Какво прави една ракета в космоса. Реактивно задвижване и ракета

Нека космическите полети отдавна са нещо познато. Но знаете ли всички за космическите ракети-носители? Нека го разглобим и да видим от какво се състоят и как работят.

Ракетни двигатели

Двигателите са от съществено значение съставна част ракета-носител. Те създават тяга, поради която ракетата се издига в космоса. Но що се отнася до ракетните двигатели, не бива да си спомняте онези под капака на автомобил или например завъртане на лопатките на ротора на хеликоптер. Ракетните двигатели са напълно различни.

Работата на ракетните двигатели се основава на третия закон на Нютон. Историческата формулировка на този закон казва, че всяко действие винаги има еднаква и противоположна реакция, с други думи, реакция. Следователно такива двигатели се наричат \u200b\u200bреактивни.

В процеса на работа реактивен реактивен двигател изхвърля вещество (т.нар. Работна течност) в една посока и сам се движи в обратна посока. За да разберете как се случва това, не е нужно да летите сами с ракета. Най-близкият, „земен“ пример е откатът, който се получава при стрелба от огнестрелни оръжия... Работната течност тук е куршум и прахообразни газове, излизащи от цевта. Друг пример е надут и издут балон. Ако не е вързан, той ще лети, докато въздухът не излезе. Въздухът тук е много работната течност. Най-просто казано, работната течност в ракетния двигател е продуктите от горенето на ракетното гориво.

Модел на ракетния двигател RD-180

Гориво

Горивото за ракетни двигатели обикновено е двукомпонентно и включва гориво и окислител. Ракетата-носител Proton използва хептил (несиметричен диметилхидразаин) като гориво и азотен тетраксид като окислител. И двата компонента са изключително токсични, но това е „спомен“ за първоначалната бойна мисия на ракетата. Междуконтиненталната балистична ракета UR-500 - родоначалникът на Протон, - имаща военна цел, трябваше да бъде в състояние, готова за бой, дълго време преди изстрелването. И други видове гориво не позволяват дълго съхранение. Ракетите Союз-ФГ и Союз-2 използват като гориво керосин и течен кислород. Същите горивни компоненти се използват в семейството ракети-носители Angara Falcon 9 и обещаващия Falcon Heavy от Илон Мъск. Горивните пари на японската ракета-носител "H-IIB" ("Eich-tu-bi") са течен водород (гориво) и течен кислород (окислител). Както в ракетата на частната авиокосмическа компания Blue Origin, използвана за изстрелване на суборбиталния космически кораб New Shepard. Но всичко това са ракетни двигатели с течно гориво.

Използват се и ракетни двигатели с твърдо гориво, но по правило в етапи на твърдо гориво на многостепенни ракети, като например ускорител на изстрелване на ракета-носител Ariane-5, втори етап на ракета-носител Antares и странични ускорители на космическата совалка MTKK.

Стъпки

Полезният товар, изстрелян в космоса, е само малка част от масата на ракетата. Стартовите превозни средства се „транспортират“ предимно сами, тоест по техен собствен дизайн: резервоари за гориво и двигатели, както и горивото, необходимо за експлоатацията им. Резервоарите за гориво и ракетните двигатели са в различни етапи на ракетата и след като свършат с горивото, те стават ненужни. За да не носят допълнителен товар, те се разделят. В допълнение към пълноценните етапи се използват и външни резервоари за гориво, които не са оборудвани със собствени двигатели. Те също се изхвърлят по време на полета.

Първият етап от LV "Протон-М"

Има две класически схеми за конструиране на многостепенни ракети: с напречно и надлъжно разделяне на етапи. В първия случай стъпалата се поставят една над друга и се включват само след отделянето на предишната, долна, стъпка. Във втория случай около тялото на втория етап са разположени няколко еднакви ракетни степени, които се включват и пускат едновременно. В този случай двигателят от втория етап също може да работи при стартиране. Но комбинираната надлъжно-напречна схема също се използва широко.

Опции за разположение на ракетите

Стартирала през февруари тази година от космодрома Плесецк, ракетата-носител от лек клас Rokot е тристепенна с напречно разделяне на етапа. Но ракетата-носител "Союз-2", изстрелян от новия космодром "Восточен" през април тази година, е тристепенен с надлъжно-напречно разделяне.

Интересна схема на двустепенна ракета с надлъжно разделяне е системата Space Shuttle. Тук се крие разликата между американските совалки и Буран. Първият етап от системата Space Shuttle е странични бустери с твърдо гориво, вторият е самата совалка (орбита) с подвижен външен резервоар за гориво, който е оформен като ракета. По време на изстрелването се стартират двигателите както на совалката, така и на ускорителите. В системата „Енергия-Буран“ двустепенната ракета-носител „Свръх тежък клас“ „Енергия“ беше независим елемент и освен изстрелването на „Буран“ в космоса може да се използва и за други цели, например за подпомагане на автоматични и пилотирани експедиции до Луната и Марс.

Горен етап

Може да изглежда, че веднага след като ракетата излезе в космоса, целта е постигната. Но не винаги е така. Целевата орбита на космически кораб или полезен товар може да бъде много по-висока от линията, от която започва космоса. Например геостационарната орбита, която е домакин на телекомуникационни спътници, се намира на надморска височина от 35 786 км. Ето защо е необходим горният етап, който всъщност е друг етап на ракетата. Космосът започва вече на височина от 100 км, където започва безтегловността, което е сериозен проблем за конвенционалните ракетни двигатели.

Един от основните „работни коне“ на руската космонавтика, носещата ракета „Протон“, съчетана с горната степен Briz-M, осигурява изстрелването на полезни товари с тегло до 3,3 тона в геостационарна орбита. Но първоначално изстрелването се извършва в ниска референтна орбита (200 км ). Въпреки че горният етап се нарича един от етапите на кораба, той се различава от обичайния етап в двигателите.

НН "Протон-М" с горен етап "Бриз-М" на монтаж

За да се премести космически кораб или космически кораб към целева орбита или да се насочи към изходяща или междупланетна траектория, горният етап трябва да може да извърши една или повече маневри, които променят скоростта на полета. И за това е необходимо всеки път да включвате двигателя. Освен това в периодите между маневри двигателят е изключен. По този начин двигателят на горната степен може да се включва и изключва многократно, за разлика от двигателите на други ракетни степени. Изключение правят многократните Falcon 9 и New Shepard, чиито двигатели от първи етап се използват за спиране при кацане на Земята.

Полезен товар

Ракети съществуват, за да изстрелят нещо в космоса. По-специално космически кораби и космически кораби. Във вътрешната космонавтика това са транспортните товарни космически кораби "Прогрес" и пилотираните космически кораби "Союз", изпратени на МКС. От космическия кораб тази година на руски ракети-носители, американският Intelsat DLA2 и френският космически кораб Eutelsat 9B, вътрешният навигационен космически кораб Glonass-M No 53 и, разбира се, космическият кораб ExoMars-2016, предназначен за търсене на метан в атмосфера на Марс.

Ракетите имат различни възможности за полезен товар. Масата на полезния товар на ракетата-носител от лек клас Rokot, предназначена за изстрелване на космически кораби в нискоземни орбити (200 км), е 1,95 т. Ракетата-носител Proton-M принадлежи към тежкия клас. Той ще изведе 22,4 тона в ниска орбита, 6,15 тона в геостационарна орбита и 3,3 тона в геостационарна орбита. 8,7 тона, до геостационарна орбита - от 2,8 до 3 тона и до геостационарна орбита - от 1,3 до 1,5 тона. Ракетата е предназначена за изстрелвания от всички обекти на Роскосмос: Восточни, Плесецк, Байконур и Куру, използвани в съвместен руско-европейски проект. Използвана за изстрелване на транспортни и пилотирани космически кораби към МКС, ракетата-носител „Союз-FG“ има полезен товар от 7,2 тона (с пилотирания космически кораб „Союз“) до 7,4 тона (с товарен автомобил „Прогрес“). В момента това е единствената ракета, използвана за доставка на космонавти и астронавти до МКС.

Полезният товар обикновено е в самия връх на ракетата. За да се преодолее аеродинамичното съпротивление, космическият кораб или корабът се поставят в обтекателя на носа на ракетата, който се изхвърля след преминаване през плътни слоеве на атмосферата.

Думите на Юрий Гагарин, които останаха в историята: "Виждам Земята ... Каква красота!" са им били казани точно след изпускането на обтекателя на главата на ракетата-носител "Восток".

Монтаж на обтекателя на главата на НН "Протон-М", полезния товар на "Експрес-АТ1" и "Експрес-АТ2"

Система за аварийно спасяване

Ракетата, която излиза в орбита космически кораб с екипаж, почти винаги могат да бъдат разграничени от външен вид от този, който изважда товарен кораб или космически кораб. За да се запази жив екипажът на пилотирания космически кораб в случай на авария на ракетата-носител, се използва аварийно-спасителна система (SAS). Всъщност това е друга (макар и малка) ракета начело на ракетата-носител. От страната на SAS изглежда като кула с необичайна форма на върха на ракета. Неговата задача е да извади пилотиран космически кораб при извънредна ситуация и да го отнесе от мястото на произшествието.

В случай на експлозия на ракета в началото или в началото на полета, основните двигатели на спасителната система откъсват частта от ракетата, в която се намира пилотираният космически кораб, и я отнасят от мястото на произшествието. След това се извършва спускане с парашут. Ако полетът протича нормално, след достигане на безопасна височина, аварийно-спасителната система се отделя от ракетата-носител. На голяма надморска височина ролята на SAS не е толкова важна. Тук екипажът вече може да избяга, благодарение на отделянето на спускащото се превозно средство от ракетата.

НН "Союз" със SAS в горната част на ракетата

И ние знаем, че за да се случи движение, е необходимо действието на някаква сила. Тялото или самото трябва да се отблъсне от нещо, или външното тяло трябва да изтласка даденото. Това е добре известно и разбираемо за нас от житейския опит.

Какво да се отблъсне в космоса?

На повърхността на Земята можете да се отблъснете от повърхността или от предмети върху нея. За движение по повърхността се използват крака, колела, писти и така нататък. Във вода и въздух можете да се отблъснете от водата и въздуха, които имат определена плътност и следователно ви позволяват да взаимодействате с тях. Природата е пригодила плавници и крила за това.

Човек създаде двигатели, базирани на витла, които многократно увеличават площта на контакт със средата благодарение на въртенето и ви позволяват да се отблъснете от вода и въздух. Но какво ще кажете за случая с безвъздушно пространство? От какво да започнем в космоса? Няма въздух, няма нищо. Как да летим в космоса? Тук на помощ идват законът за запазване на инерцията и принципът на реактивното задвижване. Нека да разгледаме отблизо.

Принцип на импулсно и реактивно задвижване

Импулсът е продукт на телесната маса от нейната скорост. Когато тялото е неподвижно, скоростта му е нула. Тялото обаче има известна маса. При липса на външни влияния, ако част от масата се отдели от тялото с определена скорост, тогава според закона за запазване на импулса, останалата част от тялото също трябва да придобие определена скорост, така че общият импулс да остане равен на нула.

Освен това скоростта на останалата основна част на тялото ще зависи от скоростта, с която ще се отдели по-малката част. Колкото по-висока е тази скорост, толкова по-висока ще бъде скоростта на основното тяло. Това е разбираемо, ако си припомним поведението на телата върху лед или във вода.

Ако двама души са близки и след това единият избута другия, тогава той не само ще даде това ускорение, но ще отлети обратно. И колкото по-силно тласка някого, толкова по-бързо ще отлети от себе си.

Със сигурност трябваше да сте в подобна ситуация и можете да си представите как се случва. Така, на това се основава реактивното задвижване.

Ракетите, в които се прилага този принцип, изхвърлят някаква част от своята маса с висока скорост, в резултат на което самите те придобиват известно ускорение в обратната посока.

Потоците от нажежаеми газове, произтичащи от изгарянето на гориво, се изхвърлят през тесни дюзи, за да им дадат възможно най-висока скорост. В същото време масата на ракетата намалява с количеството на масата на тези газове и тя придобива определена скорост. По този начин се прилага принципът на реактивното задвижване във физиката.

Принцип на полет на ракета

Ракетите използват многостепенна система. По време на полета долният етап, изразходвайки целия си запас от гориво, се отделя от ракетата, за да намали общата си маса и да улесни полета.

Броят на етапите намалява, докато работната част остане под формата на спътник или друг космически кораб. Горивото се изчислява по такъв начин, че е достатъчно само за навлизане в орбита.

Ракета- въздухоплавателно средство, движещо се в космоса поради действието на реактивна тяга, произтичаща от отхвърлянето на част от собствената си маса (работещо; тяло) от ракетата. Полет ракети не изисква задължително присъствие на атмосферния въздух или газова среда и е възможно не само в атмосферата, но и във вакуум. С една дума означават широка гама от летящи устройства от празнични петарди до космическа ракета-носител.

Обикновено научните ракети са оборудвани с инструменти за измерване на атмосферното налягане, магнитното поле, космическото излъчване и състава на въздуха, както и оборудване за предаване на резултатите от измерванията по радио на земята. Има модели на ракети, при които инструменти с данни, получени по време на изкачването, се спускат на земята с помощта на парашути.

Ракетните метеорологични изследвания предшестваха сателитните изследвания, така че първите метеорологични спътници имаха същите инструменти като метеорологичните ракети. Първият път, когато е изстреляна ракета с цел проучване на параметрите въздушна среда 11 април 1937 г., но редовните изстрелвания на ракети започват през 50-те години, когато са създадени редица специализирани научни ракети. В Съветския съюз това бяха метеорологични ракети MR-1, M-100, MR-12, MMP-06 и геофизични ракети от типа "Вертикален". AT съвременна Русия през септември 2007 г. бяха използвани ракети M-100B. Извън Русия бяха използвани ракетите Aerobi, Black Brant и Skylark.

Космонавтика

Създател космонавтикакато наука Херман Оберт се смята за първия, който доказва физическата възможност човешкото тяло да издържи претоварването, възникнало по време на изстрелването на ракетата, както и състоянието на безтегловност. Високата скорост на изтичане на продуктите от изгарянето на гориво (често по-голяма от M10) дава възможност да се използват ракети в райони, където се изискват свръхвисоки скорости, например за изстрелване на космически кораби в земната орбита (вж. Първа космическа скорост). Максималната скорост, с която може да се постигне ракети, се изчислява по формулата на Циолковски, описваща нарастването на скоростта като произведение на скоростта на изтичане по естествен логаритъм съотношението между началната и крайната маса на апарата.

Ракетата е единствената превозно средство способен да изстреля космически кораб в космоса. Алтернативните начини за извеждане на космически кораби в орбита, като „космически асансьор“, все още са във фаза на проектиране.

AT космическо пространство основната характеристика се проявява най-ясно ракети - няма нужда от заобикаляща среда или външни сили за движение. Тази характеристика обаче изисква всички компоненти, необходими за генериране на реактивна сила, да бъдат на самия борд. ракети... Толкова за ракетиизползвайки такива плътни компоненти като течен кислород и керосин като гориво, съотношението между теглото на горивото и теглото на структурата достига 20/1. За ракети, работещи с кислород и водород, това съотношение е по-малко - около 10/1. Масивна характеристики на ракетата много зависят от вида на използвания ракетен двигател и зададените граници на надеждността на дизайна.

Чрез намаляване на общото тегло на конструкцията и изгаряне на гориво, ускорението на композитната ракета се увеличава с течение на времето. Тя може да бъде леко намалена само в момента, в който отпадналите отработени етапи отпаднат и двигателите на следващия етап започват да работят. Такива многостепенни ракети, предназначени за изстрелване на космически кораби, се наричат \u200b\u200bбустерни ракети.

Използва се за нужди астронавтика ракета се наричат \u200b\u200bракети носители, защото носят полезния товар. Най-често като ракети носители се използват многостепенни балистични ракети. ракети... Ракетата-носител се осъществява от Земята или, в случай на дълъг полет, от орбитата на изкуствен спътник на Земята.

Понастоящем пространствоагенции различни страни се използват ракетите носители Atlas V, Arian 5, Proton, Delta-4, Soyuz-2 и много други.

Сили, действащи на ракета в полет

Науката, която изучава силите, действащи върху ракети или други космически кораби, се нарича астродинамика.

Основните сили, действащи върху ракетата в полет:
1. Тяга на двигателя
2. Привличането на небесно тяло
3. При движение в атмосфера - челно съпротивление.
4. Повдигнете сила. Обикновено малки, но значителни за ракетни планери.

Литература

1. Ракета // Космонавтика: Малка енциклопедия; Главен редактор В. П. Глушко. 2-ро издание, допълнително - Москва: „Съветска енциклопедия“, 1970 - С. 372
2. Уикипедия

Думата пространство е синоним на думата вселена. Често космосът е разделен донякъде условно на близък космос, който в момента може да бъде изследван с помощта на изкуствени земни спътници, космически кораби, междупланетни станции и други средства, и далечен космос - всичко останало, несъизмеримо по-голямо. Всъщност близкото космос означава Слънчевата система, а далечното космос означава необятните простори на звездите и галактиките.

Буквалното значение на думата „космонавтика“, което е комбинация от две гръцки думи - „плаващ във Вселената“. В обичайна употреба тази дума означава комбинация от различни клонове на науката и технологиите, които осигуряват изследването и развитието на космоса и небесните тела с помощта на космически кораби - изкуствени спътници, автоматични станции за различни цели, пилотирани космически кораби.

Астронавтиката или, както понякога го наричат, астронавтика, съчетава полети в космоса, набор от научни и технологични клонове, служещи за изследване и използване на космическото пространство в интерес на човечеството с помощта на различни космически превозни средства. За начало на космическата ера на човечеството се счита 4 октомври 1957 г. - датата, когато първият изкуствен сателит на Земята е изстрелян в Съветския съюз.

Теорията за космическия полет, която беше стара мечта на човечеството, се превърна в наука в резултат на фундаменталните трудове на великия руски учен Константин Едуардович Циолковски. Той изучава основните принципи на ракетната балистика, предлага схема за ракетен двигател с течно гориво и установява законите, които определят реактивната мощност на двигателя. Бяха предложени и схемите на космическите кораби и бяха дадени принципите на проектиране на ракети, които сега се използват широко на практика. Дълго време, до момента, в който идеи, формули и рисунки на ентусиасти и учени започнаха да се превръщат в обекти, направени „в метал“ в конструкторските бюра и фабрики, теоретичната основа на астронавтиката се опираше на три стълба: 1) теория на движението на космическите кораби ; 2) ракетна техника; 3) съвкупността от астрономически знания за Вселената. Впоследствие в дълбините на астронавтиката възниква широк спектър от нови научни и технически дисциплини, като теория на системите за управление на космически обекти, космическа навигация, теория на космическите комуникации и системи за предаване на информация, космическа биология и медицина и др. Сега, когато ни е трудно да си представим астронавтиката Без тези дисциплини е полезно да се помни, че теоретичните основи на космонавтиката са поставени от К. Е. Циолковски по времето, когато са извършени само първите експерименти за използване на радиовълни и радио, не може да се счита за средство за комуникация в космоса.

В продължение на много години сигнализирането с помощта на лъчи слънчева светлина, отразени към Земята от огледала на борда на междупланетен космически кораб, беше сериозно считано за средство за комуникация. Сега, когато сме свикнали да не се изненадваме нито от пряко телевизионно отразяване от повърхността на Луната, нито от радиоснимки, направени близо до Юпитер или на повърхността на Венера, в това е трудно да се повярва. Следователно може да се твърди, че теорията на космическата комуникация, въпреки цялата си важност, не е основното звено във веригата на космическите дисциплини. Тази основна връзка е теорията за движението на космическите обекти. Именно това може да се счита за теория на космическия полет. Самите специалисти, участващи в тази наука, я наричат \u200b\u200bпо различен начин: приложна небесна механика, небесна балистика, космическа балистика, космодинамика, механика полет в космоса, теория за движението на изкуствени небесни тела. Всички тези имена имат едно и също значение, точно изразено от последния термин. Следователно космодинамиката е част от небесната механика - науката, която изучава движението на всякакви небесни тела, както естествени (звезди, Слънце, планети, техните спътници, комети, метеорни тела, космически прах), така и изкуствени (автоматични космически кораби и пилотирани кораби) ... Но има нещо, което отличава космодинамиката от небесната механика. Родена в лоното на небесната механика, космодинамиката използва своите методи, но не се вписва в традиционните си рамки.

Значителна разлика между приложната небесна механика и класическата механика се крие във факта, че последната не участва и не може да участва в избора на орбитите на небесните тела, докато първата се занимава с избор на определена траектория от огромен брой възможни траектории за достигане на определено небесно тяло, което отчита многобройни, често противоречиви изисквания. Основното изискване е минималната скорост, до която космическият кораб се ускорява в началната активна фаза на полета, и съответно минималната маса на ракетата-носител или горната степен на орбитата (при стартиране от околоземна орбита). Това гарантира максимален полезен товар и следователно най-голяма научна ефективност на полета. Взети са предвид и изискванията за лекота на управление, условията на радиокомуникация (например по време на приближаване на станцията към планетата по време на полета си), условия на научните изследвания (кацане на дневната или нощната страна на планетата) и др. Cosmodynamics предоставя на дизайнерите на космическите операции методи за оптимален преход от една орбита до друга, начини за коригиране на траекторията. В нейното зрително поле е орбитално маневриране, непознато на класическата небесна механика. Космодинамиката е основата на общата теория за космическия полет (точно както аеродинамиката е основата на теорията за атмосферния полет за самолети, хеликоптери, дирижабли и други самолети). Космодинамиката споделя тази роля с ракетната динамика - науката за движението на ракетите. И двете науки, тясно преплетени, формират основата на космическите технологии. И двамата са клонове на теоретичната механика, която сама по себе си е отделен клон на физиката. Като точна наука космодинамиката използва математически методи изследване и изисква логически съгласувана система за представяне. Не напразно основите на небесната механика са разработени след големите открития на Коперник, Галилей и Кеплер именно от тези учени, които са допринесли най-много за развитието на математиката и механиката. Те бяха Нютон, Ойлер, Клеро, Д'Аламбер, Лагранж, Лаплас. И в момента математиката помага за решаването на проблемите на небесната балистика и от своя страна получава тласък в своето развитие благодарение на проблемите, които космодинамиката й поставя.

Класическата небесна механика беше чисто теоретична наука. Нейните заключения намират постоянно потвърждение в данните на астрономическите наблюдения. Космодинамиката донесе експеримент на небесната механика, а небесната механика за първи път се превърна в експериментална наука, подобна в това отношение, да речем, на такъв клон на механиката като аеродинамиката. Неволно пасивната природа на класическата небесна механика е заменена от активния, обиден дух на небесната балистика. Всяко ново постижение на космонавтиката е едновременно доказателство за ефективността и точността на методите на космодинамиката. Космодинамиката е разделена на две части: теория на движението на центъра на масата на космическия кораб (теория на космическите траектории) и теорията на движението на космическия кораб спрямо центъра на масата (теория на "въртеливото движение").

Ракетни двигатели

Основното и почти единственото транспортно средство в световното пространство е ракета, която за първи път е предложена за тази цел през 1903 г. от К. Е. Циолковски. Законите на ракетното задвижване са един от крайъгълните камъни на теорията за космическия полет.

Космонавтиката разполага с голям арсенал от ракетни задвижващи системи, базирани на използването на различни видове енергия. Но във всички случаи ракетният двигател изпълнява една и съща задача: по един или друг начин той изхвърля от ракетата определена маса, подаването на която (така наречената работна течност) е вътре в ракетата. Определена сила действа върху изхвърлената маса от страната на ракетата, а според третия закон на механиката на Нютон - закона за равенството на действие и реакция - същата сила, но противоположно насочена, действа от страната на изхвърлената маса върху ракетата. Това последна силазадвижването на ракетата се нарича тяга. Интуитивно е ясно, че силата на тягата трябва да бъде толкова по-голяма, колкото по-голяма е масата за единица време, изхвърлена от ракетата и толкова по-голяма скорост, която може да се придаде на изхвърлената маса.

Най-простата схема на ракетно устройство:

На този етап от развитието на науката и технологиите съществуват ракетни двигатели, базирани на различни принципи на действие.

Термохимични ракетни двигатели.

Принципът на работа на термохимичните (или просто химически) двигатели не е сложен: в резултат на химична реакция (като правило реакция на горене) се отделя голямо количество топлина и продуктите от реакцията, нагрявани до висока температура, бързо разширяващи се, се изхвърлят от ракетата с висока скорост на потока. Химическите двигатели принадлежат към по-широк клас топлинни (топлообменни) двигатели, при които изтичането на работната течност се осъществява в резултат на нейното разширяване посредством нагряване. За такива двигатели дебитът зависи главно от температурата на разширяващите се газове и от средното им молекулно тегло: колкото по-висока е температурата и колкото по-ниско е молекулното тегло, толкова по-голям е дебитът. В съответствие с този принцип работят ракетни двигатели с течно гориво, ракетни двигатели с твърдо гориво и двигатели с въздушно дишане.

Ядрени топлинни машини.

Принципът на работа на тези двигатели е почти същият като този на химическите двигатели. Разликата е, че работният флуид се нагрява не поради собствената си химическа енергия, а поради "чуждото" отделяне на топлина по време на вътреядрената реакция. Този принцип се използва за проектиране на пулсиращи ядрени топлинни двигатели, ядрени топлинни двигатели, базирани на термоядрен синтез и на радиоактивен разпад на изотопите. Опасността от радиоактивно замърсяване на атмосферата и сключването на споразумение за прекратяване на ядрените опити в атмосферата, в космоса и под водата обаче доведе до прекратяване на финансирането на горепосочените проекти.

Топлинни двигатели с външен източник на енергия.

Техният принцип на действие се основава на получаване на енергия отвън. Съгласно този принцип е проектиран слънчев топлинен двигател, чийто източник на енергия е слънцето. Концентрирани с помощта на огледала, слънчевите лъчи се използват за директно нагряване на работната течност.

Електрически ракетни двигатели.

Този широк клас мотори комбинира различни видове двигатели, които в момента се разработват много интензивно. Ускорението на работната течност до определена скорост на потока се извършва с помощта на електрическа енергия. Енергията се получава от ядрена или слънчева електроцентрала на борда на космически кораб (по принцип дори от химическа батерия). Веригите на разработените електродвигатели са изключително разнообразни. Това са електротермични двигатели, електростатични (йонни) двигатели, електромагнитни (плазмени) двигатели, електрически двигатели с прием на работна течност от горните слоеве на атмосферата.

Космически ракети

Съвременната космическа ракета е сложна конструкция, състояща се от стотици хиляди и милиони части, всяка от които играе предназначението си. Но от гледна точка на механиката на ускоряване на ракетата до необходимата скорост, цялата първоначална маса на ракетата може да бъде разделена на две части: 1) масата на работната среда и 2) крайната маса, останала след изхвърлянето на работната среда. Това последно често се нарича "суха" маса, тъй като работната течност в повечето случаи е течно гориво. "Сухата" маса (или, ако предпочитате, "празната" маса, без работна среда, ракета) се състои от масата на конструкцията и масата на полезния товар. Под конструкцията трябва да се разбира не само носещата конструкция на ракетата, нейната обвивка и т.н., но и задвижващата система с всички нейни компоненти, системата за управление, която включва средства за управление, навигационно и комуникационно оборудване и т.н., с една дума, всичко това, което осигурява нормалния полет на ракетата. Полезният товар се състои от научно оборудване, система за радиотелеметрия, тялото на космическия кораб, който трябва да бъде изведен в орбита, екипажът и системата за поддържане на живота на космическия кораб и т.н.

Ускорението на ракетата се благоприятства от факта, че с изтичането на работната течност масата на ракетата намалява, поради което при постоянна тяга реактивното ускорение непрекъснато се увеличава. Но, за съжаление, ракетата не се състои само от една работна течност. С изтичането на работната течност освободените резервоари, излишните части на корпуса и т.н. започват да натоварват ракетата с мъртва тежест, което затруднява ускоряването. Препоръчително е понякога да отделите тези части от ракетата. Построена по този начин ракета се нарича композитна ракета. Често композитната ракета се състои от независими сценични ракети (благодарение на това могат да бъдат съставени различни етапи ракетни системи) свързани последователно. Но също така е възможно да свържете стъпалата паралелно, една до друга. И накрая, има проекти на композитни ракети, при които последният етап е вътре в предишния, този е в предишния и т.н .; етапите имат общ двигател и вече не са независими ракети. Съществен недостатък на последната схема е, че след отделянето на отработения етап реактивното ускорение се увеличава рязко, тъй като двигателят остава същият, следователно тягата не се е променила и ускорената маса на ракетата рязко е намаляла. Това усложнява точността на насочването на ракетите и налага повишени изисквания за здравината на конструкцията. Когато етапите са свързани последователно, нововключеният етап има по-малка тяга и ускорението не се променя с рязък скок. Докато първият етап е в експлоатация, можем да разглеждаме останалите етапи, заедно с истинския полезен товар, като полезен товар на първия етап. След отделянето на първия етап започва да работи вторият етап, който заедно с последващите етапи и истинския полезен товар образува независима ракета („първа подракета“). За втория етап всички следващи етапи, заедно с истинския полезен товар, играят ролята на свой собствен полезен товар и т.н. Всяка подракета добавя своя собствена идеална скорост към съществуващата скорост и в резултат на това крайната перфектна скорост многостепенна ракета е сумата от идеалните скорости на отделните подракети.

Ракетата е много "скъпо" превозно средство. Ракетите-носители на „космически кораби“ „транспортират“ главно горивото, необходимо за работа на техните двигатели, и собствената им конструкция, която се състои главно от резервоари за гориво и задвижваща система. Полезният товар представлява само малка част (1,5-2,0%) от стартовата маса на ракетата.

Композитната ракета дава възможност за по-рационално използване на ресурсите поради факта, че по време на полета се отделя етапът, който е изразходвал горивото си, а останалата част от ракетното гориво не се изразходва за ускоряване на проектирането на отработения етап, което е станало ненужно за продължаване на полета.

Опции за разположение на ракетите. От ляво на дясно:

1. Едностепенна ракета.
2. Двустепенна ракета с напречно сечение.
3. Надлъжно разделяне двустепенна ракета.
4. Ракета с външни резервоари за гориво, които се отделят след изчерпване на горивото в тях.

Структурно многостепенните ракети се правят с напречно или надлъжно разделяне на етапи.

При напречно разделяне стъпалата се поставят една над друга и работят последователно една след друга, като се включват само след като предишната стъпка е отделена. Подобна схема дава възможност за създаване на системи по принцип с произволен брой етапи. Недостатъкът му е, че ресурсите на следващите етапи не могат да бъдат използвани по време на работата на предишния, като са пасивно натоварване за него.

В случай на надлъжно разделяне, първият етап се състои от няколко еднакви ракети (на практика от две до осем), разположени симетрично около тялото на втория етап, така че резултатът от силите на тягата на двигателите от първия етап е насочен по оста на симетрия на втория и те работят едновременно. Тази схема позволява на двигателя от втория етап да работи едновременно с двигателите от първия, като по този начин увеличава общата тяга, което е особено необходимо по време на работата на първия етап, когато масата на ракетата е максимална. Но ракета с надлъжно разделяне на етапи може да бъде само двустепенна.

Съществува и комбинирана схема на разделяне - надлъжно-напречна, която позволява комбиниране на предимствата на двете схеми, при които първият етап е разделен от втория надлъжно, а разделянето на всички следващи етапи става напречно. Пример за този подход е вътрешният превозвач "Союз".

Космическият кораб Space Shuttle има уникална схема на двустепенна ракета с надлъжно разделяне, първият етап от която се състои от два странични усилвателя на твърдо гориво, като на втория етап част от горивото се съдържа в резервоарите на орбитата (самият космически кораб за многократна употреба) и по-голямата част е в разглобяемия външен резервоар за гориво. Първо, задвижващата система на орбиталния апарат изразходва гориво от външния резервоар и когато той се изчерпи, външният резервоар се изхвърля и двигателите продължават да работят върху горивото, съдържащо се в резервоарните орбитални устройства. Тази схема позволява максимално използване на задвижващата система на орбита, която работи по време на изстрелването на космическия кораб в орбита.

При напречно разделяне стъпалата са свързани помежду си със специални секции - адаптери - носещи конструкции с цилиндрична или конична форма (в зависимост от съотношението на диаметрите на стъпалата), всяка от които трябва да издържи общото тегло на всички следващи стъпки, умножено по максималната стойност на претоварването, изпитвано от ракетата във всички секции, на който този адаптер е част от ракетата. В случай на надлъжно разделяне на корпуса на втория етап, към който са прикрепени блоковете от първия етап, се създават силови ленти (отпред и отзад).

Елементите, свързващи частите на композитната ракета, й придават твърдостта на корпуса от едно парче и когато етапите са разделени, те почти незабавно трябва да освободят горния етап. Обикновено свързването на стъпките се извършва с помощта на пироболти. Пироболтът е закрепващ болт, в пръта на който е създадена кухина до главата, която е изпълнена с фугас с електрически детонатор. Когато към електрическия детонатор се подаде токов импулс, възниква експлозия, разрушавайки пръта на болта, в резултат на което главата му се откъсва. Количеството експлозиви в пироболта се дозира внимателно, така че, от една страна, да се гарантира, че ще откъсне главата, а от друга, да не повреди ракетата. Когато стъпалата са разделени на електрически детонатори на всички експлозивни болтове, свързващи частите, които трябва да бъдат разделени, едновременно се подава токов импулс и връзката се освобождава.

Освен това стъпалата трябва да бъдат разделени на безопасно разстояние една от друга. (Стартирането на двигателя от по-високия етап в близост до долния може да причини изгаряне на капацитета му на гориво и експлозия на остатъци от гориво, което ще повреди горния етап или ще дестабилизира полета му.) При разделяне на етапите в атмосферата, аеродинамичната сила на идващия въздушен поток може да се използва за тяхното разделяне и в празнотата понякога се използват малки ракетни двигатели с твърдо гориво.

На ракети с течно гориво тези двигатели служат и за „утаяване“ на горивото в резервоарите на горния етап: когато двигателят на долния етап е изключен, ракетата лети по инерция, в състояние на свободно падане, докато течното гориво в резервоарите е в окачено състояние, което може да доведе до до повреда при стартиране на двигателя. Спомагателните двигатели придават леко ускорение до етапа, което кара горивото да се "утаява" в дъното на резервоарите.

Увеличаването на броя на стъпките има положителен ефект само до определена граница. Колкото повече етапи има, толкова по-голяма е общата маса на адаптери, както и двигатели, работещи само в един полетен сегмент, и в един момент по-нататъшното увеличаване на броя на етапите става контрапродуктивно. AT съвременна практика ракетна наука повече от четири етапа обикновено не се прави.

Когато избирате броя на стъпките, проблемите с надеждността също са важни. Пироболтите и спомагателните ракетни двигатели с твърдо гориво са елементи с едно действие, чието функциониране не може да бъде проверено преди изстрелването на ракетата. Междувременно отказът само на един пироболт може да доведе до аварийно прекратяване на полета на ракетата. Увеличаването на броя на еднократните елементи, които не подлежат на функционални тестове, намалява надеждността на цялата ракета като цяло. Освен това принуждава дизайнерите да се въздържат от твърде много стъпки.

Космически скорости

Изключително важно е да се отбележи, че скоростта, развита от ракетата (и заедно с нея целия космически кораб) в активния участък от траекторията, т.е.в този относително къс участък, докато ракетният двигател работи, трябва да бъде много, много висока.

Нека мислено поставим нашата ракета в свободно пространство и включим нейния двигател. Двигателят създава тяга, ракетата получава известно ускорение и започва да набира скорост, движейки се по права линия (ако тягата не промени посоката си). Каква скорост ще придобие ракетата по времето, когато нейната маса намалее от началната m 0 до крайната стойност m k? Ако приемем, че скоростта на изтичане на веществото w от ракетата е непроменена (това е доста точно наблюдавано в модерни ракети), тогава ракетата ще развие скорост v, която е изразена по формулата на Циолковски, която определя скоростта, която самолетът развива под въздействието на тягата на ракетния двигател, непроменена в посока, при липса на всички останали сили:

където ln означава естествени, а log означава десетични логаритми

Скоростта, изчислена по формулата на Циолковски, характеризира енергийните ресурси на ракетата. Нарича се идеален. Виждаме, че идеалната скорост не зависи от втората консумация на масата на работното тяло, а зависи само от скоростта на потока w и от числото z \u003d m 0 / m k, наречено съотношение на масата или числото на Циолковски.

Съществува концепция за така наречените космически скорости: първата, втората и третата. Първата космическа скорост е скоростта, с която тяло (космически кораб), изстреляно от Земята, може да се превърне в негов спътник. Ако не вземем предвид влиянието на атмосферата, то непосредствено над морското равнище първата космическа скорост е 7,9 km / s и намалява с увеличаване на разстоянието от Земята. На височина 200 км от Земята е 7,78 км / сек. На практика се приема, че първата космическа скорост е 8 km / s.

За да преодолее гравитацията на Земята и да се превърне, например, в спътник на Слънцето или да достигне някоя друга планета от Слънчевата система, тяло, изстреляно от Земята (космически кораб), трябва да достигне втората космическа скорост, взета равна на 11,2 км / сек.

Тялото (космическият кораб) трябва да има третата космическа скорост близо до повърхността на Земята, когато се изисква да може да преодолее привличането на Земята и Слънцето и да напусне Слънчевата система. Предполага се, че третата космическа скорост е 16,7 km / s.

Космическите скорости са огромни по своето значение. Те са няколко десетки пъти по-високи от скоростта на звука във въздуха. Само от това става ясно какви са сложните задачи в областта на космонавтиката.

Защо космическите скорости са толкова огромни и защо космическите кораби не падат на Земята? Всъщност е странно: Слънцето чрез огромни гравитационни сили държи Земята и всички други планети на Слънчевата система близо до себе си, не им позволява да летят в космоса. Изглежда странно, че Земята държи Луната близо до себе си. Силите на гравитацията действат между всички тела, но планетите не падат върху Слънцето, защото са в движение и това е тайната.

Всичко пада на Земята: дъждовни капки, снежинки, камък, паднал от планина, и чаша, преобърната от масата. А луната? Върти се около Земята. Ако не бяха силите на гравитацията, тя щеше да отлети тангенциално към орбитата и ако внезапно спря, ще падне на Земята. Луната, поради привличането на Земята, се отклонява от праволинейната пътека, като през цялото време, като че ли, "пада" на Земята.

Луната се движи по определена дъга и докато действа гравитацията, Луната няма да падне на Земята. Така е и със Земята - ако спре, ще падне върху Слънцето, но това няма да се случи по същата причина. Два вида движения - единият под влияние на гравитацията, а другият по инерция - се събират и водят до криволинейно движение.

Законът за всеобщата гравитация, който поддържа Вселената в равновесие, е открит от английския учен Исак Нютон. Когато публикува откритието си, хората казаха, че е луд. Законът за гравитацията определя не само движението на Луната, Земята, но и всички небесни тела в Слънчевата система, както и изкуствени спътници, орбитални станции, междупланетни космически кораби.

Законите на Кеплер

Преди да разгледате орбитите на космическите кораби, помислете за законите на Кеплер, които ги описват.

Йоханес Кеплер имаше чувство за красота. През целия си възрастен живот той се опитва да докаже, че Слънчевата система е вид мистично произведение на изкуството. Отначало той се опита да свърже структурата му с пет правилни многогранника с класическа древногръцка геометрия. (Правилният многоъгълник е триизмерна фигура, всички лица на която са равни правилни полигони.) По времето на Кеплер бяха известни шест планети, които трябваше да бъдат поставени върху въртящи се „кристални сфери“. Кеплер твърди, че тези сфери са разположени по такъв начин, че правилните многогранници са точно вписани между съседните сфери. Между двете външни сфери - Сатурн и Юпитер - той е поставил куб, вписан във външната сфера, в който от своя страна е вписана вътрешната сфера; между сферите на Юпитер и Марс - тетраедър (правилен тетраедър) и др. Шест сфери на планетите, пет правилни многогранника, вписани между тях - изглежда, самото съвършенство?

Уви, сравнявайки своя модел с наблюдаваните орбити на планетите, Кеплер беше принуден да признае, че реалното поведение на небесните тела не се вписва в очертаната от него тънка рамка. Единственият оцелял резултат от този младежки порив на Кеплер е модел на Слънчевата система, направен от учения със собствената му ръка и представен като подарък на неговия покровител херцог Фредерик фон Вюртемберг. В този красиво изпълнен метален артефакт всички орбитални сфери на планетите и правилните многогранници, вписани в тях, са кухи контейнери, които не комуникират помежду си, които по празници трябваше да се пълнят с различни напитки, за да се почерпят гостите на херцога.

Едва след като се премества в Прага и става асистент на известния датски астроном Тихо Брахе, Кеплер се натъква на идеи, които наистина увековечават името му в аналите на науката. Тихо Брахе през целия си живот събира данни за астрономически наблюдения и натрупва огромни количества информация за движението на планетите. След смъртта му те са поети от Кеплер. Тези записи, между другото, са имали голяма търговска стойност по това време, тъй като те биха могли да се използват за съставяне на усъвършенствани астрологични хороскопи (днес учените предпочитат да мълчат за този раздел от ранната астрономия).

Докато обработваше резултатите от наблюденията на Тихо Брахе, Кеплер се сблъска с проблем, който дори при съвременните компютри може да изглежда на някой неразрешим и Кеплер нямаше друг избор, освен да извърши всички изчисления ръчно. Разбира се, както повечето астрономи от неговото време, Кеплер вече е бил запознат с хелиоцентричната система на Коперник и е знаел, че Земята се върти около Слънцето, както се вижда от горния модел на Слънчевата система. Но как точно се въртят Земята и другите планети? Нека си представим проблема по следния начин: вие сте на планета, която, първо, се върти около оста си, и второ, се върти около Слънцето в непозната за вас орбита. Поглеждайки към небето, виждаме други планети, които също се движат по непознати за нас орбити. И задачата е да се определи геометрията на орбитите и скоростта на движение на други планети от данните от наблюденията, направени на нашия глобус, въртящ се около оста си около Слънцето. Това в крайна сметка успя да направи Кеплер, след което въз основа на получените резултати изведе трите си закона!

Първият закон описва геометрията на траекториите на планетни орбити: всяка планета на Слънчевата система се върти по елипса, в един от фокусите на която е слънцето. От училищния курс по геометрия - елипса е набор от точки на равнина, сумата от разстоянията от които до две неподвижни точки - фокуси - е равна на константа. Или по друг начин - представете си участък от страничната повърхност на конус от равнина под ъгъл спрямо основата му, който не минава през основата - това също е елипса. Първият закон на Кеплер просто твърди, че орбитите на планетите са елипси, в един от фокусите на които се намира Слънцето. Ексцентриситетите (степента на удължаване) на орбитите и тяхното разстояние от Слънцето в перихелия (най-близката точка до Слънцето) и апогелиите (най-отдалечената точка) са различни за всички планети, но всички елиптични орбити имат едно общо нещо - Слънцето се намира в един от двата фокуса на елипсата. След анализ на наблюденията на Тихо Брахе, Кеплер заключи, че планетарните орбити са набор от вложени елипси. Преди него това просто не е хрумнало на нито един астроном.

Историческото значение на първия закон на Кеплер трудно може да бъде надценено. Преди него астрономите вярвали, че планетите се движат изключително по кръгови орбити и ако това не се вписва в рамките на наблюденията, основното кръгово движение се допълва от малки кръгове, които планетите описват около точките на главната кръгова орбита. Това беше преди всичко философска позиция, един вид неизменен факт, който не подлежи на съмнение и проверка. Философи твърдят, че небесната структура, за разлика от земната, е перфектна в своята хармония и тъй като най-съвършените от геометричните фигури са кръгът и сферата, това означава, че планетите се движат в кръг. Основното е, че след като получи достъп до обширните наблюдателни данни на Тихо Брахе, Йоханес Кеплер успя да прекрачи този философски предразсъдък, виждайки, че той не съответства на фактите - точно както Коперник се осмели да премахне Земята от центъра на Вселената, изправен пред аргументи, които противоречат на постоянните геоцентрични представи, които също се състоеше от „неправилното поведение“ на планетите в орбити.

Вторият закон описва промяната в скоростта на движение на планетите около Слънцето: всяка планета се движи в равнина, преминаваща през центъра на Слънцето, и за равни интервали от време радиусният вектор, свързващ Слънцето и планетата, описва равни площи. Колкото по-далеч от Слънцето елиптичната орбита отвежда планетата, толкова по-бавно е движението, толкова по-близо до Слънцето, толкова по-бързо се движи планетата. Сега си представете двойка отсечки от права, свързващи две планетни позиции в орбита с фокуса на елипсата, в която се намира Слънцето. Заедно с сегмента на елипсата, разположен между тях, те образуват сектор, чиято площ е точно същата „област, която е отрязана от прав участък“. За нея казва вторият закон. Колкото по-близо е планетата до Слънцето, толкова по-къси са сегментите. Но в този случай, за да може секторът да покрие еднаква площ за еднакво време, планетата трябва да измине по-голямо разстояние в своята орбита, което означава, че скоростта му на движение се увеличава.

Първите два закона се занимават със спецификата на орбиталните траектории на една планета. Третият закон на Кеплер позволява да се сравняват орбитите на планетите помежду си: квадратите на периодите на революция на планетите около Слънцето са свързани като кубчета на полу-големите оси на орбитите на планетите. В него се казва, че колкото по-далеч от Слънцето е планетата, толкова по-дълго е необходимо за пълната й революция при движение в орбита и съответно по-дълго продължава „годината“ на тази планета. Днес знаем, че това се дължи на два фактора. Първо, колкото по-далеч е планетата от Слънцето, толкова по-дълъг е периметърът на нейната орбита. На второ място, с увеличаване на разстоянието от Слънцето, линейната скорост на движението на планетата също намалява.

В своите закони Кеплер просто излага факти, като изучава и обобщава резултатите от наблюденията. Ако го попитате какво е причинило елиптичността на орбитите или равенството на областите на секторите, той нямаше да ви отговори. Това просто следва от анализа му. Ако го попитате за орбиталното движение на планетите в други звездни системи, той също няма да намери отговор за вас. Той ще трябва да започне отначало - да натрупва данни за наблюдение, след това да ги анализира и да се опита да идентифицира модели. Тоест той просто няма да има основания да вярва, че друга планетарна система се подчинява на същите закони като Слънчевата система.

Един от най-големите триумфи на нютоновата класическа механика се крие именно във факта, че тя осигурява фундаментална основа за законите на Кеплер и отстоява тяхната универсалност. Оказва се, че законите на Кеплер могат да бъдат извлечени от законите на Нютон за механиката, закона на Нютон за всеобщата гравитация и закона за запазване на ъгловия момент чрез строги математически изчисления. И ако е така, можем да сме сигурни, че законите на Кеплер са еднакво приложими за всяка планетарна система навсякъде във Вселената. Астрономите, които търсят нови планетни системи в световното пространство (и доста от тях вече са открити), от време на време, разбира се, използват уравненията на Кеплер за изчисляване на параметрите на орбитите на далечни планети, въпреки че не могат да ги наблюдават директно.

Третият закон на Кеплер е играл и играе важна роля в съвременната космология. Наблюдавайки отдалечени галактики, астрофизиците регистрират слаби сигнали, излъчвани от водородни атоми, орбитиращи много далеч от орбитите на галактическия център - много по-далеч, отколкото обикновено са звездите. Чрез Доплеров ефект в спектъра на това излъчване учените определят скоростите на въртене на водородната периферия на галактическия диск, а от тях - и ъгловите скорости на галактиките като цяло. Трудовете на учения, който твърдо ни постави на пътя на правилното разбиране на структурата на нашата Слънчева система и днес, векове след смъртта му, играят толкова важна роля в изучаването на структурата на необятната вселена.

Орбити

От голямо значение е изчисляването на траекториите на полета на космическите кораби, при което трябва да се преследва основната цел - максимално спестяване на енергия. При изчисляване на траекторията на полета на космически кораб е необходимо да се определи най-благоприятното време и, ако е възможно, мястото на изстрелване, да се вземат предвид аеродинамичните ефекти, произтичащи от взаимодействието на космическия кораб със земната атмосфера в началото и финала и много други.

Много съвременни космически кораби, особено тези с екипаж, разполагат с относително малки бордови ракетни двигатели, чиято основна цел е необходимата корекция на орбитата и спиране при кацане. При изчисляване на траекторията на полета трябва да се вземат предвид промените, свързани с корекции. По-голямата част от траекторията (всъщност цялата траектория, с изключение на нейната активна част и периодите на корекция) се извършва с изключени двигатели, но, разбира се, под въздействието на гравитационните полета на небесните тела.

Траекторията на космическия кораб се нарича орбита. По време на свободния полет на космическия кораб, когато неговите бордови реактивни двигатели са изключени, движението се извършва под въздействието на гравитационни сили и по инерция, като основната сила е земната гравитация.

Ако Земята се счита за строго сферична и действието на гравитационното поле на Земята е единствената сила, тогава движението на космическия кораб се подчинява на добре известните закони на Кеплер: то се извършва в фиксирана (в абсолютно пространство) равнина, минаваща през центъра на Земята - равнината на орбитата; орбитата има формата на елипса или кръг (специален случай на елипса).

Орбитите се характеризират с редица параметри - система от величини, които определят ориентацията на орбитата на небесно тяло в пространството, неговия размер и форма, както и положението в орбитата на небесно тяло в определен фиксиран момент. Ненарушената орбита, по която тялото се движи в съответствие със законите на Кеплер, се определя от:

1. Наклон на орбитата (i) към референтната равнина; може да варира от 0 ° до 180 °. Наклонът е по-малък от 90 °, ако за наблюдател на северния полюс на еклиптиката или северния полюс на света тялото изглежда се движи обратно на часовниковата стрелка и повече от 90 °, ако тялото се движи в обратна посока. Що се отнася до Слънчевата система, равнината на земната орбита (равнината на еклиптиката) обикновено се избира като референтна равнина; за изкуствените сателити на Земята екваториалната равнина на Земята обикновено се избира като референтна равнина;
2. Географска дължина на възходящ възел (Ω)е един от основните елементи на орбитата, използван за математическо описание на формата на орбитата и нейната ориентация в пространството. Указва точката, в която орбитата пресича основната равнина от юг на север. За тела, въртящи се около Слънцето, основната равнина е еклиптиката, а нулевата точка е Първата точка на Овен (пролетното равноденствие).
3. Полу-голяма ос (а) е половината от главната ос на елипсата. В астрономията тя характеризира средното разстояние на небесно тяло от фокуса.
4. Ексцентричност - числена характеристика на коничния разрез. Ексцентричността е инвариантна по отношение на равнинните движения и трансформациите на сходство и характеризира „компресията“ на орбитата.
5. Аргумент на перицентъра - се определя като ъгъл между посоките от привличащия център към възходящия възел на орбитата и към периапсиса (точката на орбитата на спътника, най-близка до привличащия център), или ъгълът между линията на възлите и линията на апсидите. Измерва се от атрактивния център по посока на движението на спътника, обикновено избран в диапазона от 0 ° -360 °. За определяне на възходящ и низходящ възел се избира определена (т. Нар. Базова) равнина, съдържаща привличащия център. Обикновено като основа се използват равнината на еклиптиката (движението на планети, комети, астероиди около Слънцето), равнината на екватора на планетата (движението на сателитите около планетата) и др.
6. Средна аномалия за тяло, движещо се в необезпокоявана орбита, това е произведение на средното му движение и интервала от време след преминаване на перицентра. По този начин средната аномалия е ъгловото разстояние от периапсиса на хипотетично тяло, движещо се с постоянна ъглова скорост, равна на средната движение.

Има различни видове орбити - екваториални (наклон "i" \u003d 0 °), полярни (наклон "i" \u003d 90 °), слънчеви синхронни орбити (орбиталните параметри са такива, че сателитът преминава над всяка точка земна повърхност при приблизително същото местно слънчево време), ниска орбита (надморска височина от 160 км до 2000 км), средна орбита (надморска височина от 2000 км до 35786 км), геостационарна (надморска височина 35786 км), висока орбита (над 35786 км надморска височина).

Годините 1957-1958 са белязани от най-големите постижения на Съветския съюз в областта на ракетната техника.

Вимпели на борда на първата съветска космическа ракета. Отгоре - сферичен флаг, символизиращ изкуствена планета; отдолу - вимпелна лента (от предната и задната страна).

Изстрелванията на съветски изкуствени земни спътници направиха възможно натрупването на необходимия материал за извършване на космически полети и достигане до други планети от Слънчевата система. Изследванията и разработките, извършени в СССР, бяха насочени към създаване на изкуствени земни спътници, големи по размер и тегло.

Както е известно, теглото на третия съветски изкуствен спътник е 1327 килограма.

С успешното изстрелване на първия изкуствен сателит на Земята на 4 октомври 1957 г. и последвалите изстрелвания на тежки съветски спътници по програмата „Международна геофизична година“ е получена първата космическа скорост - 8 километра в секунда.

В резултат на по-нататъшната творческа работа на съветски учени, дизайнери, инженери и работници, сега е създадена многостепенна ракета, чийто последен етап е способен да достигне втората космическа скорост - 11,2 километра в секунда, осигуряваща възможност за междупланетни полети.

На 2 януари 1959 г. СССР изстреля космическа ракета към Луната. Многостепенната космическа ракета, според дадена програма, навлезе в траекторията към Луната. По предварителни данни последният етап на ракетата е получил необходимата втора космическа скорост. Продължавайки движението си, ракетата преминава източната граница на Съветския съюз, преминава над Хавайските острови и продължава да се движи над Тихия океан, бързо отдалечавайки се от Земята.

В 3 часа и 10 минути по московско време на 3 януари космическата ракета, движеща се към Луната, ще премине над южната част на Суматра на около 110 хиляди километра от Земята. Според предварителните изчисления, които са прецизирани чрез преки наблюдения, приблизително в 7:00 часа на 4 януари 1959 г. космическата ракета ще достигне района на Луната.

Последният етап от космическа ракета с тегло 1472 килограма без гориво е оборудван със специален контейнер, вътре в който има измервателна апаратура за извършване на следните научни изследвания:

Откриване на магнитното поле на Луната;

Изследване на интензитета и вариациите на интензитета на космическите лъчи извън магнитното поле на Земята;

Регистрация на фотони в космическо излъчване;

Откриване на радиоактивността на Луната;

Изследване на разпределението на тежки ядра в космическата радиация;

Изследване на газовия компонент на междупланетната материя;

Изследване на корпускулярното лъчение на Слънцето;

Изследване на метеорни частици.

За наблюдение на полета на последния етап от космическата ракета той е оборудван с:

Радиопредавател, излъчващ телеграфни съобщения с продължителност 0,8 и 1,6 секунди на две честоти 19,997 и 19,995 мегагерца;

Радиопредавател, работещ на честота 19,993 мегахерца чрез телеграфни съобщения с променлива продължителност от порядъка на 0,5-0,9 секунди, с помощта на които се предават научни наблюдения;

Радиопредавател, излъчващ с честота 183,6 мегагерца и използван за измерване на параметрите на движение и предаване на научна информация на Земята;

Специално оборудване, предназначено да създаде натриев облак - изкуствена комета.

Изкуствена комета може да се наблюдава и снима с оптични средства, оборудвани със светлинни филтри, които подчертават натриевата спектрална линия.

Изкуствената комета ще се формира на 3 януари около 3:57 часа московско време и ще бъде видима за около 2-5 минути в съзвездието Дева, приблизително в центъра на триъгълника, образуван от звездите алфа Буутс, алфа Дева и алфа Везни.

Космическата ракета носи на борда си флаг с герб на Съветския съюз и надпис: „Съюз на съветските социалистически републики. Януари 1959 г. ".

Общото тегло на научното и измервателно оборудване, заедно със захранващите устройства и контейнера, е 361,3 килограма.

Научни измервателни станции, разположени в различни региони на Съветския съюз, наблюдават първия междупланетен полет. Определянето на елементите на траекторията се извършва на електронни изчислителни машини според данните за измерване, автоматично подадени към координационно-изчислителния център.

Обработката на резултатите от измерванията ще позволи да се получат данни за движението на космическа ракета и да се определят онези части от междупланетното пространство, в които се правят научни наблюдения.

Творческата работа на целия съветски народ, насочена към решаването на най-важните проблеми от развитието на социалистическото общество в интерес на цялото прогресивно човечество, даде възможност да се осъществи първият успешен междупланетен полет.

Изстрелването на съветска космическа ракета за пореден път показва високото ниво на развитие на вътрешната ракета и за пореден път демонстрира на целия свят изключителните постижения на напредналата съветска наука и техника.

Най-големите тайни на Вселената ще станат по-достъпни за човека, който в близко бъдеще сам ще може да стъпи на повърхността на други планети.

Екипите от изследователски институти, конструкторски бюра на фабрики и тестови организации, създали нова ракета за междупланетна комуникация, посвещават това стартиране на 21-ви конгрес на Комунистическата партия на Съветския съюз.

Предаването на данни за полета на космическата ракета ще се извършва редовно от всички радиостанции на Съветския съюз.

КОСМИЧЕСКИ РАКЕТЕН ПОЛЕТ

Многоетапната космическа ракета беше изстреляна вертикално от повърхността на Земята.

Под въздействието на програмния механизъм на автоматичната система, която управлява ракетата, нейната траектория постепенно се отклонява от вертикалата. Скоростта на ракетата се увеличава бързо.

В края на секцията за ускорение последният етап на ракетата набра скоростта, необходима за по-нататъшното й движение.

Системата за автоматично управление на последния етап изключи ракетния двигател и даде команда за отделяне на контейнера с научно оборудване от последния етап.

Контейнерът и последният етап от ракетата навлязоха в траекторията и започнаха да се движат към Луната, намирайки се на близко разстояние един от друг.

За да преодолее гравитацията, космическата ракета трябва да набере скорост не по-малка от втората космическа скорост. Втората космическа скорост, наричана още параболична, на повърхността на Земята е 11,2 километра в секунда.

Тази скорост е критична в смисъл, че при по-ниски скорости, наречени елиптични, тялото или се превръща в спътник на Земята, или, след като се е издигнало до определена максимална височина, се връща на Земята.

При скорости, по-големи от втората космическа скорост (хиперболични скорости) или равни на нея, тялото е в състояние да преодолее гравитацията и да се отдалечи от Земята завинаги.

Съветската космическа ракета надхвърли втората космическа скорост към момента, в който ракетният двигател на последния си етап беше изключен. По-нататъшното движение на ракетата, докато тя се приближи до Луната, се влияе главно от гравитацията на Земята. В резултат на това според законите на небесната механика траекторията на ракетата спрямо центъра на Земята е много близка до хипербола, за която центърът на Земята е един от нейните фокуси. Траекторията е най-извита близо до Земята и се изправя с отдалечаване от Земята. На големи разстояния от Земята траекторията става много близо до права линия.

Схема на маршрута на космическата ракета на повърхността на Земята.

Числата на диаграмата съответстват на последователните позиции на проекцията на ракетата върху повърхността на Земята: 1 - 3 часа на 3 януари на 100 хиляди километра от Земята; 2 - образуването на изкуствена комета; 3 - 6 часа, 137 хиляди километра; 4 - 13 часа, 209 хиляди километра; 5 -19 часа, 265 хиляди километра; 6 - 21 часа, 284 хиляди километра; 7 - 5 часа 59 минути на 4 януари, 370 хиляди километра - моментът на най-близкото приближаване до Луната: 8 -12 часа, 422 хиляди километра; 9 - 22 часа, 510 хиляди

В началото на движението на ракетата по хиперболична траектория тя се движи много бързо. С увеличаването на разстоянието от Земята обаче скоростта на ракетата намалява поради силата на гравитацията. И така, ако на височина 1500 км скоростта на ракета спрямо центъра на Земята беше малко повече от 10 километра в секунда, то на височина 100 хиляди километра тя вече беше равна на около 3,5 километра в секунда.

Траекторията на приближаване на ракетата към Луната.

Скоростта на въртене на радиусния вектор, свързващ центъра на Земята с ракетата, намалява, съгласно втория закон на Кеплер, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието от центъра на Земята. Ако в началото на движението тази скорост беше около 0,07 градуса в секунда, тоест повече от 15 пъти ъгловата скорост на ежедневното въртене на Земята, то след около час тя стана по-малка от ъгловата скорост на Земята. Когато ракетата се приближи до Луната, скоростта на въртене на нейния радиус вектор намалява с повече от 2000 пъти и вече става пет пъти по-малка от ъгловата скорост на лунната революция около Земята. Скоростта на въртене на Луната е само 1/27 от ъгловата скорост на Земята.

Тези особености на движението на ракетата по траекторията определят естеството на нейното движение спрямо повърхността на Земята.

Картата изобразява движението на проекцията на ракета върху повърхността на Земята във времето. Докато скоростта на въртене на радиусния вектор на ракетата беше голяма в сравнение със скоростта на въртене на Земята, тази проекция се движеше на изток, като постепенно се отклоняваше на юг. Тогава проекцията започна да се движи първо на югозапад и 6-7 часа след изстрелването на ракетата, когато скоростта на завъртане на радиусния вектор стана много ниска, почти точно на запад.

Пътят на ракетата до Луната на звездната карта.

Движението на ракетата сред съзвездията на небесната сфера е показано на диаграмата. Движението на ракетата в небесната сфера беше много неравномерно - бързо в началото и много бавно към края.

След около час полет пътят на ракетата върху небесната сфера навлезе в съзвездието Кома Вероника. След това ракетата се придвижи по небесния скал към съзвездието Дева, в което се приближи до Луната.

На 3 януари, в 3 часа 57 минути по московско време, когато ракетата е била в съзвездието Дева, приблизително в средата на триъгълника, образуван от звездите Арктур, Спика и Алфа Везни, специално устройство, инсталирано на борда на ракетата, създава изкуствена комета, състояща се от светещи натриеви пари в лъчите на слънцето. Тази комета може да се наблюдава от Земята с оптични средства в продължение на няколко минути. По време на преминаването си близо до Луната ракетата е била в небесната сфера между звездите Спика и Алфа Везни.

Пътят на ракетата по небосвода, когато се приближава към Луната, е наклонен към пътя на Луната с около 50 °. Близо до Луната ракетата се движи в небесната сфера около 5 пъти по-бавно от Луната.

Луната, движеща се по своята орбита около Земята, се приближава до точката на срещата с ракетата вдясно, когато се гледа от северната част на Земята. Ракетата се приближи до тази точка отгоре и отдясно. През периода на най-близкото приближаване ракетата беше над и малко вдясно от Луната.

Времето за полет на ракетата до орбитата на Луната зависи от превишението на началната скорост на ракетата над втората космическа скорост и ще бъде колкото по-малко, толкова по-голямо е това излишък. Изборът на величината на този излишък е направен, като се вземе предвид факта, че преминаването на ракетата близо до Луната може да се наблюдава от радиосъоръжения, разположени на територията на Съветския съюз и в други европейски страни, както и в Африка и в по-голямата част от Азия. Времето за пътуване на космическата ракета до Луната беше 34 часа.

По време на най-близкия подход разстоянието между ракетата и Луната е било, според актуализирани данни, 5-6 хиляди километра, т.е. приблизително един и половина пъти диаметъра на Луната.

Когато космическата ракета се приближи до Луната на разстояние от няколко десетки хиляди километра, гравитацията на Луната започна да има забележим ефект върху движението на ракетата. Действието на гравитацията на Луната доведе до отклонение на посоката на ракетата и промяна в величината на нейната скорост на полет близо до Луната. Когато се приближаваше, Луната беше по-ниска от ракетата и следователно, поради привличането на Луната, посоката на полета на ракетата се отклоняваше надолу. Привличането на Луната също създаде локално увеличение на скоростта. Това увеличение достигна своя връх при най-близкия подход.

След като се приближи до Луната, космическата ракета продължи да се отдалечава от Земята, скоростта й спрямо центъра на Земята намаля, приближавайки се до стойност, равна на около 2 километра в секунда.

На разстояние около 1 милион километра или повече от Земята, влиянието на гравитацията на Земята върху ракетата отслабва толкова много, че може да се счита, че движението на ракетата става само под въздействието на гравитационната сила на Слънцето. Около 7-8 януари съветска космическа ракета навлезе в своята независима орбита около Слънцето, стана нейният спътник, превръщайки се в първата изкуствена планета в Слънчевата система в света.

Скоростта на ракетата спрямо центъра на Земята в периода 7-8 януари е била насочена приблизително в същата посока като скоростта на Земята при нейното движение около Слънцето. Тъй като скоростта на Земята е 30 километра в секунда, а скоростта на ракетата спрямо Земята е 2 километра в секунда, скоростта на ракетата, подобно на планета, около Слънцето е била приблизително 32 километра в секунда.

Точните данни за положението на ракетата, посоката и големината на нейната скорост на големи разстояния от Земята позволяват, според законите на небесната механика, да се изчисли движението на космическа ракета като планета на Слънчевата система. Орбитата е изчислена, без да се вземат предвид смущения, които могат да причинят планетите и другите тела на Слънчевата система. Изчислената орбита се характеризира със следните данни:

наклонът на орбитата към равнината на земната орбита е около 1 °, тоест много малко;

ексцентриситетът на орбитата на изкуствената планета е 0,148, което е забележимо по-голямо от ексцентричността на земната орбита, равна на 0,017;

минималното разстояние от Слънцето ще бъде около 146 милиона километра, тоест ще бъде само с няколко милиона километра по-малко от разстоянието на Земята от Слънцето (средното разстояние на Земята от Слънцето е 150 милиона километра);

максималното разстояние на изкуствената планета от Слънцето ще бъде около 197 милиона километра, т.е. космическата ракета ще бъде на 47 милиона километра по-далеч от Слънцето от Земята;

периодът на революция на изкуствената планета около Слънцето ще бъде 450 дни, тоест около 15 месеца. Минималното разстояние от Слънцето ще бъде достигнато за първи път в средата на януари 1959 г., а максималното - в началото на септември 1959 г.

Очаквана орбита на изкуствената планета спрямо Слънцето.

Интересно е да се отбележи, че орбитата на съветската изкуствена планета се доближава до орбитата на Марс на разстояние от около 15 милиона километра, тоест около 4 пъти по-близо от орбитата на Земята.

Разстоянието между ракетата и Земята, докато се движат около Слънцето, ще се променя, след това се увеличава, след това намалява. Най-голямото разстояние между тях може да достигне стойности от 300-350 милиона километра.

В процеса на революция на изкуствената планета и Земята около Слънцето те могат да се доближат един до друг на разстояние около милион километра.

ПОСЛЕДЕН ЕТАП НА КОСМИЧЕСКАТА РАКЕТА И КОНТЕЙНЕР С НАУЧЕН АПАРАТ

Последният етап на космическата ракета е управляема ракета, прикрепена с помощта на адаптер към предишния етап.

Ракетата се управлява от автоматична система, която стабилизира позицията на ракетата по дадена траектория и осигурява проектната скорост в края на работата на двигателя. Последният етап от космическата ракета тежи 1472 килограма след изразходване на работното си запас от гориво.

В допълнение към устройствата, които осигуряват нормалния полет на последния етап на ракетата, тялото й съдържа:

запечатан, подвижен контейнер с научно и радиотехническо оборудване;

два предавателя с антени, работещи на честоти от 19.997 MHz и 19.995 MHz;

брояч на космически лъчи;

радиосистема, с помощта на която се определя траекторията на полета на космическа ракета и се прогнозира по-нататъшното й движение;

апарат за образуване на изкуствена натриева комета.

Петоъгълни елементи на сферичен флаг.

Контейнерът се намира в горната част на последния етап на космическата ракета и е защитен от нагряване, когато ракетата преминава през плътните слоеве на атмосферата от изпуснатия конус.

Контейнерът се състои от две сферични тънки получерупки, херметично свързани помежду си с рамки с уплътнително уплътнение, изработено от специална гума. На една от полуобвивките на контейнера има 4 антенни пръта на радиопредавател, работещи на честота 183,6 mhz... Тези антени са фиксирани върху корпуса симетрично спрямо куха алуминиева пръчка, в края на която има сензор за измерване на магнитното поле на Земята и откриване на магнитното поле на Луната. Докато защитният конус не падне, антените се сгъват и фиксират върху щифта на магнитометъра. След като защитният конус се изпусне, антените се разгъват. В същата получерупка има два протонни капана за откриване на газообразния компонент на междупланетната материя и два пиезоелектрични сензора за изследване на метеорни частици.

Получерупките на контейнера са изработени от специална алуминиево-магнезиева сплав. На рамката на долната получерупка е прикрепена инструментална рамка от тръбна конструкция, изработена от магнезиева сплав, върху която са разположени инструментите на контейнера.

Следното оборудване се намира вътре в контейнера:

1. Оборудване за радио наблюдение на траекторията на ракетата, състоящо се от предавател, работещ на честота 183,6 MHz, и приемник.

2. Радиопредавател, работещ на честота 19,993 MHz.

3. Телеметричен уред, предназначен за предаване на научни измервания, както и данни за температурата и налягането в контейнера, на Земята чрез радиосистеми.

4. Оборудване за изследване на газообразния компонент на междупланетната материя и корпускулярното лъчение на Слънцето.

5. Оборудване за измерване на магнитното поле на Земята и откриване на магнитното поле на Луната.

6. Оборудване за изследване на метеорни частици.

7. Оборудване за регистрация на тежки ядра в първично космическо излъчване.

8. Оборудване за регистриране на интензитета и вариациите на интензитета на космическите лъчи и за регистрация на фотони в космическото лъчение.

Радиооборудването и научното оборудване на контейнера се захранват от сребърно-цинкови батерии и оксидно-живачни батерии, разположени на инструменталната рамка на контейнера.

Контейнер с научно и измервателно оборудване (на монтажна количка).

Контейнерът се пълни с газ при налягане 1,3 атм. Дизайнът на контейнера осигурява висока плътност на вътрешния обем. Температурата на газа в контейнера се поддържа в определени граници (около 20 ° C). Посочено температурен режим осигурено чрез придаване на определена отражателна способност и излъчване на обвивката на контейнера поради специална обработка на обвивката. Освен това в контейнера е монтиран вентилатор, който осигурява принудителна циркулация на газа. Газът, циркулиращ в контейнера, отвежда топлината от устройствата и я подава към обвивката, която е един вид радиатор.

Отделянето на контейнера от последния етап на космическата ракета става след края на задвижващата система от последния етап.

Отделянето на контейнера е необходимо от гледна точка на осигуряване на топлинния режим на контейнера. Факт е, че контейнерът съдържа устройства, които отделят голямо количество топлина. Термичният режим, както е посочено по-горе, се осигурява чрез поддържане на определен баланс между топлината, отделяна от обвивката на контейнера, и топлината, получена от обвивката от Слънцето.

Отделението на контейнера осигурява нормалната работа на контейнерните антени и оборудване за измерване на магнитното поле на Земята и откриване на магнитното поле на Луната; В резултат на отделянето на контейнера се елиминират магнитните влияния на металната структура на ракетата върху показанията на магнитометъра.

Общото тегло на научното и измервателно оборудване с контейнера, заедно с захранващите устройства, разположени на последния етап от космическата ракета, е 361,3 килограма.

В чест на създаването на първата космическа ракета в Съветския съюз, която се превърна в изкуствена планета на Слънчевата система, върху ракетата са инсталирани две флагчета с държавната емблема на Съветския съюз. Тези флагчета се намират в контейнер.

Един флаг е направен под формата на тънка метална лента. От едната страна на лентата има надпис: „Съюз на съветските социалистически републики“, а от другата страна има гербовете на Съветския съюз и надписът: „януари 1959 г. януари“. Надписите са направени по специален фотохимичен метод, който осигурява дългосрочното им запазване.

Инструментална рамка на контейнера с оборудване и захранвания (на монтажна количка).

Вторият флаг е сферичен, символизиращ изкуствена планета. Повърхността на сферата е покрита с петоъгълни елементи, изработени от специална неръждаема стомана. От едната страна на всеки елемент има надпис: „СССР януари 1959 г.“, от другата - гербът на Съветския съюз и надписът „СССР“.

КОМПЛЕКС ИЗМЕРВАТЕЛНИ ИНСТРУМЕНТИ

За наблюдение на полета на космическа ракета, измерване на параметрите на нейната орбита и получаване на научни измервания от самолета е използван голям набор от измервателни уреди, разположени на цялата територия на Съветския съюз.

Измервателният комплекс се състоеше от: група автоматизирани радарни устройства, предназначени за точно определяне на елементите на началната орбитна секция; група радиотелеметрични станции за запис на научна информация, предавана от космическата ракета; радиотехническа система за наблюдение на елементите на траекторията на ракетата на големи разстояния от Земята; радиотехнически станции, използвани за приемане на сигнали на честотите 19.997, 19.995 и 19.993 MHz; оптични средства за наблюдение и заснемане на изкуствена комета.

Координацията на работата на всички измервателни уреди и обвързването на резултатите от измерванията с астрономическото време бяха извършени с помощта на специално оборудване на единното време и радиокомуникационните системи.

Обработката на данни за измерване на траектория, идващи от зоните, където се намират станциите, определянето на орбиталните елементи и издаването на целеви обозначения на измервателните уреди се извършваха от координационно-изчислителния център на електронни изчислителни машини.

Автоматизиран радарни станции бяха използвани за бързо определяне на първоначалните условия за движение на космическа ракета, издаване на дългосрочна прогноза за движението на ракетата и данни за обозначаване на целта на всички средства за измерване и наблюдение. Данните от измерванията на тези станции с помощта на специални изчислителни устройства бяха преобразувани в двоичен код, осреднени, свързани с астрономическото време с точност от няколко милисекунди и автоматично издавани в комуникационната линия.

За да се предотвратят измервателните данни от възможни грешки по време на предаване по комуникационни линии, информацията за измерването беше кодирана. Използването на кода даде възможност да се намери и коригира една грешка в предадения номер и да се намерят и изхвърлят числа с две грешки.

Трансформираната по този начин информация за измерванията е изпратена до координационно-изчислителния център. Тук измервателните данни с помощта на входни устройства автоматично се натъпкват върху перфокарти, според които електронните изчислителни машини извършват съвместна обработка на резултатите от измерването и изчисляване на орбитата. Въз основа на използването на голям брой измервания на траектория в резултат на решаване на задача за гранична стойност, използвайки метода на най-малките квадрати, бяха определени първоначалните условия за движение на космическа ракета. След това беше интегрирана система от диференциални уравнения, която описва съвместното движение на ракетата, Луната, Земята и Слънцето.

Телеметричните наземни станции получават научна информация от космическата ракета и я записват на фотографски филми и магнитни ленти. За да се осигури дълъг обхват на приемане на радиосигнали, бяха използвани високочувствителни приемници и специални антени с голяма ефективна площ.

Приемащите радиотехнически станции, работещи на честоти 19.997, 19.995, 19.993 MHz, приемаха радиосигнали от космическа ракета и записваха тези сигнали на магнитни ленти. В същото време бяха направени измервания на силата на полето и редица други измервания, които направиха възможно извършването на йоносферни изследвания.

Чрез промяна на вида на манипулацията на предавателя, работещ на две честоти 19.997 и 19.995 MHz, се предават данни за космическите лъчи. Основната научна информация се предава по канала на предавателя, излъчвайки с честота 19,993 MHz, чрез промяна на продължителността на интервала между телеграфните съобщения.

За оптично наблюдение на космическата ракета от Земята е използвана изкуствена натриева комета, за да се потвърди фактът на преминаването на космическата ракета по този участък от нейната траектория. Изкуствената комета е формирана на 3 януари в 3 часа 57 минути московско време на разстояние 113 хиляди километра от Земята. Наблюдението на изкуствена комета беше възможно от райони Централна Азия, Кавказ, Близкия изток, Африка и Индия. Фотографирането на изкуствената комета се извършва с помощта на специално създадено оптично оборудване, инсталирано в южните астрономически обсерватории на Съветския съюз. За да увеличим контраста на фотографските отпечатъци, използвахме светлинни филтри, които подчертават натриевата спектрална линия. За да се увеличи чувствителността на фотографското оборудване, редица инсталации бяха оборудвани с електронно-оптични преобразуватели.

Въпреки неблагоприятното време в повечето райони от местоположението на оптичните средства за наблюдение на космическата ракета, бяха получени няколко снимки на натриевата комета.

Наблюдението на орбитата на космическа ракета до разстояния 400-500 хиляди километра и измерването на елементите на нейната траектория се извършват с помощта на специална радиотехническа система, работеща на честота 183,6 MHz.

Данните от измерванията в строго определени моменти от времето автоматично се показват и записват в цифров код на специални устройства.

Заедно с времето, в което бяха взети показанията на радиотехническата система, тези данни бяха незабавно изпратени до координационно-изчислителния център. Съвместната обработка на тези измервания заедно с измервателните данни на радарната система направи възможно прецизирането на елементите на орбитата на ракетата и прякото управление на движението на ракетата в космоса.

Използването на мощни наземни предаватели и високочувствителни приемници осигури надеждно измерване на траекторията на космическа ракета до разстояния от около 500 хиляди километра.

Използването на този набор от измервателни уреди направи възможно получаването на ценни данни от научни наблюдения и надеждно наблюдение и прогнозиране на движението на ракета в космическото пространство.

Богатият материал за измервания на траекторията, извършени по време на полета на първата съветска космическа ракета, и опитът от автоматичната обработка на измерванията на траекторията на електронни изчислителни машини ще бъдат от голямо значение за изстрелването на следващите космически ракети.

НАУЧНО ИЗСЛЕДВАНЕ

Изследване на космическите лъчи

Една от основните задачи на научните изследвания, извършвани върху съветската космическа ракета, е изследването на космическите лъчи.

Съставът и свойствата на космическата радиация на големи разстояния от Земята се определят от условията за появата на космически лъчи и структурата на космическото пространство. Досега информацията за космическите лъчи е получавана чрез измерване на космически лъчи близо до Земята. Междувременно, в резултат на действието на редица процеси, съставът и свойствата на космическото излъчване в близост до Земята се различават рязко от това, което е присъщо на самите „истински“ космически лъчи. Космическите лъчи, наблюдавани на повърхността на Земята, малко приличат на онези частици, които идват при нас от космоса.

Когато се използват ракети с голяма надморска височина и особено сателити на Земята, вече няма значително количество материя по пътя на космическите лъчи от космоса към измервателното устройство. Земята обаче е заобиколена от магнитно поле, което отразява частично космическите лъчи. От друга страна, същото магнитно поле създава своеобразен капан за космическите лъчи. Веднъж, попадайки в този капан, частицата от космически лъч се скита там много дълго време. В резултат на това в близост до Земята се натрупват голям брой частици космическа радиация.

Докато устройството за измерване на космическото излъчване е в сферата на магнитното поле на Земята, резултатите от измерванията няма да дадат възможност за изследване на космически лъчи, идващи от Вселената. Известно е, че сред частиците, намиращи се на височини от порядъка на 1000 километра, само малка част (около 0,1 процента) идва директно от космоса. Останалите 99,9% от частиците се появяват, очевидно, от разпадането на неутроните, излъчвани от Земята (по-точно горните слоеве на нейната атмосфера). Тези неутрони от своя страна се създават от космически лъчи, които бомбардират Земята.

Само след като устройството е разположено не само извън земната атмосфера, но и извън магнитното поле на Земята, е възможно да се установи естеството и произхода на космическите лъчи.

Съветската космическа ракета разполага с разнообразни инструменти, които дават възможност за цялостно изучаване на състава на космическите лъчи в междупланетното пространство.

Интензитетът на космическото излъчване се определя с помощта на два брояча заредени частици. Съставът на космическите лъчи беше изследван с помощта на два фотоумножителя с кристали.

За тази цел измерихме:

1. Енергиен поток на космическото излъчване в широк диапазон от енергии.

2. Броят на фотоните с енергия над 50 000 електронволта (твърди рентгенови лъчи).

3. Броят на фотоните с енергия над 500 000 електронволта (гама лъчи).

4. Броят на частиците, които имат способността да преминават през кристал на натриев йодид (енергията на такива частици е повече от 5 000 000 електронволта).

5. Обща йонизация, причинена в кристала от всички видове радиация.

Броячите на заредени частици дадоха импулси на специални така наречени преброителни вериги. С помощта на такива схеми е възможно да се предаде сигнал по радио - когато се броят определен брой частици.

Фотоумножителите, свързани с кристалите, регистрираха светкавичните проблясъци, които възникват в кристала, когато частици космическо излъчване преминават през тях. Величината на импулса на изхода на фотоумножителя е, в определени граници, пропорционална на количеството светлина, излъчено в момента, в който частицата на космическия лъч преминава през кристала. Тази последна стойност от своя страна е пропорционална на енергията, изразходвана в кристала за йонизация от частица космически лъчи. Чрез изолиране на онези импулси, чиято величина е по-голяма от определена стойност, е възможно да се изследва състава на космическото излъчване. Най-чувствителната система регистрира всички случаи, когато енергията, освободена в кристала, надвишава 50 000 електрон-волта. Въпреки това, проникващата сила на частиците при такива енергии е много ниска. При тези условия рентгеновите лъчи обикновено се записват.

Преброяването на броя на импулсите се извършва с помощта на същите схеми за броене, които са били използвани за преброяване на броя на заредените частици.

По подобен начин се освобождават импулси, чиято стойност съответства на енергийно освобождаване в кристала от повече от 500 000 електрон-волта. При тези условия се регистрират основно гама лъчи.

Чрез пускане на импулси с още по-голяма величина (съответстваща на енергийно освобождаване от над 5 000 000 електронволта) се отбелязват случаи на високоенергийни космически лъчи, преминаващи през кристала. Трябва да се отбележи, че заредените частици, които са част от космическите лъчи и летят почти със скоростта на светлината, ще преминат през кристала. В този случай енергийното освобождаване в кристала в повечето случаи ще бъде около 20 000 000 електронволта.

В допълнение към измерването на броя на импулсите се определя общата йонизация, генерирана в кристала от всички видове радиация. За тази цел служи верига, състояща се от неонова лампа, кондензатор и съпротивления. Тази система дава възможност да се определи общият ток, протичащ през фотоумножителя, чрез измерване на броя удари на неонова лампа и по този начин да се измери общата йонизация, създадена в кристала.

Изследванията, проведени върху космическа ракета, позволяват да се определи съставът на космическите лъчи в междупланетното пространство.

Изследване на газообразния компонент на междупланетната материя и корпускулярното лъчение на Слънцето

Доскоро се предполагаше, че концентрацията на газ в междупланетното пространство е много малка и се измерва в единици частици на кубичен сантиметър. Въпреки това, някои астрофизични наблюдения последните години разтърси тази гледна точка.

Налягането на слънчевите лъчи върху частиците от най-горните слоеве на земната атмосфера създава своеобразна „газова опашка“ на Земята, която винаги е насочена от Слънцето. Неговото сияние, което се прожектира на звездния фон на нощното небе под формата на антиизлъчване, се нарича зодиакална светлина. През 1953 г. бяха публикувани резултатите от наблюденията на поляризацията на зодиакалната светлина, което доведе някои учени до извода, че в междупланетното пространство в района на Земята има около 600-1000 свободни електрона на кубичен сантиметър. Ако това е така и тъй като средата като цяло е електрически неутрална, то тя също трябва да съдържа положително заредени частици със същата концентрация. При определени предположения, от посочените измервания на поляризацията беше получена зависимостта на концентрацията на електрона в междупланетната среда от разстоянието до Слънцето и, следователно, плътността на газа, който трябва да бъде напълно или почти напълно йонизиран. Плътността на междупланетния газ трябва да намалява с увеличаване на разстоянието от Слънцето.

Друг експериментален факт, който говори в полза на съществуването на междупланетен газ с плътност около 1000 частици на кубичен сантиметър, е разпространението на така наречената „свистяща атмосфера“ - нискочестотни електромагнитни трептения, причинени от атмосферни електрически разряди. За да се обясни разпространението на тези електромагнитни трептения от мястото на произхода им до мястото, където те се наблюдават, трябва да се приеме, че те се разпространяват по силовите линии на магнитното поле на Земята на разстояния от осем до десет земни радиуса (т.е. около 50-65 хиляди километра) от повърхност на Земята, в среда с концентрация на електрони от порядъка на хиляда електрони в 1 кубичен сантиметър.

Изводите за съществуването на такава плътна газообразна среда в междупланетното пространство в никакъв случай не са безспорни. По този начин редица учени посочват, че наблюдаваната поляризация на зодиакалната светлина може да бъде причинена не от свободни електрони, а от междупланетен прах. Предполага се, че в междупланетното космос газът присъства само под формата на така наречените корпускулярни потоци, т.е. потоци от йонизиран газ, изхвърлени от повърхността на Слънцето и движещи се със скорост 1000-3000 километра в секунда.

Очевидно в сегашно състояние астрофизици, въпросът за същността и концентрацията на междупланетен газ не може да бъде решен с помощта на наблюдения, направени от земната повърхност. Този проблем, който е от голямо значение за изясняване на процесите на газообмен между междупланетната среда и горните слоеве на земната атмосфера и за изучаване на условията за разпространение на корпускуларно лъчение от слънцето, може да бъде решен с помощта на инструменти, инсталирани на ракети, движещи се директно в междупланетното пространство.

Целта на инсталирането на инструменти за изследване на газовия компонент на междупланетната материя и корпускулярното излъчване на Слънцето върху съветска космическа ракета е да се извърши първият етап от такива изследвания - опити за директно откриване на неподвижни газови и корпускулярни потоци в района на междупланетното пространство, разположени между Земята и Луната, и груба оценка на концентрацията на заредени частици в тази област. При подготовката на експеримента, въз основа на наличните в момента данни, като най-вероятни са взети следните два модела на междупланетната газообразна среда:

А. Съществува неподвижна газообразна среда, състояща се главно от йонизиран водород (т.е. електрони и протони - водородни ядра) с температура на електроните 5000-10 000 ° K (близка до йонната температура). Понякога корпускулярните потоци преминават през тази среда със скорост 1000-3000 километра в секунда с концентрация на частици 1-10 на кубичен сантиметър.

Б. Има само спорадични корпускулярни потоци, състоящи се от електрони и протони със скорост 1000-3000 километра в секунда, понякога достигащи максимална концентрация от 1000 частици на кубичен сантиметър.

Експериментът се провежда с използване на протонни капани. Всеки протонен капан е система от три концентрично разположени полусферични електроди с радиуси 60 mm, 22,5 mm и 20 mm... Два външни електрода са направени от тънка метална мрежа, третият е твърд и служи като колектор на протони.

Електрическите потенциали на електродите спрямо корпуса на контейнера са такива, че електрическите полета, образувани между задържащите електроди, трябва да осигуряват както пълното събиране на всички протони, така и изтласкването на електроните, попадащи в капана от неподвижния газ, и потискането на фототока от колектора, което възниква под действието на ултравиолетово лъчение от Слънцето и други излъчване, действащо върху колектора.

Разделянето на протонния ток, създаден в капаните от неподвижните йонизирани газове и корпускулярни потоци (ако те съществуват заедно), се извършва чрез едновременното използване на четири протонни капана, различаващи се един от друг, че два от тях имат положителен потенциал равен на волта спрямо обвивката на контейнера.

Този потенциал за забавяне не позволява на протоните от неподвижен газ (имащ енергия от порядъка на 1 електронволта) да влезе в капана, но не може да попречи на протоните от корпускулярни потоци, които имат много по-високи енергии, да влязат в колектора. Останалите два капана трябва да регистрират общите протонни токове, генерирани както от стационарни, така и от корпускуларни протони. Външната решетка на единия от тях е с потенциал на обвивката на контейнера, а другата има отрицателен потенциал, равен на 10 волта спрямо същата обвивка.

Токовете в колекторните вериги след усилване се записват с помощта на радиотелеметрична система.

Изследване на метеорни частици

Заедно с планетите и техните спътници, астероиди и комети, Слънчевата система съдържа голям брой малки твърди частици, движещи се спрямо Земята със скорост от 12 до 72 километра в секунда и се наричат \u200b\u200bметеоритна материя в комплекса.

Към днешна дата чрез астрономически и радарни методи е получена основна информация за метеорната материя, нахлула в земната атмосфера от междупланетното пространство.

Сравнително големи метеорни тела, летящи в земната атмосфера с голяма скорост, изгарят в нея, причинявайки блясък, наблюдаван визуално и с помощта на телескопи. По-малките частици се проследяват от радари по следата от заредени частици - електрони и йони, образувани по време на движението на метеорно \u200b\u200bтяло.

Въз основа на тези проучвания са получени данни за плътността на метеорните тела в близост до Земята, тяхната скорост и маса от 10 ~ 4 грама и повече.

Данните за най-малките и многобройни частици с диаметър от няколко микрона се получават от наблюдението на разсейването на слънчевата светлина само върху огромно натрупване на такива частици. Изучаването на отделна микрометеорична частица е възможно само с помощта на оборудване, инсталирано на изкуствени земни спътници, както и на височинни и космически ракети.

Изследването на метеорната материя е от съществено научно значение за геофизиката, астрономията, за решаване на проблеми на еволюцията и произхода на планетарните системи.

Във връзка с развитието на ракетната технология и началото на ерата на междупланетните полети, открита от първата съветска космическа ракета, изучаването на метеоритна материя придобива голям чисто практически интерес за определяне на метеорната опасност за космически ракети и изкуствени спътници на Земята, които са в полет от дълго време.

Метеорните тела, когато удрят ракета, са в състояние да предизвикат различни видове ефекти върху нея: унищожавайки я, нарушавайки плътността на кабината, пробивайки черупката. Микрометеорните частици, действащи дълго време върху ракетната обвивка, могат да причинят промяна в характера на нейната повърхност. В резултат на сблъсъци с микрометеорични тела повърхностите на оптичните инструменти могат да се превърнат от прозрачни в непрозрачни.

Както знаете, вероятността от сблъсък на космическа ракета с метеорни частици, способни да я повредят, е малка, но съществува и е важно да се оцени правилно.

За изследване на метеоритна материя в междупланетното пространство, два балистични пиезоелектрични сензора, изработени от амониев фосфат, са инсталирани върху контейнера за инструменти на космическа ракета, които регистрират въздействието на микрометеорни частици. Пиезоелектричните сензори преобразуват механичната енергия на ударната частица в електрическа енергия, чиято стойност зависи от масата и скоростта на ударната частица, а броят на импулсите е равен на броя на частиците, сблъскващи се с повърхността на сензора.

Електрическите импулси на предавателя, под формата на краткотрайни затихващи трептения, се подават към входа на усилвателя-преобразувател, който ги разделя на три амплитудни диапазона и отчита броя на импулсите във всеки амплитуден диапазон.

Магнитни измервания

Успехите на съветската ракета разкриват големи възможности за геофизиците. Космическите ракети ще дадат възможност за директно измерване на магнитните полета на планетите със специални магнитометри или за откриване на планетарни полета поради възможното им влияние върху интензивността на космическото излъчване директно в пространството около планетите.

Полетът на съветска космическа ракета с магнитометър към Луната е първият подобен експеримент.

В допълнение към изучаването на магнитните полета на космическите тела, въпросът за интензивността на магнитното поле в космоса като цяло е от голямо значение. Силата на магнитното поле на Земята на разстояние от 60 земни радиуса (на разстояние от лунната орбита) е практически нула. Има основания да се смята, че магнитният момент на Луната е малък. Магнитното поле на Луната, в случай на равномерно намагнитване, трябва да намалява според кубичния закон на разстоянието от центъра му. При нехомогенно намагнитване интензивността на лунното поле ще намалее още по-бързо. Следователно той може да бъде надеждно открит само в непосредствена близост до Луната.

Каква е интензивността на полето в космоса в орбитата на Луната на достатъчно разстояние от Земята и Луната? Определя ли се от стойности, изчислени от магнитния потенциал на земята, или зависи и от други причини? Магнитното поле на Земята беше измерено на третия съветски спътник в диапазона на височината 230-1800 км, т.е. до 1/3 от земния радиус.

Относителният принос на възможната непотенциална част от постоянното магнитно поле, влиянието на променливата част на магнитното поле, ще бъде по-голям на разстояние от няколко радиуса на Земята, където интензивността на неговото поле вече е доста ниска. На разстояние от пет радиуса, земното поле трябва да бъде около 400 гама (една гама - 10 -5 ерстеда).

Инсталирането на магнитометър на борда на ракета, която лети към Луната, има следните цели:

1. Измерете магнитното поле на Земята и възможните полета на текущите системи в космоса в орбитата на Луната.

2. Открийте магнитното поле на Луната.

Въпросът дали планетите на Слънчевата система и техните спътници са намагнетизирани, подобно на Земята, е важен въпрос в астрономията и геофизиката.

Статистическата обработка на голям брой наблюдения, извършени от магнитолози, за да се открият магнитните полета на планетите и Луната чрез евентуалното им влияние върху геометрията на корпускулярните потоци, излъчвани от Слънцето, не доведе до категорични резултати.

Опитът за установяване на обща връзка между механичните моменти на космическите тела, известни за повечето планети от Слънчевата система, и техните възможни магнитни моменти не намери експериментално потвърждение в редица наземни експерименти, последвали от тази хипотеза.

Понастоящем моделът на правилните течения, протичащи в течно проводящото ядро \u200b\u200bна Земята и причиняващи основното магнитно поле на Земята, се използва най-често в различни хипотези за произхода на земното магнитно поле. Въртенето на Земята около оста си се използва за обяснение на особеностите на земното поле.

По този начин, според тази хипотеза, съществуването на течно проводящо ядро \u200b\u200bе предпоставка за наличието на общо магнитно поле.

ОТНОСНО физическо състояние Ние знаем много малко за вътрешните слоеве на Луната. Доскоро се смяташе, въз основа на появата на лунната повърхност, че дори ако планините и лунните кратери са от вулканичен произход, вулканичната активност на Луната отдавна е приключила и е малко вероятно луната да има течно ядро.

С тази гледна точка трябва да се приеме, че Луната няма магнитно поле, ако хипотезата за произхода на земното магнитно поле е вярна. Ако обаче вулканичната активност на Луната продължи, тогава не е изключена възможността за съществуване на неравномерно намагнитване на Луната и дори общо хомогенно намагнитване.

Чувствителността, обхватът на измерване на магнитометъра и програмата за неговото действие за съветската космическа ракета са избрани въз основа на необходимостта от решаване на горните проблеми. Тъй като ориентацията на измервателните сензори спрямо измереното магнитно поле непрекъснато се променя поради въртенето на контейнера и въртенето на Земята, за експеримента се използва трикомпонентен пълен векторен магнитометър с магнитно наситени сензори.

Три взаимно перпендикулярни чувствителни сензора на магнитометъра са неподвижно закрепени спрямо корпуса на контейнера върху специален немагнитен прът с дължина повече от метър. В този случай влиянието на магнитните части на оборудването на контейнера все още е 50-100 гама, в зависимост от ориентацията на сензора. Достатъчно точни резултати при измерване на магнитното поле на Земята могат да бъдат получени до разстояния от 4-5 нейни радиуса.

Научното оборудване, инсталирано на борда на ракетата, функционира нормално. Получени са и се обработват голям брой записи на резултатите от измерванията. Предварителният анализ показва, че резултатите от изследванията са от голямо научно значение. Тези резултати ще бъдат публикувани при обработка на наблюденията.