consistindo principalmente de recipientes de combustível e um sistema de propulsão. A carga útil representa apenas uma pequena parte (1,5-2,0%) da massa de lançamento do foguete.

Um foguete composto permite um uso mais racional de recursos devido ao fato de que em voo o estágio que esgotou seu combustível é separado, e o restante do combustível do foguete não é gasto na aceleração da estrutura do estágio gasto, o que se tornou desnecessário para continuando o voo.

Opções de foguetes. Da esquerda para a direita:

1. Foguete de estágio único.
2. Foguete de dois estágios com separação transversal.
3. Míssil de dois estágios com separação longitudinal.
4. Foguete com tanques de combustível externos, destacáveis ​​após o esgotamento do combustível neles.

Estruturalmente, os foguetes de múltiplos estágios são feitos com separação transversal ou longitudinal de estágios.

Com uma separação transversal, os estágios são colocados um sobre o outro e funcionam sequencialmente um após o outro, ligando somente após a separação do estágio anterior. Esse esquema permite criar sistemas, em princípio, com qualquer número de etapas. Sua desvantagem reside no fato de que os recursos das etapas subsequentes não podem ser utilizados no trabalho da etapa anterior, sendo para ela um ônus passivo.

Com separação longitudinal, o primeiro estágio consiste em vários foguetes idênticos (na prática, de dois a oito), localizados simetricamente ao redor do corpo do segundo estágio, de modo que a resultante das forças de empuxo dos motores do primeiro estágio seja direcionada ao longo do eixo de simetria do segundo, e trabalhando simultaneamente. Tal esquema permite que o motor do segundo estágio opere simultaneamente com os motores do primeiro, aumentando assim o empuxo total, o que é especialmente necessário durante a operação do primeiro estágio, quando a massa do foguete é máxima. Mas um foguete com uma separação longitudinal de estágios só pode ser de dois estágios.

Existe também um esquema de separação combinado - longitudinal-transversal, que permite combinar as vantagens de ambos os esquemas, em que o primeiro estágio é dividido longitudinalmente do segundo e a separação de todos os estágios subsequentes ocorre transversalmente. Um exemplo de tal abordagem é o veículo de lançamento doméstico Soyuz.

O esquema único de um foguete de dois estágios com separação longitudinal tem nave espacial O Ônibus Espacial, cujo primeiro estágio consiste em dois propulsores laterais de propulsores sólidos, no segundo estágio, parte do combustível está contido nos tanques do orbitador (na verdade, uma espaçonave reutilizável), e a maior parte está em um combustível externo destacável tanque. Primeiro, o sistema de propulsão do orbitador consome combustível do tanque externo e, quando este se esgota, o tanque externo é despejado e os motores continuam a operar com o combustível contido nos tanques do orbitador. Tal esquema permite aproveitar ao máximo o sistema de propulsão do orbitador, que opera durante todo o lançamento da espaçonave em órbita.

Com uma separação transversal, as etapas são interligadas por seções especiais - adaptadores - estruturas de rolamento de forma cilíndrica ou cônica (dependendo da proporção dos diâmetros das etapas), cada uma das quais deve suportar o peso total de todas as etapas subsequentes, multiplicado pelo valor máximo da sobrecarga sofrida pelo foguete em todas as seções, nas quais este adaptador faz parte do foguete. Durante a separação longitudinal, bandagens de energia (frente e traseira) são criadas no corpo do segundo estágio, ao qual os blocos do primeiro estágio são presos.

Os elementos que conectam as partes de um foguete composto conferem a ele a rigidez de um corpo de peça única e, quando os estágios são separados, eles devem liberar quase instantaneamente o estágio superior. Normalmente, as etapas são conectadas usando pirobolts. Um pirobolt é um parafuso de fixação, no eixo do qual é criada uma cavidade perto da cabeça, preenchida com um alto explosivo com um detonador elétrico. Quando um pulso de corrente é aplicado ao detonador elétrico, ocorre uma explosão, destruindo o eixo do parafuso, como resultado, sua cabeça sai. A quantidade de explosivos no pirobolt é cuidadosamente dosada para que, por um lado, seja garantido arrancar a cabeça e, por outro lado, não danificar o foguete. Quando os estágios são separados, os detonadores elétricos de todos os pirobolts que conectam as partes separadas são alimentados simultaneamente com um pulso de corrente e a conexão é liberada.

Em seguida, as etapas devem ser separadas a uma distância segura umas das outras. (Acionar o motor do estágio superior perto do inferior pode queimar seu tanque de combustível e explodir o combustível restante, o que danificará o estágio superior ou desestabilizará seu vôo.) No vazio, às vezes são usados ​​pequenos motores de foguetes sólidos auxiliares.

Nos foguetes de propelente líquido, os mesmos motores também servem para “precipitar” o combustível nos tanques do estágio superior: quando o motor do estágio inferior é desligado, o foguete voa por inércia, em estado de queda livre, enquanto o combustível líquido em os tanques estão em suspensão, o que pode levar a falhas na partida do motor. Os motores auxiliares conferem uma ligeira aceleração aos estágios, sob a influência da qual o combustível "se instala" no fundo dos tanques.

Aumentar o número de estágios dá um efeito positivo apenas até um certo limite. Quanto mais estágios, maior a massa total de adaptadores, bem como motores operando apenas em um segmento de voo e, em algum momento, um aumento adicional no número de estágios torna-se contraproducente. Na prática moderna de ciência de foguetes, mais de quatro etapas, como regra, não são executadas.

As questões de confiabilidade também são importantes ao escolher o número de etapas. Pyrobolts e motores de foguetes auxiliares de propelente sólido são elementos descartáveis, cuja operação não pode ser verificada antes do lançamento do foguete. Enquanto isso, a falha de apenas um pirobolt pode levar ao término de emergência do vôo do foguete. Um aumento no número de elementos descartáveis ​​que não estão sujeitos a verificação funcional reduz a confiabilidade de todo o foguete como um todo. Também força os designers a absterem-se de um grande número degraus.

velocidades do espaço

É extremamente importante notar que a velocidade desenvolvida pelo foguete (e com ela toda a espaçonave) na seção ativa do caminho, ou seja, naquela seção relativamente curta enquanto o motor do foguete está funcionando, deve ser alcançada muito, muito alta .

Vamos colocar mentalmente nosso foguete no espaço livre e ligar o motor. O motor criou empuxo, o foguete recebeu alguma aceleração e começou a ganhar velocidade, movendo-se em linha reta (se a força de empuxo não mudar de direção). Que velocidade o foguete adquirirá no momento em que sua massa diminuir do valor inicial m 0 até o valor final m k ? Se assumirmos que a velocidade de saída w da substância do foguete permanece inalterada (isso é observado com bastante precisão em foguetes modernos), então o foguete desenvolverá uma velocidade v, que é expressa como Fórmula de Tsiolkovsky, que determina a velocidade que a aeronave desenvolve sob a influência do empuxo do motor do foguete, inalterado na direção, na ausência de todas as outras forças:

onde ln denota natural e log é o logaritmo decimal

A velocidade calculada pela fórmula de Tsiolkovsky caracteriza os recursos energéticos do foguete. Chama-se ideal. Vemos que a velocidade ideal não depende do segundo consumo da massa do corpo de trabalho, mas depende apenas da velocidade de escoamento w e do número z = m 0 /m k , chamado de razão de massa ou número de Tsiolkovsky.

Existe um conceito das chamadas velocidades cósmicas: a primeira, a segunda e a terceira. A primeira velocidade cósmica é a velocidade na qual um corpo (nave espacial) lançado da Terra pode se tornar seu satélite. Se não levarmos em conta a influência da atmosfera, imediatamente acima do nível do mar, a primeira velocidade cósmica é de 7,9 km / se diminui com o aumento da distância da Terra. A uma altitude de 200 km da Terra, é igual a 7,78 km/s. Na prática, supõe-se que a primeira velocidade cósmica seja de 8 km/s.

Para vencer a gravidade da Terra e se tornar, por exemplo, um satélite do Sol ou alcançar algum outro planeta do sistema solar, um corpo (nave espacial) lançado da Terra deve atingir a segunda velocidade cósmica, suposta ser 11,2 km/s.

O corpo (nave espacial) deve ter a terceira velocidade cósmica perto da superfície da Terra no caso em que seja necessário que ele possa superar a atração da Terra e do Sol e deixar o sistema solar. A terceira velocidade de escape é assumida como 16,7 km/s.

As velocidades cósmicas são enormes em seu significado. Eles são várias dezenas de vezes mais rápidos que a velocidade do som no ar. Somente a partir disso fica claro quais tarefas complexas estão enfrentando no campo da astronáutica.

Por que velocidades do espaço tão grande e por que as naves espaciais não caem na Terra? Estranho mesmo: o sol forças enormes a gravidade mantém a Terra e todos os outros planetas do sistema solar perto dela, não permite que eles voem para o espaço sideral. Parece estranho que a Terra em torno de si contenha a Lua. As forças gravitacionais atuam entre todos os corpos, mas os planetas não caem sobre o Sol porque estão em movimento, esse é o segredo.

Tudo cai na terra: gotas de chuva, flocos de neve, uma pedra caindo de uma montanha e um copo derrubado da mesa. E Lua? Ele gira em torno da terra. Se não fosse pelas forças da gravidade, ele voaria tangencialmente para a órbita e, se parasse de repente, cairia na Terra. A lua, devido à atração da Terra, desvia-se de um caminho retilíneo, o tempo todo, por assim dizer, "caindo" na Terra.

O movimento da Lua ocorre ao longo de um certo arco, e enquanto a gravidade agir, a Lua não cairá na Terra. É o mesmo com a Terra - se parasse, cairia no Sol, mas isso não acontecerá pelo mesmo motivo. Dois tipos de movimento - um sob a influência da gravidade, o outro devido à inércia - são adicionados e, como resultado, dão um movimento curvilíneo.

A lei da gravitação universal, que mantém o universo em equilíbrio, foi descoberta pelo cientista inglês Isaac Newton. Quando ele publicou sua descoberta, as pessoas disseram que ele era louco. A lei da gravitação determina não apenas o movimento da Lua, da Terra, mas também de todos os corpos celestes do sistema solar, bem como satélites artificiais, estações orbitais, espaçonaves interplanetárias.

Leis de Kepler

Antes de considerar as órbitas das naves espaciais, considere as leis de Kepler que as descrevem.

Johannes Kepler tinha um senso de beleza. Durante toda a sua vida adulta ele tentou provar que o sistema solar é uma espécie de obra de arte mística. No início, ele tentou conectar seu dispositivo com os cinco poliedros regulares da geometria grega antiga clássica. (Um poliedro regular é uma figura tridimensional, cujas faces são todas polígonos regulares iguais entre si.) Na época de Kepler, eram conhecidos seis planetas, que deveriam ser colocados em "esferas de cristal" rotativas. Kepler argumentou que essas esferas estão dispostas de tal forma que os poliedros regulares se encaixam exatamente entre as esferas adjacentes. Entre as duas esferas externas - Saturno e Júpiter - ele colocou um cubo inscrito na esfera externa, na qual, por sua vez, está inscrita a esfera interna; entre as esferas de Júpiter e Marte - um tetraedro (um tetraedro regular), etc. Seis esferas dos planetas, cinco poliedros regulares inscritos entre eles - ao que parece, a própria perfeição?

Infelizmente, tendo comparado seu modelo com as órbitas observadas dos planetas, Kepler foi forçado a admitir que o comportamento real dos corpos celestes não se encaixa na estrutura harmoniosa delineada por ele. O único resultado sobrevivente desse impulso juvenil de Kepler foi um modelo do sistema solar, feito pelo próprio cientista e presenteado ao seu patrono, o duque Frederick von Württemburg. Neste artefato de metal lindamente executado, todas as esferas orbitais dos planetas e os poliedros regulares neles inscritos são recipientes ocos que não se comunicam entre si, que nos feriados deveriam ser preenchidos com várias bebidas para tratar os convidados do duque .

Foi somente depois de se mudar para Praga e se tornar assistente do famoso astrônomo dinamarquês Tycho Brahe que Kepler encontrou ideias que realmente imortalizaram seu nome nos anais da ciência. Tycho Brahe coletou dados de observações astronômicas durante toda a sua vida e acumulou grandes quantidades de informações sobre o movimento dos planetas. Após sua morte, eles passaram para Kepler. Esses registros, aliás, eram de grande valor comercial na época, pois podiam ser usados ​​para compilar horóscopos astrológicos atualizados (hoje, os cientistas preferem silenciar sobre essa parte da astronomia primitiva).

Ao processar os resultados das observações de Tycho Brahe, Kepler encontrou um problema que, mesmo com computadores modernos, pode parecer intratável para alguns, e Kepler não teve escolha a não ser realizar todos os cálculos manualmente. É claro que, como a maioria dos astrônomos de seu tempo, Kepler já estava familiarizado com o sistema heliocêntrico de Copérnico e sabia que a Terra gira em torno do Sol, como evidenciado pelo modelo acima do sistema solar. Mas como exatamente a Terra e outros planetas giram? Vamos imaginar o problema da seguinte forma: você está em um planeta, que, em primeiro lugar, gira em torno de seu eixo e, em segundo lugar, gira em torno do Sol em uma órbita desconhecida para você. Olhando para o céu, vemos outros planetas que também se movem em órbitas desconhecidas para nós. E a tarefa é determinar, de acordo com os dados de observações feitas em nossa rotação em torno de seu eixo ao redor do Sol o Globo, a geometria das órbitas e as velocidades de outros planetas. Foi isso que, no final, Kepler conseguiu fazer, após o que, com base nos resultados obtidos, deduziu suas três leis!

A primeira lei descreve a geometria das trajetórias das órbitas planetárias: cada planeta do sistema solar gira em torno de uma elipse, em um dos focos da qual é o Sol. Do curso de geometria escolar - uma elipse é um conjunto de pontos em um plano, a soma das distâncias a partir dos quais dois pontos fixos - focos - é igual a uma constante. Ou caso contrário - imagine uma seção da superfície lateral do cone por um plano em ângulo com sua base, não passando pela base - isso também é uma elipse. A primeira lei de Kepler apenas afirma que as órbitas dos planetas são elipses, em um dos focos em que o Sol está localizado. As excentricidades (grau de alongamento) das órbitas e sua remoção do Sol no periélio (o ponto mais próximo do Sol) e no apoélio (o ponto mais distante) são diferentes para todos os planetas, mas todas as órbitas elípticas têm uma coisa em comum - o Sol está localizado em um dos dois focos da elipse. Depois de analisar os dados observacionais de Tycho Brahe, Kepler concluiu que as órbitas planetárias são um conjunto de elipses aninhadas. Antes dele, isso simplesmente não ocorreu a nenhum dos astrônomos.

O significado histórico da primeira lei de Kepler não pode ser superestimado. Antes dele, os astrônomos acreditavam que os planetas se moviam exclusivamente em órbitas circulares e, se isso não se enquadrasse no escopo das observações, o movimento circular principal era complementado por pequenos círculos que os planetas descreviam em torno dos pontos da órbita circular principal. Esta era principalmente uma posição filosófica, uma espécie de fato indiscutível, não sujeito a dúvida e verificação. Os filósofos argumentavam que a estrutura celestial, diferentemente da terrena, é perfeita em sua harmonia, e como a mais perfeita das formas geométricas são um círculo e uma esfera, o que significa que os planetas se movem em um círculo. O principal é que, tendo acesso aos vastos dados observacionais de Tycho Brahe, Johannes Kepler conseguiu superar esse preconceito filosófico, visto que ele não corresponde aos fatos - assim como Copérnico ousou retirar a Terra do centro do universo , diante de argumentos que contrariam ideias geocêntricas persistentes, que consistiam também no "comportamento errado" dos planetas em suas órbitas.

A segunda lei descreve a mudança na velocidade dos planetas ao redor do Sol: cada planeta se move em um plano que passa pelo centro do Sol e, por períodos iguais de tempo, o vetor de raio que conecta o Sol e o planeta descreve áreas iguais. Quanto mais longe do Sol a órbita elíptica leva o planeta, mais lento o movimento, mais próximo do Sol - mais rápido o planeta se move. Agora imagine um par de segmentos de linha conectando as duas posições do planeta em órbita com o foco da elipse que contém o Sol. Juntamente com o segmento da elipse entre eles, eles formam um setor, a área de \u200b\u200bque é precisamente a mesma "área que o segmento de linha corta". É o que diz a segunda lei. Quanto mais próximo o planeta estiver do Sol, mais curtos serão os segmentos. Mas, neste caso, para que o setor cubra uma área igual em tempo igual, o planeta deve percorrer uma distância maior em órbita, o que significa que sua velocidade de movimento aumenta.

As duas primeiras leis tratam das especificidades das trajetórias orbitais de um único planeta. A terceira lei de Kepler permite comparar as órbitas dos planetas entre si: os quadrados dos períodos de revolução dos planetas ao redor do Sol estão relacionados como cubos dos semi-eixos maiores das órbitas dos planetas. Ele afirma que quanto mais longe do Sol um planeta está, mais tempo leva para fazer uma revolução completa em órbita e, portanto, mais tempo dura o “ano” neste planeta. Hoje sabemos que isso se deve a dois fatores. Primeiro, quanto mais longe o planeta estiver do Sol, maior será o perímetro de sua órbita. Em segundo lugar, à medida que a distância do Sol aumenta, a velocidade linear do planeta também diminui.

Em suas leis, Kepler simplesmente declarou os fatos, tendo estudado e generalizado os resultados das observações. Se você tivesse perguntado a ele o que causou a elipticidade das órbitas ou a igualdade das áreas dos setores, ele não teria respondido. Simplesmente decorreu de sua análise. Se você tivesse perguntado a ele sobre o movimento orbital dos planetas em outros sistemas estelares, ele também não teria sido capaz de responder. Ele teria que começar tudo de novo - acumular dados observacionais, depois analisá-los e tentar identificar padrões. Ou seja, ele simplesmente não teria motivos para acreditar que outro sistema planetário obedece às mesmas leis do sistema solar.

Um dos maiores triunfos da mecânica newtoniana clássica é precisamente que ela fornece uma justificativa fundamental para as leis de Kepler e afirma sua universalidade. Acontece que as leis de Kepler podem ser derivadas das leis da mecânica de Newton, da lei da gravitação universal de Newton e da lei da conservação do momento angular por cálculos matemáticos rigorosos. E se assim for, podemos ter certeza de que as leis de Kepler se aplicam igualmente a qualquer sistema planetário em qualquer lugar do universo. Os astrônomos que estão procurando novos sistemas planetários no espaço (e já existem muitos deles) usam as equações de Kepler repetidamente, como uma coisa natural, para calcular os parâmetros das órbitas de planetas distantes, embora não possam observar eles diretamente.

A terceira lei de Kepler desempenhou e ainda desempenha um papel importante na cosmologia moderna. Ao observar galáxias distantes, os astrofísicos registram sinais fracos emitidos por átomos de hidrogênio que orbitam muito longe do centro galáctico - muito mais longe do que as estrelas geralmente estão localizadas. Usando o efeito Doppler no espectro dessa radiação, os cientistas determinam as velocidades de rotação da periferia de hidrogênio do disco galáctico e, a partir delas, as velocidades angulares das galáxias como um todo. As obras do cientista que nos colocou firmemente no caminho para uma correta compreensão da estrutura do nosso sistema solar, e hoje, séculos após sua morte, desempenham um papel tão importante no estudo da estrutura do vasto Universo.

Órbitas

De grande importância é o cálculo das trajetórias de voo das naves espaciais, em que o objetivo principal deve ser perseguido - economia máxima de energia. Ao calcular a trajetória de voo de uma espaçonave, é necessário determinar o momento mais favorável e, se possível, o local de lançamento, levar em consideração os efeitos aerodinâmicos resultantes da interação da espaçonave com a atmosfera terrestre durante a partida e chegada, e muito mais.

Muitas naves espaciais modernas, especialmente aquelas com tripulação, têm motores de foguete a bordo relativamente pequenos, cujo objetivo principal é a correção da órbita necessária e a frenagem durante o pouso. Ao calcular a trajetória de voo, suas alterações associadas ao ajuste devem ser levadas em consideração. A maior parte da trajetória (na verdade, toda a trajetória, exceto sua parte ativa e períodos de correção) é realizada com os motores desligados, mas, é claro, sob a influência dos campos gravitacionais dos corpos celestes.

A trajetória da espaçonave é chamada de órbita. Durante o voo livre da espaçonave, quando seus motores a jato a bordo são desligados, o movimento ocorre sob a influência das forças gravitacionais e da inércia, e a principal força é a atração da Terra.

Se a Terra é considerada estritamente esférica, e a ação do campo gravitacional da Terra é a única força, então o movimento da espaçonave obedece às leis conhecidas de Kepler: ocorre em um plano fixo (no espaço absoluto) passando pelo centro de a Terra - o plano da órbita; a órbita tem a forma de uma elipse ou de um círculo (um caso especial de elipse).

As órbitas são caracterizadas por vários parâmetros - um sistema de quantidades que determinam a orientação da órbita de um corpo celeste no espaço, seu tamanho e forma, bem como a posição na órbita de um corpo celeste em algum momento fixo. A órbita imperturbável ao longo da qual o corpo se move de acordo com as leis de Kepler é determinada por:

1. Inclinação orbital (i) ao plano de referência; pode ter valores de 0° a 180°. A inclinação é menor que 90° se, para um observador localizado no pólo norte da eclíptica ou no pólo norte celeste, o corpo parece estar se movendo no sentido anti-horário, e maior que 90° se o corpo estiver se movendo na direção oposta. Aplicado ao Sistema Solar, o plano da órbita da Terra (o plano da eclíptica) é geralmente escolhido como plano de referência, para satélites artificiais da Terra, o plano do equador da Terra é geralmente escolhido como plano de referência, para satélites de outros planetas do Sistema Solar, o plano do equador do planeta correspondente é geralmente escolhido como plano de referência.
2. Longitude do nó ascendente (Ω)- um dos principais elementos da órbita, usado para a descrição matemática da forma da órbita e sua orientação no espaço. Especifica o ponto no qual a órbita intercepta o plano base na direção sul-norte. Para corpos que giram em torno do Sol, o plano principal é a eclíptica, e o ponto zero é o primeiro ponto de Áries (o equinócio vernal).
3. Eixo(s) principal(is)é metade do eixo maior da elipse. Em astronomia, caracteriza a distância média de um corpo celeste do foco.
4. Excentricidade- característica numérica da seção cônica. A excentricidade é invariante em relação aos movimentos planos e transformações de similaridade e caracteriza a "compressão" da órbita.
5. argumento periapsis- é definido como o ângulo entre as direções do centro de atração ao nó ascendente da órbita e ao periapsis (o ponto da órbita do satélite mais próximo do centro de atração), ou o ângulo entre a linha de nós e a linha de absides. É contado a partir do centro de atração na direção do movimento do satélite, geralmente escolhido dentro de 0°-360°. Para determinar os nós ascendentes e descendentes, um determinado plano (chamado de base) contendo o centro de atração é escolhido. Como base, eles costumam usar o plano da eclíptica (o movimento dos planetas, cometas, asteróides ao redor do Sol), o plano do equador do planeta (o movimento dos satélites ao redor do planeta), etc.
6. Anomalia média para um corpo movendo-se ao longo de uma órbita imperturbável - o produto de seu movimento médio e o intervalo de tempo após passar pelo periápsis. Assim, a anomalia média é a distância angular da periapse de um corpo hipotético movendo-se a uma velocidade angular constante igual ao movimento médio.

Existem vários tipos de órbitas - equatorial (inclinação "i" = 0°), polar (inclinação "i" = 90°), órbitas síncronas com o sol (os parâmetros da órbita são tais que o satélite passa sobre qualquer ponto da superfície da Terra em aproximadamente a mesma hora solar local), órbita baixa (altitudes de 160 km a 2000 km), orbital médio (altitudes de 2000 km a 35786 km), geoestacionário (altitude 35786 km), orbital alto (altitudes superiores a 35786 km ).