Ce qu'une fusée fait dans l'espace. Propulsion à réaction et fusée

Les vols spatiaux sont depuis longtemps une chose familière. Mais connaissez-vous tous les lanceurs spatiaux? Décomposons-le et voyons en quoi ils consistent et comment ils fonctionnent.

Moteurs de fusée

Les moteurs sont essentiels composant véhicule de lancement. Ils créent une force de poussée, grâce à laquelle la fusée monte dans l'espace. Mais quand il s'agit de moteurs de fusée, vous ne devez pas vous souvenir de ceux qui se trouvent sous le capot d'une voiture ou, par exemple, font tourner les pales de rotor d'un hélicoptère. Les moteurs de fusée sont complètement différents.

Le fonctionnement des moteurs de fusée est basé sur la troisième loi de Newton. La formulation historique de cette loi dit que toute action a toujours une réaction égale et opposée, en d'autres termes, une réaction. Par conséquent, ces moteurs sont appelés réactifs.

Pendant le fonctionnement, un moteur de fusée à réaction éjecte une substance (le soi-disant fluide de travail) dans une direction, et se déplace lui-même dans la direction opposée. Pour comprendre comment cela se produit, vous n'avez pas à piloter vous-même une fusée. L'exemple «terrestre» le plus proche est le recul obtenu lors de la prise de vue depuis armes à feu... Le fluide de travail ici est une balle et des gaz en poudre s'échappant du canon. Un autre exemple est un ballon gonflé et dégonflé. S'il n'est pas attaché, il volera jusqu'à ce que l'air sorte. L'air ici est le fluide même de travail. En termes simples, le fluide de travail dans un moteur de fusée est les produits de combustion du carburant de fusée.

Maquette du moteur-fusée RD-180

Carburant

Le carburant du moteur-fusée est généralement à deux composants et comprend un carburant et un comburant. Le lanceur Proton utilise l'heptyl (diméthylhydrazaïne asymétrique) comme carburant et le tétraxyde d'azote comme agent oxydant. Les deux composants sont extrêmement toxiques, mais il s'agit d'un "souvenir" de la mission de combat originale du missile. Le missile balistique intercontinental UR-500 - l'ancêtre du Proton - ayant un objectif militaire, devait être prêt au combat pendant longtemps avant son lancement. Et d'autres types de carburant ne permettaient pas un stockage prolongé. Les fusées Soyouz-FG et Soyouz-2 utilisent du kérosène et de l'oxygène liquide comme carburant. Les mêmes composants de carburant sont utilisés dans la famille de lanceurs Angara, le Falcon 9 et le prometteur Falcon Heavy d'Elon Musk. La vapeur de carburant du lanceur japonais "H-IIB" ("H-to-Bi") est de l'hydrogène liquide (carburant) et de l'oxygène liquide (comburant). Comme dans la fusée de la société aérospatiale privée Blue Origin, utilisée pour lancer le vaisseau suborbital New Shepard. Mais ce sont tous des moteurs-fusées à propergol liquide.

Des moteurs de fusée à propergol solide sont également utilisés, mais, en règle générale, dans les étages à propergol solide de missiles à plusieurs étages, tels que le propulseur de lancement Ariane-5, le deuxième étage du lanceur Antares et les boosters latéraux de la navette spatiale MTKK.

Pas

La charge utile lancée dans l'espace ne représente qu'une petite fraction de la masse de la fusée. Les lanceurs se «transportent» principalement eux-mêmes, c'est-à-dire leur propre conception: réservoirs de carburant et moteurs, ainsi que le carburant nécessaire à leur fonctionnement. Les réservoirs de carburant et les moteurs de fusée sont à différents stades de la fusée et, dès qu'ils sont à court de carburant, ils deviennent inutiles. Afin de ne pas porter de charge supplémentaire, ils se séparent. En plus des étages à part entière, des réservoirs de carburant externes sont également utilisés qui ne sont pas équipés de leurs propres moteurs. Ils sont également jetés pendant le vol.

La première étape du LV "Proton-M"

Il existe deux schémas classiques pour la construction de fusées à plusieurs étages: avec séparation transversale et longitudinale des étages. Dans le premier cas, les marches sont placées les unes au-dessus des autres et ne sont activées qu'après la séparation de la marche précédente, inférieure. Dans le second cas, plusieurs étages de fusée identiques sont situés autour du corps du deuxième étage, qui sont allumés et lâchés simultanément. Dans ce cas, le moteur du deuxième étage peut également tourner au démarrage. Mais le schéma combiné longitudinal-transversal est également largement utilisé.

Options de disposition des missiles

Lancé en février de cette année à partir du cosmodrome de Plesetsk, le lanceur de classe légère Rokot est un véhicule à trois étages avec séparation d'étage transversale. Mais le lanceur Soyouz-2, lancé depuis le nouveau cosmodrome de Vostochny en avril de cette année, est un véhicule à trois étages avec séparation longitudinale-transversale.

Un schéma intéressant d'une fusée à deux étages avec une séparation longitudinale est le système de navette spatiale. C'est là que réside la différence entre les navettes américaines et Bourane. Le premier étage du système de la navette spatiale est constitué de propulseurs latéraux à propergol solide, le second est la navette elle-même (orbiteur) avec un réservoir de carburant externe amovible, qui a la forme d'une fusée. Lors du lancement, les moteurs de la navette et des accélérateurs sont démarrés. Dans le système Energia-Buran, le lanceur de classe super-lourde à deux étages Energia était un élément indépendant et, en plus de lancer le Bourane dans l'espace, pouvait être utilisé à d'autres fins, par exemple pour soutenir des expéditions automatiques et habitées. vers la Lune et Mars.

Niveau supérieur

Il peut sembler que dès que la fusée est entrée dans l'espace, l'objectif est atteint. Mais ce n'est pas toujours le cas. L'orbite cible d'un vaisseau spatial ou d'une charge utile peut être beaucoup plus élevée que la ligne à partir de laquelle l'espace commence. Par exemple, l'orbite géostationnaire, qui héberge les satellites de télécommunications, est située à 35 786 km au-dessus du niveau de la mer. C'est pourquoi l'étage supérieur est nécessaire, qui, en fait, est un autre étage de la fusée. L'espace commence déjà à 100 km d'altitude, là où commence l'apesanteur, ce qui est un problème sérieux pour les moteurs de fusée conventionnels.

L'un des principaux «chevaux de bataille» de la cosmonautique russe, la fusée porteuse Proton, associée à l'étage supérieur Briz-M, permet le lancement de charges utiles pesant jusqu'à 3,3 tonnes en orbite géostationnaire. Mais initialement, le lancement est effectué orbite de référence basse (200 km). Bien que l'étage supérieur soit appelé l'un des étages du navire, il diffère de l'étage habituel des moteurs.

LV "Proton-M" avec étage supérieur "Briz-M" au montage

Pour déplacer un engin spatial ou un engin spatial vers une orbite cible ou le diriger vers une trajectoire aller ou interplanétaire, l'étage supérieur doit être capable d'effectuer une ou plusieurs manœuvres qui modifient la vitesse de vol. Et pour cela, il est nécessaire de mettre le moteur en marche à chaque fois. De plus, dans les périodes entre les manœuvres, le moteur est coupé. Ainsi, le moteur de l'étage supérieur est susceptible d'être mis en marche et à l'arrêt à plusieurs reprises, contrairement aux moteurs des autres étages de fusée. Les exceptions sont les Falcon 9 et New Shepard réutilisables, dont les moteurs de premier étage sont utilisés pour le freinage lors de l'atterrissage sur Terre.

Charge utile

Les fusées existent pour lancer quelque chose dans l'espace. En particulier, les vaisseaux spatiaux et les engins spatiaux. Dans la cosmonautique domestique, il s'agit du vaisseau spatial cargo de transport Progress et du vaisseau spatial habité Soyouz envoyés à l'ISS. Depuis le vaisseau spatial cette année sur les lanceurs russes, le vaisseau spatial américain Intelsat DLA2 et le vaisseau spatial français Eutelsat 9B, le vaisseau de navigation russe Glonass-M n ° 53 et, bien sûr, le vaisseau spatial ExoMars-2016 conçu pour rechercher du méthane dans l'atmosphère de Mars.

Les missiles ont différentes capacités de charge utile. La masse utile du lanceur de classe légère Rokot destiné au lancement d'engins spatiaux sur des orbites terrestres basses (200 km) est de 1,95 t. Le lanceur Proton-M appartient à la classe lourde. Il lancera 22,4 tonnes en orbite basse, 6,15 tonnes en orbite géostationnaire et 3,3 tonnes en orbite géostationnaire. Soyouz-2, selon la modification et le cosmodrome, est capable de mettre en orbite terrestre basse de 7,5 à 8,7 tonnes, à une orbite géostationnaire - de 2,8 à 3 tonnes et sur une orbite géostationnaire - de 1,3 à 1,5 tonnes. La fusée est conçue pour les lancements depuis tous les sites de Roscosmos: Vostochny, Plesetsk, Baïkonour et Kuru, utilisée dans le cadre d'un projet commun russo-européen. Utilisé pour lancer des véhicules de transport et des engins spatiaux habités vers l'ISS, le lanceur Soyouz-FG a une masse de charge utile de 7,2 tonnes (avec le vaisseau spatial habité Soyouz) à 7,4 tonnes (avec le véhicule cargo Progress). C'est actuellement la seule fusée utilisée pour transporter des cosmonautes et des astronautes vers l'ISS.

La charge utile est généralement tout en haut de la fusée. Afin de surmonter la traînée aérodynamique, l'engin spatial ou le navire est placé à l'intérieur du carénage de nez de la fusée, qui est projeté après avoir traversé des couches denses de l'atmosphère.

Les mots de Youri Gagarine qui sont restés dans l'histoire: "Je vois la Terre ... Quelle beauté!" leur ont été informés précisément après la chute du carénage de nez du lanceur Vostok.

Installation du carénage de tête du «Proton-M» LV, la charge utile des «Express-AT1» et «Express-AT2»

Système de secours d'urgence

La fusée qui se met en orbite vaisseau spatial avec un équipage, se distingue presque toujours par apparence de celui qui sort un cargo ou un vaisseau spatial. Afin de maintenir en vie l'équipage du vaisseau spatial habité en cas d'urgence sur le lanceur, un système de sauvetage d'urgence (SAS) est utilisé. En fait, il s'agit d'une autre (quoique petite) fusée dans la tête du lanceur. Du côté du SAS, il ressemble à une tourelle de forme inhabituelle au sommet d'une fusée. Sa tâche est de retirer le vaisseau spatial habité en cas d'urgence et de l'éloigner du site de l'accident.

En cas d'explosion d'une fusée au début ou au début du vol, les moteurs principaux du système de sauvetage arrachent la partie de la fusée dans laquelle se trouve l'engin spatial habité et l'emportent hors du lieu de l'accident. Puis une descente en parachute est effectuée. Si le vol se déroule normalement, après avoir atteint une altitude de sécurité, le système de sauvetage d'urgence est séparé du lanceur. À haute altitude, le rôle de SAS n'est pas si important. Ici, l'équipage peut déjà s'échapper grâce à la séparation du véhicule de descente de l'engin spatial de la fusée.

LV "Soyouz" avec SAS dans la partie supérieure de la fusée

Et nous savons que pour que le mouvement se produise, l'action d'une force est nécessaire. Le corps lui-même doit pousser hors de quelque chose, ou le corps extérieur doit pousser le donné. Ceci est bien connu et compréhensible pour nous d'après l'expérience de la vie.

Que pousser depuis l'espace?

À la surface de la Terre, vous pouvez vous éloigner de la surface ou des objets qui s'y trouvent. Les jambes, les roues, les chenilles, etc. sont utilisés pour se déplacer sur la surface. Dans l'eau et l'air, vous pouvez vous éloigner de l'eau et de l'air eux-mêmes, qui ont une certaine densité, et vous permettent donc d'interagir avec eux. La nature a adapté les nageoires et les ailes pour cela.

L'homme a créé des moteurs basés sur des hélices, qui augmentent plusieurs fois la zone de contact avec le milieu en raison de la rotation et permettent de pousser hors de l'eau et de l'air. Mais qu'en est-il du cas d'un espace airless? De quoi commencer dans l'espace? Il n'y a pas d'air, il n'y a rien. Comment voler dans l'espace? C'est là que la loi de conservation de l'élan et le principe de la propulsion à réaction viennent à la rescousse. Regardons de plus près.

Impulsion et principe de propulsion par jet

L'impulsion est le produit de la masse corporelle par sa vitesse. Lorsque le corps est immobile, sa vitesse est nulle. Cependant, le corps a une certaine masse. En l'absence d'influences extérieures, si une partie de la masse se sépare du corps à une certaine vitesse, alors selon la loi de conservation de la quantité de mouvement, le reste du corps doit également acquérir une certaine vitesse pour que la quantité de mouvement totale reste égale à zéro.

De plus, la vitesse de la partie principale restante du corps dépendra de la vitesse à laquelle la plus petite partie se séparera. Plus cette vitesse est élevée, plus la vitesse du corps principal sera élevée. Ceci est compréhensible si l'on se souvient du comportement des corps sur la glace ou dans l'eau.

Si deux personnes sont proches et que l'une d'elles pousse l'autre, non seulement il donnera cette accélération, mais il reviendra. Et plus il pousse quelqu'un, plus vite il s'envole.

Vous deviez sûrement vous trouver dans une situation similaire et vous pouvez imaginer comment cela se passe. Donc, c'est sur quoi repose la propulsion par jet.

Les fusées, dans lesquelles ce principe est mis en œuvre, éjectent une partie de leur masse à grande vitesse, ce qui fait qu'elles acquièrent elles-mêmes une certaine accélération dans la direction opposée.

Les flux de gaz incandescents résultant de la combustion du carburant sont éjectés à travers des buses étroites pour leur donner la vitesse la plus élevée possible. Dans le même temps, la masse de la fusée diminue de la quantité de la masse de ces gaz et elle acquiert une certaine vitesse. Ainsi, le principe de la propulsion par jet en physique est mis en œuvre.

Principe de vol de la fusée

Les fusées utilisent un système à plusieurs étages. Pendant le vol, l'étage inférieur, ayant épuisé toute sa réserve de carburant, est séparé de la fusée pour réduire sa masse totale et faciliter le vol.

Le nombre d'étages diminue jusqu'à ce que la partie active reste sous la forme d'un satellite ou d'un autre engin spatial. Le carburant est calculé de manière à ce qu'il soit juste suffisant pour se mettre en orbite.

Fusée- un aéronef se déplaçant dans l'espace sous l'action de la poussée du jet résultant du rejet d'une partie de sa propre masse (de travail; corps) par la fusée. Vol fusées ne nécessite pas la présence obligatoire d'un environnement d'air ou de gaz ambiant et est possible non seulement dans l'atmosphère, mais également sous vide. En un mot désignent une large gamme d'appareils volants, des pétards festifs aux véhicule de lancement spatial.

En règle générale, les fusées scientifiques sont équipées d'instruments pour mesurer la pression atmosphérique, le champ magnétique, le rayonnement cosmique et la composition de l'air, ainsi que des équipements pour transmettre les résultats de mesure par radio à la terre. Il existe des modèles de fusées, où les instruments avec des données obtenues pendant l'ascension sont abaissés au sol à l'aide de parachutes.

La recherche météorologique sur les fusées a précédé la recherche sur les satellites, de sorte que les premiers satellites météorologiques avaient les mêmes instruments que les fusées météorologiques. La première fois qu'une fusée a été lancée pour étudier les paramètres environnement aérien 11 avril 1937, mais des lancements réguliers de fusées ont commencé dans les années 1950, lorsqu'une série de fusées scientifiques spécialisées ont été créées. En Union soviétique, il s'agissait de fusées météorologiques MR-1, M-100, MR-12, MMP-06 et de fusées géophysiques de type "Vertical". DANS russie moderne en septembre 2007, des missiles M-100B ont été utilisés. En dehors de la Russie, les missiles Aerobi, Black Brant et Skylark ont \u200b\u200bété utilisés.

Cosmonautes

Créateur astronautiqueen tant que science, Hermann Obert est considéré comme le premier à prouver la possibilité physique corps humain supporter la surcharge survenant lors du lancement de la fusée, ainsi que l'état d'apesanteur. La grande vitesse de sortie des produits de combustion du carburant (souvent supérieure au M10) permet d'utiliser des fusées dans des zones où des vitesses ultra-élevées sont nécessaires, par exemple pour lancer des engins spatiaux sur l'orbite terrestre (voir Première vitesse spatiale). La vitesse maximale qui peut être atteinte avec fusées, est calculé par la formule de Tsiolkovsky décrivant l'incrément de vitesse comme le produit de la vitesse de sortie par un algorithme naturel le rapport de la masse initiale et finale de l'appareil.

La fusée est la seule véhicule capable de lancer un vaisseau spatial dans l'espace. D'autres moyens de mettre en orbite des vaisseaux spatiaux, tels que l'ascenseur spatial, sont encore en phase de conception.

DANS cosmos la caractéristique principale se manifeste le plus clairement fusées - pas besoin d environnement ou des forces externes pour se déplacer. Cette caractéristique, cependant, nécessite que tous les composants nécessaires pour générer la force réactive soient à bord. fusées... Tant pour missilesen utilisant des composants denses tels que l'oxygène liquide et le kérosène comme combustible, le rapport du poids du combustible au poids de la structure atteint 20/1. Pour les fusées fonctionnant à l'oxygène et à l'hydrogène, ce rapport est inférieur - environ 10/1. Massif caractéristiques de la fusée dépend beaucoup du type de moteur de fusée et les limites fixées de la fiabilité de conception.

En réduisant le poids total de la structure et la combustion du carburant, l'accélération de la fusée composite augmente avec le temps. Il ne peut être légèrement réduit qu'au moment où les étapes épuisées sont abandonnées et les moteurs de l'étape suivante commencent à fonctionner. Ces fusées à plusieurs étages conçues pour lancer des engins spatiaux sont appelées des lanceurs.

Utilisé pour les besoins fusée astronautique sont appelés lanceurs parce qu'ils transportent la charge utile. Le plus souvent, les missiles balistiques à plusieurs étages sont utilisés comme lanceurs. fusées... Le lanceur a lieu depuis la Terre ou, dans le cas d'un vol long, depuis l'orbite d'un satellite artificiel de la Terre.

Actuellement espaceagences différents pays les fusées porteuses Atlas V, Arian 5, Proton, Delta-4, Soyouz-2 et bien d'autres sont utilisées.

Forces agissant sur une fusée en vol

La science qui étudie les forces agissant sur les fusées ou autres engins spatiaux s'appelle l'astrodynamique.

Les principales forces agissant sur la fusée en vol:
1. Poussée du moteur
2. L'attraction d'un corps céleste
3. Lors de la conduite dans l'atmosphère - résistance frontale.
4. Force de levage. Habituellement petit, mais important pour les planeurs de fusée.

Littérature

1. Rocket // Cosmonautics: Petite encyclopédie; Rédacteur en chef V.P. Glushko. 2e édition, supplémentaire - Moscou: "Encyclopédie soviétique", 1970 - P. 372
2. Wikipédia

Le mot espace est synonyme du mot univers. Souvent, l'espace est divisé de manière quelque peu conditionnelle en un espace proche, qui peut être exploré à l'heure actuelle à l'aide de satellites terrestres artificiels, d'engins spatiaux, de stations interplanétaires et d'autres moyens, et d'un espace lointain - tout le reste, incomparablement plus grand. En fait, l'espace proche signifie le système solaire et l'espace lointain signifie les vastes étendues d'étoiles et de galaxies.

Le sens littéral du mot «cosmonautique», qui est une combinaison de deux mots grecs - «flottant dans l'univers». Dans l'usage courant, ce mot signifie une combinaison de diverses branches de la science et de la technologie qui assurent l'exploration et le développement de l'espace extra-atmosphérique et des corps célestes à l'aide de vaisseaux spatiaux - satellites artificiels, stations automatiques à des fins diverses, engins spatiaux habités.

L'astronautique, ou, comme on l'appelle parfois, l'astronautique, combine les vols dans l'espace extra-atmosphérique, un ensemble de branches de la science et de la technologie servant à l'exploration et à l'utilisation de l'espace extra-atmosphérique dans l'intérêt de l'humanité à l'aide de divers véhicules spatiaux. Le début de l'ère spatiale de l'humanité est considéré comme le 4 octobre 1957 - date à laquelle le premier satellite artificiel de la Terre a été lancé en Union soviétique.

La théorie du vol spatial, qui était un vieux rêve de l'humanité, s'est transformée en science à la suite des travaux fondamentaux du grand scientifique russe Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky. Il a étudié les principes de base de la balistique des missiles, proposé un schéma pour un moteur-fusée à propergol liquide et établi les lois qui déterminent la puissance réactive du moteur. Les schémas de vaisseaux spatiaux ont également été proposés et les principes de conception de fusées qui sont maintenant largement utilisés dans la pratique ont été donnés. Pendant longtemps, jusqu'au moment où les idées, formules et dessins de passionnés et de scientifiques ont commencé à se transformer en objets fabriqués «en métal» dans les bureaux de conception et les usines, le fondement théorique de la cosmonautique reposait sur trois piliers: 1) la théorie des engins spatiaux mouvement; 2) fusée; 3) la totalité des connaissances astronomiques sur l'Univers. Par la suite, dans les profondeurs de l'astronautique, un large éventail de nouvelles disciplines scientifiques et techniques sont apparues, telles que la théorie des systèmes de contrôle des objets spatiaux, la navigation spatiale, la théorie des systèmes de communication et de transmission de l'information spatiaux, la biologie et la médecine spatiales, etc. Or, alors qu'il nous est difficile d'imaginer l'astronautique Sans ces disciplines, il est utile de rappeler que les fondements théoriques de la cosmonautique ont été posés par KE Tsiolkovsky à une époque où seules les premières expériences sur l'utilisation des ondes radio et de la radio ont été menées ne pouvait pas être considéré comme un moyen de communication dans l’espace.

Pendant de nombreuses années, la signalisation au moyen de rayons solaires réfléchis vers la Terre par des miroirs à bord d'un vaisseau spatial interplanétaire a été sérieusement considérée comme un moyen de communication. Or, quand on a l'habitude de ne pas être surpris ni par la couverture télévisée directe depuis la surface de la Lune, ni par des photographies radiophoniques prises près de Jupiter ou à la surface de Vénus, c'est difficile à croire. Par conséquent, on peut soutenir que la théorie de la communication cosmique, malgré toute son importance, n'est pas le maillon principal de la chaîne des disciplines cosmiques. Ce lien principal est la théorie du mouvement des objets spatiaux. C'est cela qui peut être considéré comme la théorie du vol spatial. Les spécialistes impliqués dans cette science l'appellent eux-mêmes différemment: mécanique céleste appliquée, balistique céleste, balistique spatiale, cosmodynamique, mécanique vol spatial, théorie du mouvement des corps célestes artificiels. Tous ces noms ont la même signification, exprimée précisément par le dernier terme. La cosmodynamique fait donc partie de la mécanique céleste - la science qui étudie le mouvement de tous les corps célestes, à la fois naturels (étoiles, Soleil, planètes, leurs satellites, comètes, corps météoriques, poussière cosmique) et artificiel (vaisseau spatial automatique et habité) vaisseau spatial) ... Mais il y a quelque chose qui distingue la cosmodynamique de la mécanique céleste. Née au sein de la mécanique céleste, la cosmodynamique utilise ses méthodes, mais ne rentre pas dans son cadre traditionnel.

Une différence significative entre la mécanique céleste appliquée et la mécanique classique réside dans le fait que cette dernière n'est pas et ne peut pas être engagée dans le choix des orbites des corps célestes, tandis que la première est engagée dans la sélection d'une certaine trajectoire parmi un grand nombre de possibles trajectoires pour atteindre un corps céleste particulier, qui prend en compte de nombreuses exigences souvent contradictoires. La principale exigence est la vitesse minimale à laquelle l'engin spatial est accéléré dans la phase active initiale du vol et, par conséquent, la masse minimale du lanceur ou de l'étage supérieur orbital (lors du démarrage de l'orbite proche de la Terre). Cela garantit la charge utile maximale et donc la plus grande efficacité de vol scientifique. Les exigences de facilité de contrôle, les conditions de communication radio (par exemple, au moment où la station s'approche de la planète pendant son vol), les conditions de recherche scientifique (atterrissage du côté jour ou nuit de la planète), etc. sont également prises en compte compte d'une orbite à une autre, des moyens de corriger la trajectoire. Dans son champ de vision se trouvent des manœuvres orbitales inconnues de la mécanique céleste classique. La cosmodynamique est le fondement de la théorie générale du vol spatial (tout comme l'aérodynamique est le fondement de la théorie du vol atmosphérique pour les avions, les hélicoptères, les dirigeables et autres aéronefs). La cosmodynamique partage ce rôle avec la dynamique des fusées, la science du mouvement des fusées. Les deux sciences, étroitement liées, forment la base de la technologie spatiale. Les deux sont des branches de la mécanique théorique, qui elle-même est une branche distincte de la physique. En tant que science exacte, la cosmodynamique utilise méthodes mathématiques recherche et nécessite un système de présentation logiquement cohérent. Ce n'est pas pour rien que les fondements de la mécanique céleste ont été développés après les grandes découvertes de Copernic, Galilée et Kepler, précisément par ces scientifiques qui ont le plus contribué au développement des mathématiques et de la mécanique. C'étaient Newton, Euler, Clairaud, D'Alembert, Lagrange, Laplace. Et à l'heure actuelle, les mathématiques aident à résoudre les problèmes de balistique céleste et, à leur tour, reçoivent une impulsion dans son développement grâce aux problèmes que la cosmodynamique lui pose.

La mécanique céleste classique était une science purement théorique. Ses conclusions ont trouvé une confirmation constante dans les données d'observations astronomiques. La cosmodynamique a amené l'expérience à la mécanique céleste, et la mécanique céleste s'est transformée pour la première fois en une science expérimentale similaire à cet égard, par exemple, à une branche de la mécanique telle que l'aérodynamique. La nature involontairement passive de la mécanique céleste classique a été remplacée par l'esprit actif et offensif de la balistique céleste. Chaque nouvelle réalisation de la cosmonautique est à la fois la preuve de l'efficacité et de la précision des méthodes de la cosmodynamique. La cosmodynamique est divisée en deux parties: la théorie du mouvement du centre de masse de l'engin spatial (théorie des trajectoires spatiales) et la théorie du mouvement de l'engin spatial par rapport au centre de masse (théorie du «mouvement de rotation»).

Moteurs de fusée

Le principal et presque le seul moyen de transport dans l'espace mondial est une fusée, qui a été proposée pour la première fois à cet effet en 1903 par K.E. Tsiolkovsky. Les lois de la propulsion des fusées sont l'une des pierres angulaires de la théorie des vols spatiaux.

Cosmonautics dispose d'un vaste arsenal de systèmes de propulsion de fusée basés sur l'utilisation de différents types énergie. Mais dans tous les cas, le moteur-fusée remplit la même tâche: d'une manière ou d'une autre, il éjecte de la fusée une certaine masse dont l'alimentation (le fluide dit de travail) se trouve à l'intérieur de la fusée. Une certaine force agit sur la masse éjectée du côté de la fusée, et selon la troisième loi de la mécanique newtonienne - la loi d'égalité d'action et de réaction - la même force, mais dirigée de manière opposée, agit du côté de la masse éjectée. sur la fusée. Cette dernière forcela conduite de la fusée s'appelle la force de poussée. Il est intuitivement clair que la force de poussée doit être d'autant plus grande que la masse par unité de temps est éjectée de la fusée et plus la vitesse qui peut être transmise à la masse éjectée est grande.

Le schéma le plus simple d'un appareil fusée:

À ce stade du développement de la science et de la technologie, il existe des moteurs de fusée basés sur différents principes de fonctionnement.

Moteurs de fusée thermochimiques.

Le principe de fonctionnement des moteurs thermochimiques (ou simplement chimiques) n'est pas compliqué: à la suite d'une réaction chimique (en règle générale, une réaction de combustion), une grande quantité de chaleur est libérée et les produits de réaction chauffés à une température élevée, en expansion rapide, sont projetés hors de la fusée avec un débit élevé. Les moteurs chimiques appartiennent à une classe plus large de moteurs thermiques (échangeurs de chaleur), dans lesquels l'écoulement du fluide de travail est effectué à la suite de son expansion par chauffage. Pour de tels moteurs, le débit dépend principalement de la température des gaz en expansion et de leur poids moléculaire moyen: plus la température est élevée et plus le poids moléculaire est bas, plus le débit est élevé. Les moteurs fusée à propergol liquide, les moteurs fusée à propergol solide et les moteurs respiratoires fonctionnent selon ce principe.

Moteurs thermiques nucléaires.

Le principe de fonctionnement de ces moteurs est presque le même que celui des moteurs chimiques. La différence réside dans le fait que le fluide de travail est chauffé non pas en raison de sa propre énergie chimique, mais en raison de la chaleur "étrangère" libérée pendant la réaction intranucléaire. Ce principe a été utilisé pour concevoir des moteurs thermiques nucléaires pulsés, des moteurs thermiques nucléaires basés sur la fusion thermonucléaire et sur la désintégration radioactive des isotopes. Cependant, le danger de contamination radioactive de l'atmosphère et la conclusion d'un accord pour mettre fin aux essais nucléaires dans l'atmosphère, dans l'espace et sous l'eau, ont conduit à la fin du financement des projets susmentionnés.

Moteurs thermiques avec une source d'énergie externe.

Leur principe de fonctionnement est basé sur la réception de l'énergie de l'extérieur. Selon ce principe, un moteur solaire thermique est conçu, dont la source d'énergie est le soleil. Les rayons du soleil, concentrés au moyen de miroirs, sont utilisés pour chauffer directement le fluide de travail.

Moteurs de fusée électriques.

Cette large classe de moteurs combine différents types moteurs qui sont actuellement développés de manière très intensive. L'accélération du fluide de travail jusqu'à un certain débit est réalisée à l'aide d'énergie électrique. L'énergie est obtenue à partir d'une centrale nucléaire ou solaire à bord d'un vaisseau spatial (en principe, même à partir d'une batterie chimique). Les circuits des moteurs électriques développés sont extrêmement diversifiés. Ce sont des moteurs électrothermiques, des moteurs électrostatiques (ioniques), des moteurs électromagnétiques (plasma), des moteurs électriques avec une entrée de fluide de travail de la haute atmosphère.

Fusées spatiales

Une fusée spatiale moderne est une structure complexe, composée de centaines de milliers et de millions de pièces, chacune jouant son rôle prévu. Mais du point de vue de la mécanique d'accélération de la fusée à la vitesse requise, toute la masse initiale de la fusée peut être divisée en deux parties: 1) la masse du milieu de travail et 2) la masse finale restant après l'éjection du fluide de travail. Cette dernière est souvent appelée masse «sèche», car le fluide de travail est dans la plupart des cas un carburant liquide. La masse «sèche» (ou, si vous préférez, la masse «vide», sans milieu de travail, une fusée) est constituée de la masse de la structure et de la masse de la charge utile. La conception doit être comprise non seulement la structure de support de la fusée, sa coque, etc., mais aussi le système de propulsion avec tous ses composants, le système de commande, qui comprend les commandes, les équipements de navigation et de communication, etc., en un mot, tout ce qui assure le vol normal de la fusée. La charge utile se compose de l'équipement scientifique, d'un système de radio télémétrie, de la coque de l'engin spatial à mettre en orbite, de l'équipage et du système de survie de l'engin spatial, etc. La charge utile est quelque chose sans lequel une fusée peut effectuer un vol normal.

L'accélération de la fusée est favorisée par le fait qu'à mesure que le fluide de travail expire, la masse de la fusée diminue, ce qui fait que, avec une poussée constante, l'accélération réactive augmente continuellement. Mais, malheureusement, la fusée ne se compose pas d'un seul fluide de travail. Au fur et à mesure que le fluide de travail s'écoule, les réservoirs évacués, les pièces de coque en excès, etc., commencent à charger la fusée d'un poids mort, ce qui rend l'accélération difficile. Il est conseillé à certains moments de séparer ces pièces de la fusée. Une fusée construite de cette manière est appelée une fusée composite. Souvent, une fusée composite est constituée de fusées à étages indépendantes (grâce à cela, divers étages peuvent être composés de systèmes de missiles) connectés en série. Mais il est également possible de connecter les marches en parallèle, côte à côte. Enfin, il y a des projets de missiles composites, dans lesquels le dernier étage est à l'intérieur du précédent, celui-là est à l'intérieur du précédent, etc. les étages ont un moteur commun et ne sont plus des fusées indépendantes. Un inconvénient important de ce dernier schéma est qu'après la séparation de l'étage épuisé, l'accélération réactive augmente fortement, puisque le moteur reste le même, la poussée n'a donc pas changé et la masse accélérée de la fusée a fortement diminué. Cela complique la précision du guidage des missiles et impose des exigences accrues sur la résistance de la structure. Lorsque les étages sont connectés en série, l'étage nouvellement allumé a moins de poussée et l'accélération ne change pas avec un saut brusque. Tant que la première étape est en cours d'exécution, nous pouvons considérer les étapes restantes, avec la vraie charge utile, comme la charge utile de la première étape. Après la séparation du premier étage, le deuxième étage commence à fonctionner, qui, avec les étages suivants et la vraie charge utile, forme une fusée indépendante («première sous-fusée»). Pour la deuxième étape, toutes les étapes suivantes, ainsi que la vraie charge utile, jouent le rôle de leur propre charge utile, etc. Chaque sous-fusée ajoute sa propre vitesse idéale à la vitesse existante, et par conséquent, la dernière vitesse parfaite un missile à plusieurs étages est la somme des vitesses idéales de chaque sous-missile.

La fusée est un véhicule très «coûteux». Les lanceurs d'engins spatiaux «transportent» principalement le carburant nécessaire pour faire fonctionner leurs moteurs et leur propre conception, qui se compose principalement de conteneurs de carburant et d'un système de propulsion. La charge utile ne représente qu'une petite partie (1,5 à 2,0%) de la masse des lanceurs de fusées.

Une fusée composite permet d'utiliser les ressources de manière plus rationnelle en raison du fait qu'en vol, l'étage qui a épuisé son carburant est séparé, et le reste du carburant de la fusée n'est pas dépensé pour accélérer la conception de l'étage usé, qui a deviennent inutiles pour continuer le vol.

Options de disposition des missiles. De gauche à droite:

1. Fusée à un étage.
2. Missile à section transversale à deux étages.
3. Fusée à deux étages à séparation longitudinale.
4. Une fusée avec des réservoirs de carburant externes, séparés une fois que le carburant qu'ils contiennent est épuisé.

Structurellement, les fusées à plusieurs étages sont fabriquées avec une séparation transversale ou longitudinale des étages.

Avec la séparation transversale, les marches sont placées les unes au-dessus des autres et fonctionnent séquentiellement l'une après l'autre, ne s'allumant qu'après la séparation de l'étape précédente. Un tel schéma permet de créer des systèmes, en principe, avec n'importe quel nombre d'étapes. Son inconvénient est que les ressources des étapes suivantes ne peuvent pas être utilisées lors des travaux de la précédente, étant pour elle une charge passive.

En cas de séparation longitudinale, le premier étage est constitué de plusieurs missiles identiques (en pratique, de deux à huit), situés symétriquement autour du corps du deuxième étage, de sorte que la résultante des forces de poussée des moteurs du premier étage est dirigés le long de l'axe de symétrie de la seconde, et ils fonctionnent simultanément. Ce schéma permet au moteur du deuxième étage de fonctionner simultanément avec les moteurs du premier, augmentant ainsi la poussée totale, qui est particulièrement nécessaire lors du fonctionnement du premier étage, lorsque la masse de la fusée est à son maximum. Mais une fusée avec séparation longitudinale des étages ne peut être qu'à deux étages.

Il existe également un schéma de séparation combiné - longitudinal-transversal, qui permet de combiner les avantages des deux schémas, dans lequel le premier étage est divisé longitudinalement du second et la séparation de toutes les étapes suivantes se produit transversalement. Un exemple de cette approche est le transporteur national Soyouz.

La navette spatiale a une conception unique d'une fusée à deux étages avec une séparation longitudinale, dont le premier étage se compose de deux propulseurs latéraux à propergol solide, dans le deuxième étage, une partie du carburant est contenue dans les réservoirs de l'orbiteur ( le vaisseau spatial réutilisable lui-même), et la majeure partie se trouve dans un réservoir de carburant externe amovible. Premièrement, le système de propulsion de l'orbiteur consomme du carburant du réservoir externe, et lorsqu'il est épuisé, le réservoir externe est jeté et les moteurs continuent à fonctionner avec le carburant contenu dans les réservoirs de l'orbiteur. Un tel schéma permet de tirer le meilleur parti du système de propulsion de l'orbiteur, qui fonctionne tout au long de la mise en orbite de l'engin spatial.

Avec la séparation transversale, les marches sont reliées les unes aux autres par des sections spéciales - adaptateurs - structures de support de forme cylindrique ou conique (en fonction du rapport des diamètres des marches), dont chacune doit supporter le poids total de toutes les étapes suivantes , multipliée par la valeur de surcharge maximale subie par la fusée dans toutes les zones sur lesquelles cet adaptateur fait partie de la fusée. Dans le cas d'une séparation longitudinale, des bandes de puissance (avant et arrière) sont créées sur le corps du deuxième étage, auquel sont attachés les blocs du premier étage.

Les éléments reliant les pièces de la fusée composite lui confèrent la rigidité de la coque monobloc, et lorsque les étages sont séparés, ils doivent presque instantanément libérer l'étage supérieur. Habituellement, la connexion des étapes est effectuée à l'aide de pyrobolts. Un pyrobolt est un boulon de fixation, dans la tige duquel une cavité est créée près de la tête, qui est remplie d'un explosif puissant avec un détonateur électrique. Lorsqu'une impulsion de courant est appliquée au détonateur électrique, une explosion se produit, détruisant la tige de boulon, à la suite de laquelle sa tête se détache. La quantité d'explosifs dans le pyrobolt est soigneusement dosée afin que, d'une part, il soit garanti d'arracher la tête et, d'autre part, de ne pas endommager le missile. Lorsque les gradins sont divisés en détonateurs électriques de tous les boulons explosifs reliant les pièces à diviser, une impulsion de courant est simultanément appliquée et la connexion est libérée.

De plus, les marches doivent être séparées à une distance sûre les unes des autres. (Le démarrage du moteur de l'étage supérieur près de l'étage inférieur peut provoquer l'épuisement de sa capacité en carburant et une explosion de résidus de carburant, ce qui endommagera l'étage supérieur ou déstabilisera son vol.) Lors de la séparation des étages dans l'atmosphère, la force aérodynamique du flux d'air venant en sens inverse peut être utilisé pour les séparer, et lors de la séparation en petits moteurs de fusée à propergol solide sont parfois utilisés dans le vide.

Sur les fusées à propergol liquide, ces moteurs servent également à "décanter" le carburant dans les réservoirs de l'étage supérieur: lorsque le moteur de l'étage inférieur est éteint, la fusée vole par inertie, en état de chute libre, tandis que le le carburant liquide dans les réservoirs est en suspension, ce qui peut entraîner une panne lors du démarrage du moteur. Les moteurs auxiliaires donnent une légère accélération à l'étage, provoquant le «dépôt» du carburant au fond des réservoirs.

L'augmentation du nombre d'étapes n'a un effet positif que jusqu'à une certaine limite. Plus il y a d'étages, plus la masse totale des adaptateurs, ainsi que des moteurs ne fonctionnant que dans un segment de vol, est grande et, à un moment donné, une nouvelle augmentation du nombre d'étages devient contre-productive. DANS pratique moderne la science de la fusée plus de quatre étapes n'est généralement pas effectuée.

Lors du choix du nombre d'étapes, les problèmes de fiabilité sont également importants. Les pyrobolts et les moteurs-fusées auxiliaires à propergol solide sont des éléments à simple action dont le fonctionnement ne peut être vérifié avant le lancement de la fusée. Pendant ce temps, la défaillance d'un seul pyrobolt peut entraîner une interruption d'urgence du vol de la fusée. L'augmentation du nombre d'éléments jetables non soumis à des tests fonctionnels réduit la fiabilité de l'ensemble de la fusée dans son ensemble. Cela oblige également les concepteurs à s'abstenir de trop d'étapes.

Vitesses spatiales

Il est extrêmement important de noter que la vitesse développée par la fusée (et avec elle l'ensemble du vaisseau spatial) dans la section active de la trajectoire, c'est-à-dire dans cette section relativement courte pendant que le moteur de la fusée fonctionne, doit être très, très élevée. .

Plaçons mentalement notre fusée dans l'espace libre et allumons son moteur. Le moteur a créé une poussée, la fusée a accéléré et a commencé à prendre de la vitesse, se déplaçant en ligne droite (si la poussée ne change pas de direction). Quelle vitesse la fusée acquerra-t-elle lorsque sa masse diminuera de la valeur initiale m 0 à la valeur finale m k? Si nous supposons que le taux de sortie w de la matière de la fusée est inchangé (cela est assez précisément observé dans missiles modernes), alors la fusée développera une vitesse v, qui s'exprime par la formule Tsiolkovsky, qui détermine la vitesse à laquelle l'aéronef se développe sous l'influence de la poussée du moteur-fusée, sans changement de direction, en l'absence de toutes les autres forces:

où ln représente naturel et log représente les logarithmes décimaux

La vitesse calculée par la formule Tsiolkovsky caractérise les ressources énergétiques de la fusée. Cela s'appelle idéal. On voit que la vitesse idéale ne dépend pas de la seconde consommation de la masse du corps de travail, mais dépend uniquement du débit w et du nombre z \u003d m 0 / m k, appelé le rapport de masse ou le nombre de Tsiolkovsky.

Il existe un concept des vitesses dites cosmiques: la première, la deuxième et la troisième. La première vitesse cosmique est la vitesse à laquelle un corps (vaisseau spatial) lancé depuis la Terre peut devenir son satellite. Si nous ne prenons pas en compte l'influence de l'atmosphère, alors directement au-dessus du niveau de la mer, la première vitesse cosmique est de 7,9 km / s et diminue avec l'augmentation de la distance de la Terre. À une altitude de 200 km de la Terre, elle est de 7,78 km / s. En pratique, la première vitesse spatiale est supposée être de 8 km / s.

Afin de surmonter la gravité de la Terre et de se transformer, par exemple, en satellite du Soleil ou d'atteindre une autre planète du système solaire, un corps lancé depuis la Terre (un vaisseau spatial) doit atteindre la deuxième vitesse cosmique, prise égale. à 11,2 km / s.

Un corps (un vaisseau spatial) doit avoir la troisième vitesse cosmique près de la surface de la Terre quand il est nécessaire qu'il puisse surmonter l'attraction gravitationnelle de la Terre et du Soleil et quitter le système solaire. La troisième vitesse spatiale est supposée être de 16,7 km / s.

Les vitesses cosmiques ont une importance énorme. Ils sont plusieurs dizaines de fois plus élevés que la vitesse du son dans l'air. Ce n'est qu'à partir de là que les tâches complexes sont claires dans le domaine de la cosmonautique.

Pourquoi les vitesses cosmiques sont-elles si énormes et pourquoi les vaisseaux spatiaux ne tombent-ils pas sur Terre? En effet, c'est étrange: le Soleil par d'énormes forces gravitationnelles maintient la Terre et toutes les autres planètes du système solaire près d'elle-même, ne leur permet pas de voler dans l'espace extra-atmosphérique. Il semblerait étrange que la Terre garde la Lune près d'elle-même. Les forces de gravité agissent entre tous les corps, mais les planètes ne tombent pas sur le Soleil parce qu'elles sont en mouvement, et c'est le secret.

Tout tombe sur la Terre: des gouttes de pluie, des flocons de neige, une pierre tombée d'une montagne et une tasse renversée de la table. Et la lune? Il tourne autour de la Terre. Sans les forces de gravité, il s'envolerait tangentiellement à l'orbite, et s'il s'arrêtait soudainement, il tomberait sur la Terre. La lune, en raison de l'attraction de la Terre, dévie de la trajectoire rectiligne, tout le temps comme si elle "tombait" sur la Terre.

La Lune se déplace le long d'un certain arc et tant que la gravité agit, la Lune ne tombera pas sur Terre. Il en va de même avec la Terre - si elle s'arrêtait, elle tomberait sur le Soleil, mais cela ne se produira pas pour la même raison. Deux types de mouvement - l'un sous l'influence de la gravité, l'autre par inertie - s'additionnent et aboutissent à un mouvement curviligne.

La loi de la gravitation universelle, qui maintient l'équilibre de l'Univers, a été découverte par le scientifique anglais Isaac Newton. Quand il a publié sa découverte, les gens ont dit qu'il était fou. La loi de la gravitation détermine non seulement le mouvement de la Lune, de la Terre, mais aussi de tous les corps célestes du système solaire, ainsi que des satellites artificiels, des stations orbitales, des vaisseaux spatiaux interplanétaires.

Lois de Kepler

Avant de considérer les orbites des vaisseaux spatiaux, considérez les lois de Kepler qui les décrivent.

Johannes Kepler avait un sens de la beauté. Toute sa vie d'adulte, il a tenté de prouver que le système solaire est une sorte d'oeuvre d'art mystique. Dans un premier temps, il a essayé de relier sa structure à cinq polyèdres réguliers de la géométrie grecque antique classique. (Un polyèdre régulier est une figure tridimensionnelle, dont toutes les faces sont des polygones réguliers égaux.) À l'époque de Kepler, on connaissait six planètes censées être placées sur des "sphères de cristal" en rotation. Kepler a fait valoir que ces sphères sont situées de telle manière que les polyèdres réguliers s'adaptent exactement entre les sphères adjacentes. Entre les deux sphères extérieures - Saturne et Jupiter - il a placé un cube inscrit dans la sphère extérieure, dans laquelle, à son tour, la sphère intérieure est inscrite; entre les sphères de Jupiter et de Mars - un tétraèdre (tétraèdre régulier), etc. Six sphères des planètes, cinq polyèdres réguliers inscrits entre elles - semblerait-il, la perfection même?

Hélas, comparant son modèle aux orbites observées des planètes, Kepler fut forcé d'admettre que le comportement réel des corps célestes ne cadrait pas dans le cadre élancé qu'il avait tracé. Le seul résultat survivant de cette impulsion juvénile de Kepler était un modèle du système solaire, fabriqué par le scientifique de sa propre main et présenté en cadeau à son patron, le duc Frederick von Württemberg. Dans cet artefact métallique magnifiquement exécuté, toutes les sphères orbitales des planètes et les polyèdres réguliers qui y sont inscrits sont des conteneurs creux qui ne communiquent pas entre eux, qui étaient censés être remplis de diverses boissons pendant les vacances pour traiter les invités du duc. .

Ce n'est qu'après avoir déménagé à Prague et être devenu l'assistant du célèbre astronome danois Tycho Brahe, Kepler est tombé sur des idées qui ont vraiment immortalisé son nom dans les annales de la science. Tycho Brahe a collecté des données d'observation astronomique toute sa vie et accumulé d'énormes quantités d'informations sur le mouvement des planètes. Après sa mort, ils sont passés à la disposition de Kepler. À propos, ces documents étaient d'une grande valeur commerciale à l'époque, car ils pouvaient être utilisés pour compiler des horoscopes astrologiques raffinés (aujourd'hui, les scientifiques préfèrent garder le silence sur cette section de l'astronomie primitive).

Lors du traitement des résultats des observations de Tycho Brahe, Kepler était confronté à un problème qui, même avec des ordinateurs modernes, pouvait sembler insoluble pour quelqu'un, et Kepler n'avait d'autre choix que d'effectuer tous les calculs manuellement. Bien sûr, comme la plupart des astronomes de son temps, Kepler connaissait déjà le système héliocentrique de Copernic et savait que la Terre tourne autour du Soleil, comme en témoigne le modèle ci-dessus du système solaire. Mais comment la Terre et les autres planètes tournent-elles exactement? Imaginons le problème comme suit: vous êtes sur une planète qui, d'une part, tourne autour de son axe, et d'autre part, tourne autour du Soleil dans une orbite inconnue de vous. En regardant dans le ciel, nous voyons d'autres planètes, qui se déplacent également sur des orbites inconnues de nous. Et la tâche est de déterminer la géométrie des orbites et la vitesse de déplacement des autres planètes à partir des données d'observations effectuées sur notre globe tournant autour de son axe autour du Soleil. C'est exactement ce que Kepler a finalement réussi à faire, après quoi, sur la base des résultats obtenus, il a dérivé ses trois lois!

La première loi décrit la géométrie des trajectoires des orbites planétaires: chaque planète du système solaire tourne le long d'une ellipse, dont l'un des foyers est le soleil. D'après le cours de géométrie scolaire - une ellipse est un ensemble de points sur un plan, la somme des distances à partir desquelles deux points fixes - se concentre - est égale à une constante. Ou sinon - imaginez une section de la surface latérale d'un cône par un plan à un angle par rapport à sa base qui ne passe pas par la base - c'est aussi une ellipse. La première loi de Kepler affirme simplement que les orbites des planètes sont des ellipses, dans l'un des foyers desquels se trouve le Soleil. Les excentricités (degré d'élongation) des orbites et leur distance du Soleil au périhélie (le point le plus proche du Soleil) et à l'apogélie (le point le plus éloigné) sont différentes pour toutes les planètes, mais toutes les orbites elliptiques ont une chose en commun: le Soleil est situé à l'un des deux foyers de l'ellipse. Après avoir analysé les observations de Tycho Brahe, Kepler a conclu que les orbites planétaires sont un ensemble d'ellipses imbriquées. Avant lui, cela n'était simplement venu à l'esprit d'aucun astronome.

La signification historique de la première loi de Kepler ne peut guère être surestimée. Avant lui, les astronomes pensaient que les planètes se déplaçaient exclusivement sur des orbites circulaires, et si cela ne cadrait pas dans le cadre des observations, le mouvement circulaire principal était complété par de petits cercles que les planètes décrivaient autour des points de l'orbite circulaire principale. C'était avant tout une position philosophique, une sorte de fait immuable qui n'est pas sujet au doute et à la vérification. Les philosophes ont fait valoir que la structure céleste, contrairement à la structure terrestre, est parfaite dans son harmonie, et puisque les plus parfaites des figures géométriques sont le cercle et la sphère, cela signifie que les planètes se déplacent en cercle. L'essentiel est que, ayant eu accès aux vastes données d'observation de Tycho Brahe, Johannes Kepler a pu surmonter ce préjugé philosophique, voyant qu'il ne correspondait pas aux faits - tout comme Copernic a osé retirer la Terre du centre. de l'univers, confronté à des arguments qui contredisent les notions géocentriques persistantes, consistait également en un «mauvais comportement» des planètes en orbite.

La deuxième loi décrit le changement de vitesse des planètes autour du Soleil: chaque planète se déplace dans un plan passant par le centre du Soleil, et à intervalles de temps égaux, le rayon vecteur reliant le Soleil et la planète décrit des aires égales. Plus l'orbite elliptique s'éloigne du Soleil, plus le mouvement est lent, plus le Soleil est proche - plus la planète se déplace rapidement. Imaginez maintenant une paire de segments de ligne reliant deux positions planétaires en orbite avec le point focal de l'ellipse dans laquelle se trouve le Soleil. Avec le segment de l'ellipse qui les sépare, ils forment un secteur dont l'aire est exactement la même «zone coupée par un segment de droite». C'est d'elle que dit la deuxième loi. Plus la planète est proche du Soleil, plus les segments sont courts. Mais dans ce cas, pour que le secteur couvre une surface égale en temps égal, la planète doit parcourir une plus grande distance sur son orbite, ce qui signifie que sa vitesse de déplacement augmente.

Les deux premières lois traitent des spécificités des trajectoires orbitales d'une seule planète. La troisième loi de Kepler permet de comparer les orbites des planètes entre elles: les carrés des périodes de révolution des planètes autour du Soleil sont liés comme des cubes des axes semi-majeurs des orbites des planètes. Il dit que plus la planète est éloignée du Soleil, plus elle prend de temps pour sa révolution complète lorsqu'elle se déplace en orbite et plus, en conséquence, "l'année" dure sur cette planète. Nous savons aujourd'hui que cela est dû à deux facteurs. Premièrement, plus la planète est éloignée du Soleil, plus le périmètre de son orbite est long. Deuxièmement, avec l'augmentation de la distance du Soleil, la vitesse linéaire du mouvement de la planète diminue également.

Dans ses lois, Kepler a simplement énoncé les faits en étudiant et en généralisant les résultats des observations. Si vous lui aviez demandé ce qui a causé l'ellipticité des orbites ou l'égalité des aires des secteurs, il ne vous aurait pas répondu. Cela venait juste de découler de son analyse. Si vous lui posiez des questions sur le mouvement orbital des planètes dans d'autres systèmes stellaires, il ne trouverait pas non plus de réponse pour vous. Il devrait tout recommencer - accumuler des données d'observation, puis les analyser et essayer d'identifier des modèles. Autrement dit, il n'aurait tout simplement aucune raison de croire qu'un autre système planétaire obéit aux mêmes lois que le système solaire.

L'un des plus grands triomphes de la mécanique classique newtonienne réside précisément dans le fait qu'elle fournit une base fondamentale aux lois de Kepler et affirme leur universalité. Il s'avère que les lois de Kepler peuvent être dérivées des lois de la mécanique de Newton, de la loi de Newton de la gravitation universelle et de la loi de conservation du moment angulaire par des calculs mathématiques rigoureux. Et si c'est le cas, nous pouvons être sûrs que les lois de Kepler sont également applicables à n'importe quel système planétaire n'importe où dans l'univers. Les astronomes à la recherche de nouveaux systèmes planétaires dans l'espace mondial (et un grand nombre d'entre eux ont déjà été découverts), encore et encore, bien sûr, utilisent les équations de Kepler pour calculer les paramètres des orbites des planètes éloignées, bien qu'ils ne puissent pas observez-les directement.

La troisième loi de Kepler a joué et joue un rôle important dans la cosmologie moderne. En observant des galaxies éloignées, les astrophysiciens enregistrent de faibles signaux émis par des atomes d'hydrogène en orbite très loin des orbites du centre galactique - beaucoup plus loin que les étoiles ne le sont habituellement. En utilisant l'effet Doppler dans le spectre de ce rayonnement, les scientifiques déterminent les vitesses de rotation de la périphérie hydrogène du disque galactique, et à partir de celles-ci - et les vitesses angulaires des galaxies dans leur ensemble. Les travaux du scientifique qui nous ont fermement mis sur la voie d'une compréhension correcte de la structure de notre système solaire, et aujourd'hui, des siècles après sa mort, jouent un rôle si important dans l'étude de la structure de l'immense univers.

Orbites

Le calcul des trajectoires de vol des engins spatiaux est d'une grande importance, dans lequel l'objectif principal doit être poursuivi - l'économie d'énergie maximale. Lors du calcul de la trajectoire de vol de l'engin spatial, il est nécessaire de déterminer le moment le plus favorable et, si possible, le lieu de lancement, de prendre en compte les effets aérodynamiques résultant de l'interaction de l'engin spatial avec l'atmosphère terrestre au départ et à l'arrivée. , et beaucoup plus.

De nombreux engins spatiaux modernes, en particulier ceux avec un équipage, ont des moteurs de fusée embarqués relativement petits, dont le but principal est la correction d'orbite nécessaire et le freinage à l'atterrissage. Lors du calcul de la trajectoire de vol, ses changements associés aux ajustements doivent être pris en compte. La majeure partie de la trajectoire (en fait, toute la trajectoire, à l'exception de sa partie active et des périodes de correction) est réalisée avec les moteurs à l'arrêt, mais bien sûr sous l'influence des champs gravitationnels des astres.

La trajectoire du vaisseau spatial s'appelle l'orbite. Pendant le vol libre de l'engin spatial, lorsque ses moteurs à réaction embarqués sont éteints, le mouvement se produit sous l'influence des forces gravitationnelles et par inertie, la force principale étant la gravité terrestre.

Si la Terre est considérée comme strictement sphérique et que l'action du champ gravitationnel terrestre est la seule force, alors le mouvement de l'engin spatial obéit aux lois bien connues de Kepler: il se produit dans un plan fixe (dans l'espace absolu) passant par le centre de la Terre - le plan de l'orbite; l'orbite a la forme d'une ellipse ou d'un cercle (cas particulier d'une ellipse).

Les orbites sont caractérisées par un certain nombre de paramètres - un système de quantités qui déterminent l'orientation de l'orbite d'un corps céleste dans l'espace, sa taille et sa forme, ainsi que la position sur l'orbite d'un corps céleste à un certain moment fixe. L'orbite non perturbée, le long de laquelle le corps se déplace conformément aux lois de Kepler, est déterminée par:

1. Inclinaison de l'orbite (i) au plan de référence; peut varier de 0 ° à 180 °. L'inclinaison est inférieure à 90 ° si pour un observateur au pôle nord de l'écliptique ou au pôle nord du monde, le corps semble se déplacer dans le sens antihoraire, et supérieure à 90 ° si le corps se déplace dans la direction opposée. Appliqué au système solaire, le plan de l'orbite terrestre (le plan écliptique) est généralement choisi comme plan de référence; pour les satellites artificiels de la Terre, le plan équatorial de la Terre est généralement choisi comme plan de référence; pour les satellites de autres planètes du système solaire, le plan équatorial de la planète correspondante est généralement choisi comme plan de référence.
2. Longitude du nœud ascendant (Ω)est l'un des principaux éléments de l'orbite utilisé pour décrire mathématiquement la forme de l'orbite et son orientation dans l'espace. Spécifie le point auquel l'orbite coupe le plan de base du sud au nord. Pour les corps tournant autour du Soleil, le plan principal est l'écliptique et le point zéro est le premier point du Bélier (l'équinoxe vernal).
3. Semi-grand axe (a) est la moitié de l'axe principal de l'ellipse. En astronomie, il caractérise la distance moyenne entre un corps céleste et le foyer.
4. Excentricité - caractéristique numérique de la section conique. L'excentricité est invariante par rapport aux mouvements du plan et aux transformations de similitude et caractérise la "compression" de l'orbite.
5. Argument du péricentre - est défini comme l'angle entre les directions du centre d'attraction au nœud ascendant de l'orbite et au périapside (le point de l'orbite du satellite le plus proche du centre d'attraction), ou l'angle entre la ligne de nœuds et la ligne de les absides. Il est mesuré à partir du centre attractif dans la direction du mouvement du satellite, généralement sélectionné dans la plage 0 ° -360 °. Pour déterminer le nœud ascendant et descendant, un certain plan (dit de base) est sélectionné contenant le centre d'attraction. Le plan de l'écliptique (le mouvement des planètes, des comètes, des astéroïdes autour du Soleil), le plan de l'équateur de la planète (le mouvement des satellites autour de la planète), etc. sont généralement utilisés comme base.
6. Anomalie moyenne pour un corps se déplaçant sur une orbite non perturbée, il est le produit de son mouvement moyen et de l'intervalle de temps après le passage du péricentre. Ainsi, l'anomalie moyenne est la distance angulaire par rapport au périapside d'un corps hypothétique se déplaçant à une vitesse angulaire constante égale au mouvement moyen.

Il existe différents types d'orbites - équatoriale (inclinaison "i" \u003d 0 °), polaire (inclinaison "i" \u003d 90 °), orbites synchrones avec le soleil (les paramètres orbitaux sont tels que le satellite passe sur n'importe quel point surface de la Terre à peu près à la même heure solaire locale), en orbite basse (altitudes de 160 km à 2000 km), orbitale moyenne (altitudes de 2000 km à 35786 km), géostationnaire (altitude 35786 km), en orbite haute (altitudes supérieures à 35786 km ).

Les années 1957-1958 ont été marquées par les plus grandes réalisations de l'Union soviétique dans le domaine de la fusée.

Fanions à bord de la première fusée spatiale soviétique. Ci-dessus - un fanion sphérique symbolisant une planète artificielle; en bas - un fanion-ruban (des côtés avant et arrière).

Les lancements de satellites terrestres artificiels soviétiques ont permis d'accumuler le matériel nécessaire pour effectuer des vols spatiaux et atteindre d'autres planètes du système solaire. Les travaux de recherche et de développement menés en URSS visaient à créer des satellites terrestres artificiels, de grande taille et de poids.

Le poids du troisième satellite artificiel soviétique, comme on le sait, était de 1327 kilogrammes.

Avec le lancement réussi du premier satellite terrestre artificiel au monde le 4 octobre 1957, et les lancements ultérieurs de satellites soviétiques lourds dans le cadre du programme de l'Année géophysique internationale, la première vitesse spatiale a été obtenue - 8 kilomètres par seconde.

À la suite du travail créatif supplémentaire des scientifiques, concepteurs, ingénieurs et travailleurs soviétiques, une fusée à plusieurs étages a maintenant été créée, dont le dernier étage est capable d'atteindre la deuxième vitesse cosmique - 11,2 kilomètres par seconde, offrant la possibilité d'un interplanétaire vols.

Le 2 janvier 1959, l'URSS a lancé une fusée spatiale vers la Lune. La fusée spatiale à plusieurs étages, selon un programme donné, est entrée dans la trajectoire vers la Lune. Selon des données préliminaires, le dernier étage de la fusée a reçu la seconde vitesse spatiale requise. Poursuivant son mouvement, la fusée a traversé la frontière orientale de l'Union soviétique, est passée au-dessus des îles hawaïennes et continue de se déplacer au-dessus de l'océan Pacifique, s'éloignant rapidement de la Terre.

À 3 heures 10 minutes, heure de Moscou, le 3 janvier, la fusée spatiale, se déplaçant vers la lune, passera au-dessus de la partie sud de Sumatra, à environ 110 000 kilomètres de la Terre. Selon des calculs préliminaires, affinés par des observations directes, vers 7 heures le 4 janvier 1959, la fusée spatiale atteindra la région de la Lune.

Le dernier étage d'une fusée spatiale pesant 1472 kilogrammes sans carburant est équipé d'un conteneur spécial, à l'intérieur duquel se trouve un équipement de mesure pour effectuer les recherches scientifiques suivantes:

Détection du champ magnétique de la lune;

Etude des variations d'intensité et d'intensité des rayons cosmiques en dehors du champ magnétique terrestre;

Enregistrement des photons dans le rayonnement cosmique;

Détecter la radioactivité de la lune;

Etude de la distribution des noyaux lourds dans le rayonnement cosmique;

Etude de la composante gazeuse de la matière interplanétaire;

Etude du rayonnement corpusculaire du Soleil;

Etude des particules météoriques.

Pour surveiller le vol du dernier étage d'une fusée spatiale, il est équipé de:

Un émetteur radio émettant des messages télégraphiques d'une durée de 0,8 et 1,6 seconde à deux fréquences 19,997 et 19,995 mégahertz;

Un émetteur radio fonctionnant à une fréquence de 19,993 mégahertz par des messages télégraphiques de durée variable de l'ordre de 0,5-0,9 secondes, à l'aide desquels des données d'observation scientifique sont transmises;

Un émetteur radio émettant à une fréquence de 183,6 mégahertz et utilisé pour mesurer des paramètres de mouvement et transmettre des informations scientifiques à la Terre;

Équipement spécial conçu pour créer un nuage de sodium - une comète artificielle.

Une comète artificielle peut être observée et photographiée par des moyens optiques équipés de filtres lumineux qui mettent en évidence la raie spectrale du sodium.

La comète artificielle sera formée le 3 janvier à environ 3 heures 57 minutes heure de Moscou et sera visible pendant environ 2 à 5 minutes dans la constellation de la Vierge, approximativement au centre du triangle formé par les étoiles alpha Bootes, alpha Virgo et alpha Balance.

La fusée spatiale porte à bord un fanion avec les armoiries de l'Union soviétique et l'inscription: «Union des Républiques socialistes soviétiques. Janvier 1959 ".

Le poids total de l'équipement scientifique et de mesure avec les alimentations électriques et le conteneur est de 361,3 kilogrammes.

Des stations de mesure scientifiques situées dans diverses régions de l'Union soviétique observent le premier vol interplanétaire. La détermination des éléments de trajectoire est effectuée sur des machines à calculer électroniques en fonction des données de mesure fournies automatiquement au centre de coordination et de calcul.

Le traitement des résultats de mesure permettra d'obtenir des données sur le mouvement d'une fusée spatiale et de déterminer les parties de l'espace interplanétaire dans lesquelles des observations scientifiques sont effectuées.

Le travail créatif de tout le peuple soviétique, visant à résoudre les problèmes les plus importants du développement de la société socialiste dans l'intérêt de toute l'humanité progressiste, a permis de mener à bien le premier vol interplanétaire réussi.

Le lancement d'une fusée spatiale soviétique montre une fois de plus le haut niveau de développement de la fusée domestique et démontre une fois de plus au monde entier les réalisations exceptionnelles de la science et de la technologie soviétiques avancées.

Les plus grands secrets de l'Univers deviendront plus accessibles à l'homme, qui dans un proche avenir pourra lui-même mettre le pied à la surface d'autres planètes.

Les équipes d'instituts de recherche, de bureaux d'études d'usines et d'organisations de test qui ont créé une nouvelle fusée pour les communications interplanétaires consacrent ce lancement au 21e Congrès du Parti communiste de l'Union soviétique.

La transmission de données sur le vol de la fusée spatiale sera effectuée régulièrement par toutes les stations de radio de l'Union soviétique.

VOL DE FUSÉE SPATIALE

La fusée spatiale à plusieurs étages a été lancée verticalement depuis la surface de la Terre.

Sous l'action du mécanisme de programme du système automatique qui contrôle la fusée, sa trajectoire dévie progressivement de la verticale. La vitesse de la fusée augmenta rapidement.

À la fin de la section d'accélération, le dernier étage de la fusée a pris la vitesse nécessaire à son mouvement ultérieur.

Le système de contrôle automatique du dernier étage a éteint le moteur de la fusée et a donné l'ordre de séparer le conteneur avec l'équipement scientifique du dernier étage.

Le conteneur et le dernier étage de la fusée sont entrés dans la trajectoire et ont commencé à se déplacer vers la Lune, étant à une distance proche l'un de l'autre.

Pour surmonter la gravité, une fusée spatiale doit gagner en vitesse au moins égale à la seconde vitesse cosmique. La deuxième vitesse cosmique, également appelée vitesse parabolique, à la surface de la Terre est de 11,2 kilomètres par seconde.

Cette vitesse est critique dans le sens où à des vitesses inférieures, appelées elliptiques, le corps devient soit un satellite de la Terre, soit, après avoir atteint une certaine hauteur maximale, retourne vers la Terre.

À des vitesses supérieures ou égales à la seconde vitesse cosmique (vitesses hyperboliques), le corps est capable de surmonter la gravité et de s'éloigner de la Terre pour toujours.

La fusée spatiale soviétique a dépassé la seconde vitesse spatiale au moment où le moteur de la fusée de son dernier étage a été éteint. Le mouvement ultérieur de la fusée, jusqu'à ce qu'elle s'approche de la Lune, est principalement influencé par la gravité terrestre. En conséquence, selon les lois de la mécanique céleste, la trajectoire d'une fusée par rapport au centre de la Terre est très proche d'une hyperbole, pour laquelle le centre de la Terre est l'un de ses foyers. La trajectoire est la plus courbe près de la Terre et se redresse avec la distance de la Terre. À de grandes distances de la Terre, la trajectoire devient très proche d'une ligne droite.

Schéma de l'itinéraire des fusées spatiales à la surface de la Terre.

Les nombres sur le diagramme correspondent aux positions séquentielles de la projection de la fusée sur la surface de la Terre: 1 - 3 heures le 3 janvier, à 100 mille kilomètres de la Terre; 2 - la formation d'une comète artificielle; 3 - 6 heures, 137 mille kilomètres; 4 - 13 heures, 209 mille kilomètres; 5 -19 heures, 265 mille kilomètres; 6 - 21 heures, 284 mille kilomètres; 7 - 5 heures 59 minutes le 4 janvier 370 mille kilomètres - le moment de l'approche la plus proche de la Lune: 8 -12 heures, 422 mille kilomètres; 9 - 22 heures, 510 mille

Au début du mouvement de la fusée le long d'une trajectoire hyperbolique, elle se déplace très rapidement. Cependant, à mesure que la distance de la Terre augmente, la vitesse de la fusée diminue en raison de la force de gravité. Ainsi, si à une altitude de 1500 km, la vitesse d'une fusée par rapport au centre de la Terre était légèrement supérieure à 10 kilomètres par seconde, alors à une altitude de 100 mille kilomètres, elle était déjà égale à environ 3,5 kilomètres par seconde.

La trajectoire de l'approche de la fusée vers la Lune.

La vitesse de rotation du vecteur rayon reliant le centre de la Terre à la fusée diminue, selon la deuxième loi de Kepler, en proportion inverse du carré de la distance au centre de la Terre. Si, au début du mouvement, cette vitesse était d'environ 0,07 degré par seconde, c'est-à-dire plus de 15 fois la vitesse angulaire de la rotation quotidienne de la Terre, après environ une heure, elle devenait inférieure à la vitesse angulaire de la Terre. Lorsque la fusée s'est approchée de la Lune, la vitesse de rotation de son vecteur rayon a diminué de plus de 2000 fois et est devenue déjà cinq fois inférieure à la vitesse angulaire de la révolution de la Lune autour de la Terre. La vitesse de rotation de la Lune est seulement 1/27 de la vitesse angulaire de la Terre.

Ces caractéristiques du mouvement de la fusée le long de la trajectoire ont déterminé la nature de son mouvement par rapport à la surface de la Terre.

La carte représente le mouvement de la projection d'une fusée sur la surface de la Terre au fil du temps. Alors que la vitesse de rotation du vecteur rayon de la fusée était élevée par rapport à la vitesse de rotation de la Terre, cette projection s'est déplacée vers l'est, s'écartant progressivement vers le sud. Ensuite, la projection a commencé à se déplacer d'abord vers le sud-ouest et 6 à 7 heures après le lancement de la fusée, lorsque la vitesse de rotation du vecteur rayon est devenue très petite, presque exactement à l'ouest.

Le chemin de la fusée vers la lune sur la carte des étoiles.

Le mouvement de la fusée parmi les constellations de la sphère céleste est illustré dans le diagramme. Le mouvement de la fusée dans la sphère céleste était très inégal - rapide au début et très lent vers la fin.

Après environ une heure de vol, la trajectoire de la fusée sur la sphère céleste est entrée dans la constellation de Coma Veronica. Ensuite, la fusée s'est déplacée sur le firmament jusqu'à la constellation de la Vierge, dans laquelle elle s'est approchée de la Lune.

Le 3 janvier, à 3 heures 57 minutes heure de Moscou, alors que la fusée se trouvait dans la constellation de la Vierge, approximativement au milieu du triangle formé par les étoiles Arcturus, Spica et Alpha Libra, un dispositif spécial installé à bord de la fusée a créé un artificiel comète constituée de vapeur de sodium brillant dans les rayons du soleil. Cette comète a pu être observée depuis la Terre par des moyens optiques pendant plusieurs minutes. Lors de son passage près de la Lune, la fusée se trouvait dans la sphère céleste entre les étoiles Spica et Alpha Libra.

La trajectoire de la fusée au firmament, à l'approche de la Lune, est inclinée à la trajectoire de la Lune d'environ 50 °. Près de la Lune, la fusée s'est déplacée dans la sphère céleste environ 5 fois plus lentement que la Lune.

La lune, se déplaçant sur son orbite autour de la Terre, s'est approchée du point de rendez-vous avec la fusée sur la droite, vue de la partie nord de la Terre. La fusée s'est approchée de ce point par le haut et par la droite. Pendant la période d'approche la plus proche, la fusée était au-dessus et légèrement à droite de la Lune.

Le temps de vol de la fusée vers l'orbite de la Lune dépend de l'excès de la vitesse initiale de la fusée sur la deuxième vitesse cosmique et sera d'autant plus faible que cet excès sera grand. Le choix de l'ampleur de cet excès a été fait en tenant compte du fait que le passage de la fusée près de la lune pouvait être observé par des installations radio situées sur le territoire de l'Union soviétique et dans d'autres pays européens, ainsi qu'en Afrique et dans la plupart des pays d’Asie. Le temps de trajet de la fusée spatiale vers la Lune était de 34 heures.

Lors de l'approche la plus proche, la distance entre la fusée et la Lune était, selon les données mises à jour, de 5 à 6 000 kilomètres, soit environ une fois et demie le diamètre de la Lune.

Lorsque la fusée spatiale s'est approchée de la Lune à une distance de plusieurs dizaines de milliers de kilomètres, la gravité de la Lune a commencé à avoir un effet notable sur le mouvement de la fusée. L'action de la gravité de la lune a conduit à une déviation de la direction de la fusée et à un changement de l'amplitude de sa vitesse de vol près de la lune. À l'approche, la Lune était plus basse que la fusée, et donc, en raison de l'attraction de la Lune, la direction de vol de la fusée a dévié vers le bas. L'attraction de la lune a également créé une augmentation locale de la vitesse. Cette augmentation a culminé à l'approche la plus proche.

Après avoir approché la Lune, la fusée spatiale a continué à s'éloigner de la Terre, sa vitesse par rapport au centre de la Terre a diminué, approchant une valeur égale à environ 2 kilomètres par seconde.

À une distance d'environ 1 million de kilomètres ou plus de la Terre, l'influence de la gravité terrestre sur la fusée s'affaiblit tellement que le mouvement de la fusée ne peut être considéré comme se produisant que sous l'influence de la force gravitationnelle du Soleil. Vers les 7 et 8 janvier, une fusée spatiale soviétique est entrée sur son orbite indépendante autour du Soleil, est devenue son satellite, devenant ainsi la première planète artificielle du système solaire au monde.

La vitesse de la fusée par rapport au centre de la Terre pendant la période du 7 au 8 janvier était dirigée approximativement dans la même direction que la vitesse de la Terre dans son mouvement autour du Soleil. Comme la vitesse de la Terre est de 30 kilomètres par seconde et que la vitesse de la fusée par rapport à la Terre est de 2 kilomètres par seconde, la vitesse de la fusée, comme une planète, autour du Soleil était d'environ 32 kilomètres par seconde.

Des données précises sur la position de la fusée, la direction et l'amplitude de sa vitesse à de grandes distances de la Terre permettent, selon les lois de la mécanique céleste, de calculer le mouvement d'une fusée spatiale comme une planète du système solaire. L'orbite a été calculée sans tenir compte des perturbations que les planètes et autres corps du système solaire peuvent provoquer. L'orbite calculée est caractérisée par les données suivantes:

l'inclinaison de l'orbite par rapport au plan de l'orbite terrestre est d'environ 1 °, c'est-à-dire très peu;

l'excentricité de l'orbite de la planète artificielle est de 0,148, ce qui est nettement supérieur à l'excentricité de l'orbite terrestre, égale à 0,017;

la distance minimale du Soleil sera d'environ 146 millions de kilomètres, c'est-à-dire qu'elle ne sera que de quelques millions de kilomètres de moins que la distance entre la Terre et le Soleil (la distance moyenne entre la Terre et le Soleil est de 150 millions de kilomètres);

la distance maximale entre une planète artificielle et le Soleil sera d'environ 197 millions de kilomètres, c'est-à-dire que la fusée spatiale sera 47 millions de kilomètres plus loin du Soleil que de la Terre;

la période de révolution de la planète artificielle autour du Soleil sera de 450 jours, soit environ 15 mois. La distance minimale du Soleil sera atteinte pour la première fois à la mi-janvier 1959, et la maximum - au début de septembre 1959.

Orbite estimée de la planète artificielle par rapport au Soleil.

Il est intéressant de noter que l'orbite de la planète artificielle soviétique s'approche de l'orbite de Mars à une distance d'environ 15 millions de kilomètres, soit environ 4 fois plus proche que l'orbite de la Terre.

La distance entre la fusée et la Terre lorsqu'elle se déplace autour du Soleil changera, augmentant parfois, puis diminuant. La plus grande distance entre eux peut atteindre des valeurs de 300 à 350 millions de kilomètres.

Dans le processus de révolution de la planète artificielle et de la Terre autour du Soleil, ils peuvent s'approcher à une distance d'environ un million de kilomètres.

DERNIÈRE ÉTAPE DE FUSÉE SPATIALE ET CONTENEUR AVEC APPAREIL SCIENTIFIQUE

Le dernier étage de la fusée spatiale est un missile guidé, attaché au moyen d'un adaptateur à l'étage précédent.

La fusée est contrôlée par un système automatique qui stabilise la position de la fusée sur une trajectoire donnée et fournit la vitesse de conception à la fin du fonctionnement du moteur. Le dernier étage de la fusée spatiale, après être à court de carburant, pèse 1 472 kilogrammes.

En plus des dispositifs qui assurent le vol normal du dernier étage de la fusée, son corps contient:

conteneur scellé et détachable avec équipement scientifique et radiotechnique;

deux émetteurs avec des antennes fonctionnant aux fréquences de 19,997 MHz et 19,995 MHz;

compteur de rayons cosmiques;

un système radio, à l'aide duquel la trajectoire de vol d'une fusée spatiale est déterminée et son mouvement ultérieur est prédit;

appareil pour la formation d'une comète de sodium artificielle.

Éléments pentagonaux d'un fanion sphérique.

Le conteneur est situé dans la partie supérieure du dernier étage de la fusée spatiale et est protégé de l'échauffement lorsque la fusée traverse les couches denses de l'atmosphère par le cône largué.

Le conteneur se compose de deux demi-coquilles sphériques minces, reliées hermétiquement par des cadres avec un joint d'étanchéité en caoutchouc spécial. Sur l'une des demi-coques du conteneur, il y a 4 tiges d'antenne d'un émetteur radio fonctionnant à une fréquence de 183,6 mhz... Ces antennes sont fixées sur le boîtier symétriquement par rapport à une tige creuse en aluminium, à l'extrémité de laquelle se trouve un capteur de mesure du champ magnétique terrestre et de détection du champ magnétique de la Lune. Jusqu'à ce que le cône de protection tombe, les antennes sont repliées et fixées sur la broche du magnétomètre. Une fois le cône protecteur tombé, les antennes se déplient. Sur la même semi-coque, il y a deux pièges à protons pour détecter la composante gazeuse de la matière interplanétaire et deux capteurs piézoélectriques pour étudier les particules météoriques.

Les demi-coques du conteneur sont constituées d'un alliage spécial aluminium-magnésium. Sur le cadre de la demi-coque inférieure, un cadre d'instrument d'une structure tubulaire en alliage de magnésium est fixé, sur lequel sont situés les instruments du conteneur.

L'équipement suivant se trouve à l'intérieur du conteneur:

1. Équipement de surveillance radio de la trajectoire de la fusée, composé d'un émetteur fonctionnant à une fréquence de 183,6 MHz et d'un récepteur.

2. Un émetteur radio fonctionnant à une fréquence de 19,993 MHz.

3. Unité de télémétrie destinée à transmettre à la Terre des mesures scientifiques, ainsi que des données sur la température et la pression dans le conteneur, via des systèmes radio.

4. Matériel pour étudier la composante gazeuse de la matière interplanétaire et le rayonnement corpusculaire du Soleil.

5. Équipement pour mesurer le champ magnétique terrestre et détecter le champ magnétique de la Lune.

6. Matériel pour l'étude des particules météoriques.

7. Matériel d'enregistrement des noyaux lourds dans le rayonnement cosmique primaire.

8. Matériel d'enregistrement des variations d'intensité et d'intensité des rayons cosmiques et d'enregistrement des photons dans le rayonnement cosmique.

L'équipement radio et l'équipement scientifique du conteneur sont alimentés par des batteries argent-zinc et des batteries oxyde-mercure placées sur le châssis de l'instrument du conteneur.

Conteneur avec équipement scientifique et de mesure (sur chariot de montage).

Le récipient est rempli de gaz à une pression de 1,3 atm. La conception du conteneur assure une haute étanchéité du volume interne. La température du gaz à l'intérieur du conteneur est maintenue dans des limites spécifiées (environ 20 ° C). Spécifié régime de température est assuré en conférant certains coefficients de réflexion et de rayonnement à la coque du conteneur en raison d'un traitement spécial de la coque. De plus, un ventilateur est installé dans le conteneur, ce qui permet une circulation forcée du gaz. Le gaz circulant dans le conteneur évacue la chaleur des appareils et la transmet à la coque, qui est une sorte de radiateur.

La séparation du conteneur du dernier étage de la fusée spatiale intervient après la fin du système de propulsion du dernier étage.

La séparation du conteneur est nécessaire du point de vue d'assurer le régime thermique du conteneur. Le fait est que le conteneur contient des dispositifs qui émettent une grande quantité de chaleur. Le régime thermique, comme indiqué ci-dessus, est assuré en maintenant un certain équilibre entre la chaleur émise par la coque du conteneur et la chaleur reçue par la coque du Soleil.

Le compartiment à conteneurs assure le fonctionnement normal des antennes des conteneurs et des équipements de mesure du champ magnétique terrestre et de détection du champ magnétique de la Lune; Du fait de la séparation du conteneur, les influences magnétiques de la structure métallique de la fusée sur les lectures du magnétomètre sont éliminées.

Le poids total de l'équipement scientifique et de mesure avec le conteneur, ainsi que les alimentations électriques situées sur le dernier étage de la fusée spatiale, est de 361,3 kilogrammes.

En commémoration de la création en Union soviétique de la première fusée spatiale, qui est devenue une planète artificielle du système solaire, deux fanions portant l'emblème d'État de l'Union soviétique sont installés sur la fusée. Ces fanions sont situés dans un conteneur.

Un fanion est réalisé sous la forme d'une fine bande métallique. Sur un côté de la bande il y a une inscription: "Union des Républiques socialistes soviétiques", et de l'autre côté il y a les armoiries de l'Union soviétique et l'inscription: "Janvier 1959 Janvier". Les inscriptions sont réalisées à l'aide d'une méthode photochimique spéciale, ce qui garantit leur conservation à long terme.

Cadre d'instrument du conteneur avec équipement et alimentations (sur un chariot de montage).

Le deuxième fanion est sphérique, symbolisant une planète artificielle. La surface de la sphère est recouverte d'éléments pentagonaux en acier inoxydable spécial. Sur un côté de chaque élément il y a une inscription: «URSS Janvier 1959», de l'autre - les armoiries de l'Union soviétique et l'inscription «URSS».

COMPLEXE D'OUTILS DE MESURE

Pour observer le vol d'une fusée spatiale, mesurer les paramètres de son orbite et recevoir des mesures scientifiques de l'avion, un grand ensemble d'instruments de mesure a été utilisé, situé sur tout le territoire de l'Union soviétique.

Le complexe de mesure se composait: d'un groupe de radars automatisés conçus pour déterminer avec précision les éléments de la section d'orbite initiale; un groupe de stations de radiotélémétrie pour enregistrer les informations scientifiques transmises par la fusée spatiale; un système d'ingénierie radio pour surveiller les éléments de trajectoire de fusée à de grandes distances de la Terre; les stations techniques radio utilisées pour recevoir des signaux sur les fréquences 19,997, 19,995 et 19,993 MHz; des moyens optiques pour observer et photographier une comète artificielle.

La coordination du fonctionnement de tous les instruments de mesure et la liaison des résultats de mesure à l'heure astronomique ont été effectuées à l'aide d'un équipement spécial du temps uniforme et des systèmes de communication radio.

Le traitement des données de mesure de trajectoire provenant des zones où se trouvent les stations, la détermination des éléments orbitaux et la délivrance de désignations de cibles aux instruments de mesure ont été réalisés par le centre de coordination et de calcul sur des machines à calculer électroniques.

automatique stations radar ont été utilisés pour déterminer rapidement les conditions initiales du mouvement d'une fusée spatiale, émettre une prévision à long terme sur le mouvement de la fusée et des données de désignation de cible à tous les équipements de mesure et d'observation. Les données de mesure de ces stations à l'aide d'appareils de calcul spéciaux ont été converties en un code binaire, moyenné, lié au temps astronomique avec une précision de plusieurs millisecondes, et ont été automatiquement émis dans la ligne de communication.

Pour empêcher les données de mesure d'éventuelles erreurs lors de la transmission sur les lignes de communication, les informations de mesure ont été codées. L'utilisation du code a permis de trouver et de corriger une erreur dans le numéro transmis et de trouver et de supprimer des numéros comportant deux erreurs.

Les informations de mesure ainsi transformées ont été envoyées au centre de coordination et de calcul. Ici, les données de mesure à l'aide de dispositifs d'entrée étaient automatiquement remplies sur des cartes perforées, selon lesquelles des machines à calculer électroniques effectuaient un traitement conjoint des résultats de mesure et du calcul de l'orbite. Sur la base de l'utilisation d'un grand nombre de mesures de trajectoire suite à la résolution d'un problème de valeur aux limites à l'aide de la méthode des moindres carrés, les conditions initiales du mouvement d'une fusée spatiale ont été déterminées. Ensuite, un système d'équations différentielles a été intégré, qui décrit le mouvement conjoint de la fusée, de la Lune, de la Terre et du Soleil.

Les stations télémétriques au sol ont reçu des informations scientifiques de la fusée spatiale et les ont enregistrées sur des films photographiques et des bandes magnétiques. Pour assurer une longue portée de réception des signaux radio, des récepteurs très sensibles et des antennes spéciales avec une grande surface effective ont été utilisés.

Les stations techniques de réception radio, fonctionnant aux fréquences de 19,997, 19,995, 19,993 MHz, ont reçu des signaux radio d'une fusée spatiale et ont enregistré ces signaux sur des bandes magnétiques. Dans le même temps, des mesures du champ et un certain nombre d'autres mesures ont été effectuées, ce qui a permis d'effectuer des recherches ionosphériques.

En changeant le type de manipulation de l'émetteur fonctionnant à deux fréquences 19,997 et 19,995 MHz, des données sur les rayons cosmiques ont été transmises. Les principales informations scientifiques ont été transmises via le canal de l'émetteur, émettant à une fréquence de 19,993 MHz, en modifiant la durée de l'intervalle entre les messages télégraphiques.

Une comète artificielle de sodium a été utilisée pour l'observation optique de la fusée spatiale depuis la Terre afin de confirmer le fait du passage de la fusée spatiale le long de cette section de sa trajectoire. La comète artificielle s'est formée le 3 janvier à 3 heures 57 minutes, heure de Moscou, à une distance de 113 mille kilomètres de la Terre. L'observation d'une comète artificielle était possible à partir de zones Asie centrale, Caucase, Moyen-Orient, Afrique et Inde. La photographie de la comète artificielle a été réalisée à l'aide d'un équipement optique spécialement créé installé dans les observatoires astronomiques du sud de l'Union soviétique. Pour augmenter le contraste des tirages photographiques, nous avons utilisé des filtres de lumière qui mettent en évidence la raie spectrale du sodium. Afin d'augmenter la sensibilité des équipements photographiques, un certain nombre d'installations ont été équipées de convertisseurs électro-optiques.

Malgré les conditions météorologiques défavorables dans la plupart des zones de localisation des moyens optiques de surveillance de la fusée spatiale, plusieurs photographies de la comète sodium ont été obtenues.

La surveillance de l'orbite d'une fusée spatiale jusqu'à des distances de 400 à 500 000 kilomètres et la mesure des éléments de sa trajectoire ont été effectuées à l'aide d'un système spécial d'ingénierie radio fonctionnant à une fréquence de 183,6 MHz.

Les données de mesure à des moments strictement définis dans le temps étaient automatiquement affichées et enregistrées dans un code numérique sur des appareils spéciaux.

Parallèlement à l'heure à laquelle les lectures du système d'ingénierie radio ont été prises, ces données ont été rapidement envoyées au centre de coordination et de calcul. Le traitement conjoint de ces mesures et des données de mesure du système radar a permis d'affiner les éléments de l'orbite de la fusée et de contrôler directement le mouvement de la fusée dans l'espace.

L'utilisation d'émetteurs au sol puissants et de récepteurs très sensibles a assuré une mesure fiable de la trajectoire d'une fusée spatiale jusqu'à des distances d'environ 500 000 kilomètres.

L'utilisation de cet ensemble d'instruments de mesure a permis d'obtenir des données précieuses à partir d'observations scientifiques et de surveiller et de prévoir de manière fiable le mouvement d'une fusée dans l'espace.

Le riche matériel de mesures de trajectoires effectuées pendant le vol de la première fusée spatiale soviétique et l'expérience du traitement automatique des mesures de trajectoires sur des machines à calculer électroniques seront d'une grande importance pour le lancement des fusées spatiales ultérieures.

RECHERCHE SCIENTIFIQUE

Etude des rayons cosmiques

L'une des principales tâches de la recherche scientifique menée sur la fusée spatiale soviétique est l'étude des rayons cosmiques.

La composition et les propriétés du rayonnement cosmique à de grandes distances de la Terre sont déterminées par les conditions d'occurrence des rayons cosmiques et la structure de l'espace extra-atmosphérique. Jusqu'à présent, les informations sur les rayons cosmiques étaient obtenues en mesurant les rayons cosmiques près de la Terre. Pendant ce temps, à la suite de l'action d'un certain nombre de processus, la composition et les propriétés du rayonnement cosmique près de la Terre diffèrent fortement de celles qui sont inhérentes aux «vrais» rayons cosmiques eux-mêmes. Les rayons cosmiques observés à la surface de la Terre ont peu de ressemblance avec ces particules qui nous viennent de l'espace.

Lors de l'utilisation de fusées à haute altitude et en particulier de satellites terrestres, il n'y a plus une quantité significative de matière sur le trajet des rayons cosmiques de l'espace vers l'appareil de mesure. Cependant, la Terre est entourée d'un champ magnétique qui réfléchit partiellement les rayons cosmiques. D'un autre côté, le même champ magnétique crée une sorte de piège pour les rayons cosmiques. Une fois, tombant dans ce piège, la particule de rayon cosmique y erre très longtemps. En conséquence, un grand nombre de particules de rayonnement cosmique s'accumulent près de la Terre.

Tant que l'appareil de mesure du rayonnement cosmique est dans la sphère du champ magnétique terrestre, les résultats de mesure ne permettront pas d'étudier les rayons cosmiques provenant de l'Univers. On sait que parmi les particules présentes à des altitudes de l'ordre de 1000 kilomètres, seule une infime fraction (environ 0,1%) provient directement de l'espace. Les 99,9% restants des particules proviennent, apparemment, de la désintégration des neutrons émis par la Terre (plus précisément, les couches supérieures de son atmosphère). Ces neutrons, à leur tour, sont créés par des rayons cosmiques qui bombardent la Terre.

Ce n'est qu'après que l'appareil se trouve non seulement en dehors de l'atmosphère terrestre, mais également en dehors du champ magnétique terrestre, il est possible de découvrir la nature et l'origine des rayons cosmiques.

La fusée spatiale soviétique dispose d'une variété d'instruments qui permettent d'étudier de manière exhaustive la composition des rayons cosmiques dans l'espace interplanétaire.

En utilisant deux compteurs de particules chargées, l'intensité du rayonnement cosmique a été déterminée. La composition des rayons cosmiques a été étudiée à l'aide de deux photomultiplicateurs à cristaux.

Pour cela, nous avons mesuré:

1. Flux d'énergie du rayonnement cosmique dans une large gamme d'énergies.

2. Le nombre de photons avec des énergies supérieures à 50 000 électron-volts (rayons X durs).

3. Le nombre de photons avec des énergies supérieures à 500 000 électrons volts (rayons gamma).

4. Le nombre de particules capables de traverser un cristal d'iodure de sodium (l'énergie de ces particules est supérieure à 5 000 000 d'électrons volts).

5. Ionisation totale causée dans le cristal par tous les types de rayonnement.

Les compteurs de particules chargées ont donné des impulsions à des circuits de comptage spéciaux. Avec l'aide de tels schémas, il est possible de transmettre un signal par radio - lorsqu'un certain nombre de particules est compté.

Les photomultiplicateurs connectés aux cristaux ont enregistré les éclairs de lumière qui se produisent dans le cristal lorsque des particules de rayonnement cosmique les traversent. L'amplitude de l'impulsion à la sortie du photomultiplicateur est, dans certaines limites, proportionnelle à la quantité de lumière émise au moment où la particule de rayon cosmique traverse le cristal. Cette dernière valeur, à son tour, est proportionnelle à l'énergie qui a été dépensée dans le cristal pour l'ionisation par une particule de rayons cosmiques. En isolant les impulsions dont la magnitude est supérieure à une certaine valeur, il est possible d'étudier la composition du rayonnement cosmique. Le système le plus sensible enregistre tous les cas où l'énergie libérée dans le cristal dépasse 50 000 électrons-volts. Cependant, le pouvoir de pénétration des particules à de telles énergies est très faible. Dans ces conditions, les rayons X seront principalement enregistrés.

Le comptage du nombre d'impulsions est effectué en utilisant les mêmes schémas de comptage que ceux utilisés pour compter le nombre de particules chargées.

De la même manière, des impulsions sont libérées dont la valeur correspond à une libération d'énergie dans le cristal de plus de 500 000 électrons-volts. Dans ces conditions, les rayons gamma sont principalement enregistrés.

En libérant des impulsions d'une ampleur encore plus grande (correspondant à une libération d'énergie de plus de 5 000 000 d'électrons-volts), on note des cas de particules de rayons cosmiques de haute énergie traversant le cristal. Il convient de noter que les particules chargées qui font partie des rayons cosmiques et volent presque à la vitesse de la lumière passeront à travers le cristal. Dans ce cas, la libération d'énergie dans le cristal sera dans la plupart des cas d'environ 20 000 000 d'électrons-volts.

En plus de mesurer le nombre d'impulsions, l'ionisation totale générée dans le cristal par tous les types de rayonnement est déterminée. A cet effet, un circuit composé d'une lampe au néon, d'un condensateur et de résistances sert. Ce système permet de déterminer le courant total traversant le photomultiplicateur en mesurant le nombre de coups d'une lampe néon, et de mesurer ainsi l'ionisation totale créée dans le cristal.

Les recherches menées sur une fusée spatiale permettent de déterminer la composition des rayons cosmiques dans l'espace interplanétaire.

Etude de la composante gazeuse de la matière interplanétaire et du rayonnement corpusculaire du Soleil

Jusqu'à récemment, on supposait que la concentration de gaz dans l'espace interplanétaire est très faible et se mesure en unités de particules par centimètre cube. Cependant, certaines observations astrophysiques ces dernières années ébranlé ce point de vue.

La pression des rayons du soleil sur les particules des couches supérieures de l'atmosphère terrestre crée une sorte de «queue de gaz» de la Terre, toujours dirigée depuis le Soleil. Sa lueur, qui se projette sur le fond étoilé du ciel nocturne sous la forme d'un anti-rayonnement, s'appelle la lumière zodiacale. En 1953, les résultats des observations de la polarisation de la lumière zodiacale ont été publiés, ce qui a conduit certains scientifiques à la conclusion qu'il y a environ 600-1000 électrons libres dans un centimètre cube dans l'espace interplanétaire de la région de la Terre. Si tel est le cas, et puisque le milieu dans son ensemble est électriquement neutre, il doit également contenir des particules chargées positivement avec la même concentration. Sous certaines hypothèses, à partir des mesures de polarisation indiquées, la dépendance de la concentration d'électrons dans le milieu interplanétaire à la distance au Soleil a été dérivée et, par conséquent, la densité du gaz, qui devrait être complètement ou presque complètement ionisé. La densité du gaz interplanétaire devrait diminuer avec l'augmentation de la distance du Soleil.

Un autre fait expérimental qui plaide en faveur de l'existence d'un gaz interplanétaire d'une densité d'environ 1000 particules par centimètre cube est la propagation de ce que l'on appelle «l'atmosphère sifflante» - oscillations électromagnétiques à basse fréquence causées par les décharges électriques atmosphériques. Pour expliquer la propagation de ces oscillations électromagnétiques du lieu de leur origine au lieu où elles sont observées, il faut supposer qu'elles se propagent le long des lignes de force du champ magnétique terrestre, à des distances de huit à dix rayons terrestres (ie , à environ 50-65 mille kilomètres) de la surface de la Terre, dans un milieu avec une concentration d'électrons de l'ordre de mille électrons dans 1 centimètre cube.

Cependant, les conclusions sur l'existence d'un milieu gazeux aussi dense dans l'espace interplanétaire ne sont en aucun cas incontestables. Ainsi, un certain nombre de scientifiques soulignent que la polarisation observée de la lumière zodiacale peut être causée non pas par des électrons libres, mais par des poussières interplanétaires. Il est suggéré que dans l'espace interplanétaire, le gaz n'est présent que sous la forme de flux dits corpusculaires, c'est-à-dire de flux de gaz ionisé éjecté de la surface du Soleil et se déplaçant à une vitesse de 1000-3000 kilomètres par seconde.

Apparemment, à état actuel astrophysiciens, la question de la nature et de la concentration du gaz interplanétaire ne peut être résolue à l'aide d'observations faites à partir de la surface de la Terre. Ce problème, d'une grande importance pour élucider les processus d'échange gazeux entre le milieu interplanétaire et les couches supérieures de l'atmosphère terrestre et pour étudier les conditions de propagation du rayonnement corpusculaire du soleil, peut être résolu à l'aide d'instruments installé sur des fusées se déplaçant directement dans l'espace interplanétaire.

Le but de l'installation d'instruments pour étudier la composante gazeuse de la matière interplanétaire et le rayonnement corpusculaire du Soleil sur une fusée spatiale soviétique est de réaliser la première étape de ces études - des tentatives pour détecter directement les gaz stationnaires et les flux corpusculaires dans la région interplanétaire. espace situé entre la Terre et la Lune, et une estimation approximative de la concentration de particules chargées dans cette zone. Lors de la préparation de l'expérience, sur la base des données actuellement disponibles, les deux modèles suivants du milieu gazeux interplanétaire ont été considérés comme les plus probables:

A. Il existe un milieu gazeux stationnaire, constitué principalement d'hydrogène ionisé (c'est-à-dire d'électrons et de protons - noyaux d'hydrogène) avec une température électronique de 5000-10 000 ° K (proche de la température ionique). Parfois, des courants corpusculaires traversent ce milieu à une vitesse de 1000 à 3000 kilomètres par seconde avec une concentration de particules de 1 à 10 par centimètre cube.

B. Il n'y a que des flux corpusculaires sporadiques constitués d'électrons et de protons avec des vitesses de 1000 à 3000 kilomètres par seconde, atteignant parfois une concentration maximale de 1000 particules par centimètre cube.

L'expérience est réalisée à l'aide de pièges à protons. Chaque piège à protons est un système de trois électrodes hémisphériques situées concentriquement avec des rayons de 60 mm, 22,5 mm et 20 mm... Deux électrodes externes sont constituées d'un mince maillage métallique, la troisième est solide et sert de collecteur de protons.

Les potentiels électriques des électrodes par rapport au corps du récipient sont tels que les champs électriques formés entre les électrodes du piège doivent assurer à la fois la collecte complète de tous les protons et l'expulsion des électrons tombant dans le piège à partir d'un gaz stationnaire, ainsi que la suppression du photocourant du collecteur résultant de l'action du rayonnement ultraviolet du rayonnement solaire agissant sur le collecteur.

La séparation du courant protonique créé dans les pièges par le gaz ionisé stationnaire et les flux corpusculaires (s'ils existent ensemble) est réalisée par l'utilisation simultanée de quatre pièges à protons, différant les uns des autres en ce que deux d'entre eux ont un potentiel positif égal à 15 volts par rapport à la coque du conteneur.

Ce potentiel de décélération empêche les protons d'un gaz stationnaire (ayant une énergie de l'ordre de 1 électron-volt) d'entrer dans le piège, mais il ne peut pas empêcher les protons de flux corpusculaires, qui ont des énergies beaucoup plus élevées, d'entrer dans le collecteur. Les deux autres pièges doivent enregistrer les courants protoniques totaux générés par les protons stationnaires et corpusculaires. La grille extérieure de l'un d'eux est au potentiel de la coque du conteneur, et l'autre a un potentiel négatif égal à 10 volts par rapport à la même coque.

Les courants dans les circuits collecteurs après amplification sont enregistrés à l'aide d'un système de radiotélémétrie.

Etude des particules de météores

Avec les planètes et leurs satellites, les astéroïdes et les comètes, le système solaire contient un grand nombre de petites particules solides se déplaçant par rapport à la Terre à des vitesses de 12 à 72 kilomètres par seconde et appelées matière météorique dans le complexe.

À ce jour, les principales informations sur la matière météorique envahissant l'atmosphère terrestre à partir de l'espace interplanétaire ont été obtenues par des méthodes astronomiques et radar.

Des corps météoriques relativement grands, volant dans l'atmosphère terrestre à grande vitesse, y brûlent, provoquant une lueur observée visuellement et à l'aide de télescopes. Les plus petites particules sont suivies par des radars le long de la piste de particules chargées - électrons et ions, formées lors du mouvement d'un corps météorique.

Sur la base de ces études, des données ont été obtenues sur la densité des corps météorologiques près de la Terre, leur vitesse et leur masse de 10 ~ 4 grammes et plus.

Les données sur les particules les plus petites et les plus nombreuses d'un diamètre de plusieurs microns sont obtenues en observant la diffusion de la lumière du soleil uniquement sur une énorme accumulation de telles particules. L'étude d'une particule micrométéorologique individuelle n'est possible qu'à l'aide d'équipements installés sur des satellites artificiels de la terre, ainsi que sur des fusées à haute altitude et spatiales.

L'étude de la matière météorique est d'une importance scientifique significative pour la géophysique, l'astronomie, pour résoudre les problèmes d'évolution et d'origine des systèmes planétaires.

En relation avec le développement de la technologie des fusées et le début de l'ère des vols interplanétaires, découverts par la première fusée spatiale soviétique, l'étude de la matière météorique acquiert un grand intérêt purement pratique pour déterminer le risque météorologique des fusées spatiales et des satellites artificiels été en vol depuis longtemps.

Les corps météorologiques, lorsqu'ils frappent une fusée, sont capables de produire divers types d'effets sur celle-ci: la détruire, briser l'étanchéité de la cabine, percer la coque. Les particules micrométéoriques, agissant sur la coque de la fusée pendant une longue période, peuvent provoquer une modification de la nature de sa surface. À la suite de collisions avec des corps micrométéoriques, les surfaces des instruments optiques peuvent passer de transparentes à opaques.

Comme vous le savez, la probabilité d'une collision d'une fusée spatiale avec des particules météoriques capables de l'endommager est faible, mais elle existe, et il est important de l'évaluer correctement.

Pour étudier la matière météorique dans l'espace interplanétaire, deux capteurs piézoélectriques balistiques en phosphate d'ammonium sont installés sur le conteneur d'instruments d'une fusée spatiale, qui enregistrent les impacts de particules micrométéoriques. Les capteurs piézoélectriques convertissent l'énergie mécanique d'une particule impactante en énergie électrique, dont la valeur dépend de la masse et de la vitesse de la particule impactante, et le nombre d'impulsions est égal au nombre de particules entrant en collision avec la surface du capteur.

Les impulsions électriques de l'émetteur, sous forme d'oscillations amorties à court terme, sont envoyées à l'entrée de l'amplificateur-convertisseur, qui les divise en trois plages d'amplitude et compte le nombre d'impulsions dans chaque plage d'amplitude.

Mesures magnétiques

Les succès de la technologie des fusées soviétiques ouvrent de grandes opportunités aux géophysiciens. Les fusées spatiales permettront de mesurer directement les champs magnétiques des planètes avec des magnétomètres spéciaux ou de détecter les champs planétaires en raison de leur influence possible sur l'intensité du rayonnement cosmique directement dans l'espace entourant les planètes.

Le vol d'une fusée spatiale soviétique avec un magnétomètre vers la Lune est la première expérience de ce type.

Outre l'étude des champs magnétiques des corps cosmiques, la question de l'intensité du champ magnétique dans l'espace en général est d'une grande importance. La force du champ magnétique terrestre à une distance de 60 rayons terrestres (à la distance de l'orbite lunaire) est pratiquement nulle. Il y a des raisons de croire que le moment magnétique de la lune est petit. Le champ magnétique de la Lune, dans le cas d'une aimantation uniforme, devrait décroître selon la loi du cube de la distance à son centre. Avec une aimantation non uniforme, l'intensité du champ lunaire diminuera encore plus rapidement. Par conséquent, il ne peut être détecté de manière fiable qu'à proximité immédiate de la lune.

Quelle est l'intensité du champ dans l'espace à l'intérieur de l'orbite de la Lune à une distance suffisante de la Terre et de la Lune? Est-il déterminé par des valeurs calculées à partir du potentiel magnétique de la Terre, ou dépend-il également d'autres raisons? Le champ magnétique terrestre a été mesuré sur le troisième satellite soviétique dans la plage d'altitude de 230 à 1800 km, soit jusqu'à 1/3 du rayon de la Terre.

La contribution relative de l'éventuelle partie non potentielle du champ magnétique constant, l'influence de la partie variable du champ magnétique, sera plus importante à une distance de plusieurs rayons de la Terre, où l'intensité de son champ est déjà assez faible . À une distance de cinq rayons, le champ terrestre devrait être d'environ 400 gamma (un gamma - 10 -5 oersted).

L'installation d'un magnétomètre à bord d'une fusée volant vers la lune a les objectifs suivants:

1. Mesurez le champ magnétique terrestre et les champs possibles des systèmes actuels dans l'espace à l'intérieur de l'orbite de la Lune.

2. Détectez le champ magnétique de la lune.

La question de savoir si les planètes du système solaire et leurs satellites sont magnétisées, comme la Terre, est une question importante en astronomie et en géophysique.

Le traitement statistique d'un grand nombre d'observations effectuées par des magnétologues afin de détecter les champs magnétiques des planètes et de la Lune par leur influence éventuelle sur la géométrie des flux corpusculaires émis par le Soleil n'a pas conduit à des résultats définitifs.

Une tentative d'établir une connexion générale entre les moments mécaniques des corps cosmiques, connus pour la plupart des planètes du système solaire, et leurs moments magnétiques possibles n'a pas trouvé de confirmation expérimentale dans un certain nombre d'expériences au sol qui ont découlé de cette hypothèse.

A l'heure actuelle, le modèle des courants réguliers circulant dans le noyau conducteur liquide de la Terre et provoquant le champ magnétique principal de la Terre est le plus souvent utilisé dans diverses hypothèses sur l'origine du champ magnétique terrestre. La rotation de la Terre autour de son axe est utilisée pour expliquer les particularités du champ terrestre.

Ainsi, selon cette hypothèse, l'existence d'un noyau conducteur de liquide est un préalable à la présence d'un champ magnétique général.

À PROPOS DE condition physique Nous en savons très peu sur les couches internes de la lune. Jusqu'à récemment, on croyait, sur la base de l'apparence de la surface de la lune, que même si les montagnes et les cratères lunaires sont d'origine volcanique, l'activité volcanique sur la lune a pris fin depuis longtemps et il est peu probable que la lune ait un noyau liquide.

De ce point de vue, il faut supposer que la lune n'a pas de champ magnétique si l'hypothèse de l'origine du champ magnétique terrestre est vraie. Cependant, si l'activité volcanique sur la Lune se poursuit, la possibilité de l'existence d'une aimantation inhomogène de la Lune et même d'une aimantation homogène générale n'est pas exclue.

La sensibilité, la plage de mesure du magnétomètre et le programme de son fonctionnement pour la fusée spatiale soviétique ont été choisis en fonction de la nécessité de résoudre les problèmes ci-dessus. Étant donné que l'orientation des capteurs de mesure par rapport au champ magnétique mesuré change continuellement en raison de la rotation du conteneur et de la rotation de la Terre, un magnétomètre vectoriel complet à trois composants avec des capteurs magnétiquement saturés est utilisé pour l'expérience.

Trois capteurs magnétométriques sensibles mutuellement perpendiculaires sont fixés de manière immobile par rapport au corps du conteneur sur une tige non magnétique spéciale de plus d'un mètre de long. Dans ce cas, l'influence des parties magnétiques de l'équipement du conteneur est toujours de 50-100 gamma, en fonction de l'orientation du capteur. Des résultats suffisamment précis lors de la mesure du champ magnétique terrestre peuvent être obtenus jusqu'à des distances de 4 à 5 rayons.

L'équipement scientifique installé à bord de la fusée fonctionnait normalement. Un grand nombre d'enregistrements de résultats de mesure ont été reçus et sont en cours de traitement. Une analyse préliminaire montre que les résultats de la recherche sont d'une grande importance scientifique. Ces résultats seront publiés au fur et à mesure du traitement des observations.