МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНОГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН
ТАШКНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧИСКИЙУНИВЕРСИТЕТ им. А.Р. БЕРУНИЙ
АВИАЦИОННЫЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА: «А и ТЭВС »
Реферат
По предмету: «Основы ракетно-космической техники»
Ташкент 2014 г
Введение
Стремление оторваться от Земли и улететь в мировое пространство, чтобы проникнуть в его тайны, зародилось у человека очень давно - в те времена, когда он понял, что блистающие на небосводе точки представляют собой отдаленные миры. Так возникли мифы о полете на Луну и другие небесные тела.
После Коперника, доказавшего, что наша Земля не центр мироздания, а всего-навсего одна из планет, вращающихся вокруг Солнца, и давшего тем самым философскую основу сторонникам теории о множественности миров, выступил Джордано Бруно с утверждением об обитаемости иных миров. Это дало новую пищу мечтателям о внеземных полетах.
С развитием науки характер произведений, посвященных полету на иные планеты, несколько меняется: помимо чисто литературного материала, в них появляются элементы научных и технических идей. Писатели отказываются от проектов космических полетов с помощью птиц или духов и выводят на сцену самые разнообразные машины. С XVII века уже высказывается мысль о возможности достижения других миров с помощью ракет. Но лишь в начале нашего столетия, когда К.Э. Циолковским, а впоследствии другими исследователями были разработаны основные положения астронавтики, проблема полета в мировое пространство стала на прочный фундамент. Опираясь на законы движения небесных тел, а также на другие законы природы, исходя из возможностей современной техники, наука пришла к заключению об осуществимости спутниковых, межпланетных и межзвёздных полетов при помощи ракетных кораблей.
1. Спутниковые полеты
Искусственный спутник в отличие от самолета не может летать над Землей по любому маршруту. Нет, например, ни малейшей возможности заставить искусственный спутник летать вдоль тропиков или, тем более, вдоль полярных кругов; нет возможности заставить спутник летать по ломаной линии; невозможно значительно сократить или удлинить время перелета спутника от одного города до другого и т. д.
Искусственный спутник может летать исключительно по круговым или эллиптическим орбитам. Кроме того, подобно телу, брошенному под углом к горизонту, он может двигаться лишь в плоскости, проходящей через центр Земли, то есть в плоскости большого круга. Поэтому, в частности, искусственный спутник не может двигаться над какой-либо параллелью земного шара; единственное исключение представляет экватор, то есть пулевая параллель. Плоскость орбиты искусственного спутника будет оставаться неподвижной по отношению к небосводу.
Звездное время обращения искусственного спутника. Высота полета искусственного спутника обусловливает скорость его движения и тем самым длительность периода его обращения вокруг Земли.
Если бы не было сопротивления воздуха, то искусственный спутник, запущенный у самой поверхности Земли с указанной выше скоростью в 7912 метров в секунду, совершал бы полный оборот по отношению к небосводу, возвращаясь в прежнее положение относительно звезд и центра Земли за 1 час 24 минуты 25 секунд. Это - так называемый звездный период обращения.
С увеличением высоты запуска искусственного спутника его орбита станет длиннее, а сила земного притяжения - слабее. Следовательно, и центробежная сила сможет быть меньше, а движение спутника - более медленным.
Период обращения искусственного спутника увеличивается с удалением от планеты. На высоте, равной двум радиусам Земли, звездный период обращения составляет 7 часов 17 минут, а на высотах, вдвое и втрое больших, - 15 часов 44 минуты и 1 сутки 2 часа 3 минуты.
Период обращения спутника можно вычислить следующим образом. Зная высоту полета спутника и радиус земного шара, мы определяем длину круговой орбиты, то есть путь, пройденный спутником за время одного обращения, и затем делим полученный результат на круговую скорость. Например, радиус орбиты спутника, парящего на высоте 6378 километров, равен 12 756 километрам, а длина соответствующей окружности - 80 152 километрам. Разделив эту величину на круговую скорость, равную 5,595 километра в секунду, мы получим 14 327 секунд, или 3 часа 58 минут 47 секунд.
Период обращения искусственного спутника относительно наблюдателя.
Как было сказано выше, звездный (или, что то же, сидерический) период обращения спутника, летящего около самой земной поверхности, составляет 1 час 24 минуты 25 секунд. Таким является период обращения спутника относительно небосвода или относительно наблюдателя, находящегося на одном из земных полюсов. Но представим себе, что орбита спутника находится в плоскости экватора и спутник, как и Земля, обращается с запада на восток. К тому времени, когда спутник сделает полный оборот относительно небосвода, наблюдатель на экваторе повернется вместе с Землей на довольно большой угол относительно небосвода и вследствие этого окажется на большом расстоянии впереди спутника. Лишь спустя 5 минут 16 секунд спутник нагонит наблюдателя.
Таким образом, время обращения так называемого нулевого искусственного спутника относительно наблюдателя составит 1 час 29 минут 41 секунду. Спустя это время спутник возвращается в прежнее положение относительно наблюдателя. Иными словами, наблюдатель видит теперь искусственный спутник на небе в прежнем положении относительно себя, например в зените.
Если бы спутник двигался в плоскости экватора по круговой орбите с востока на запад, то наблюдатель на экваторе двигался бы как бы навстречу ему. Для искусственного спутника, движущегося с востока на запад у самой поверхности Земли, период обращения относительно наблюдателя был бы на 4 минуты 41 секунду короче звездного периода обращения и составлял бы 1 час 19 минут 44 секунды.
2. О движении первого и второго искусственных спутников
искусственный спутник полет межпланетный
Первый советский искусственный спутник Земли движется по орбите, наклоненной к плоскости экватора под углом в 65 градусов. Максимальная высота его полета доходит до 900 километров.
Орбита спутника представляет эллипс с незначительным сжатием: разница в длине между его большой и малой осями составляет менее четверти процента. Как видно, это почти окружность. Однако центр этой "окружности"" несколько смещен по отношению к центру Земли.
Период обращения спутника составлял вначале 96 минут 12 секунд, а затем вследствие сопротивления атмосферы (хотя и весьма незначительного) стал сокращаться. В течение первых трех недель период обращения уменьшался примерно на 2,3 секунды в сутки и спустя 23 суток составлял 95 минут 18 секунд. Таким образом, количество обращений спутника за этот период увеличилось с 14,97 оборота в сутки до 15,11 оборота.
С сокращением периода обращения уменьшаются также размеры орбиты. Расчет показывает, что за первые 18 суток большая ось сократилась примерно на 70 километров (полпроцента).
Плоскость орбиты спутника, не меняя наклона по отношению к плоскости экватора, медленно поворачивается вокруг оси Земли. Это движение составляет примерно одну четверть градуса по долготе за один оборот спутника в направлении, обратном вращательному движению Земли. По данным официальных сообщений легко вычислить, что средняя скорость движения спутника за первые три недели его существования составляла 7,58 километра в секунду. Однако орбитальная скорость движения спутника не является постоянной: она несколько больше в северном полушарии, где спутник летит ниже, и несколько меньше в южном полушарии, где высота полета достигает максимального значения.
Ракета-носитель, доставившая спутник на его орбиту, сначала отставала от него, так как толчок, которым был выброшен спутник из ракеты-носителя, несколько замедлил движение самой ракеты. Кроме того, ракета-носитель сильнее тормозилась воздухом, чем сам спутник. Через четыре дня после запуска спутника ракета-носитель отставала от него всего на одну тысячу километров. Затем ракета-носитель догнала спутник и даже опередила его.
Произошло это по следующим причинам: уменьшение орбитальной скорости движения ракеты привело к тому, что уменьшилась длина орбиты, и период обращения ракеты-носителя стал короче соответствующего периода спутника. Угловая скорость перемещения ракеты по небосводу стала, таким образом, больше скорости перемещения спутника, и поэтому для наблюдателя с Земли ракета-носитель обогнала спутник.
Начиная с того момента, когда ракета-носитель обогнала спутник (с 10 октября 1957 года), она начала проходить восточнее спутника по долготе, то есть стала пересекать данную параллель восточнее спутника, и угол пересечения становился изо дня в день все больше и больше. Поэтому у многих возникал вопрос, не обращаются ли эти два тела в разных плоскостях, пересекающихся под все большим и большим углом. В действительности же обе орбиты лежали в одной и той же плоскости. Прохождение же ракеты-носителя восточнее спутника объясняется вращением Земли и опережением ракетой-носителем спутника. Так, например, 24 октября 1957 г. в 18 часов ракета-носитель пересекла определенную параллель и ушла дальше, двигаясь все время в плоскости, неподвижной относительно звезд. Движущийся за ней спутник подошел к той же параллели спустя один час. Но за это время Земля повернулась на запад вокруг своей оси на 360° : 24 (часа) = 15°. Следовательно, спутник пересек упомянутую параллель на 15 градусов западнее точки пересечения параллели ракетой-носителем. Иными словами, ракета-носитель проходила на 15° восточнее спутника по долготе, несмотря на то, что оба искусственных небесных тела обращались в одной и той же плоскости.
По сравнению с первым искусственным спутником второй спутник движется по более высокой орбите, максимальное удаление которой от поверхности Земли составляет около 1700 километров, то есть на 800 километров выше апогея первой орбиты. Время одного полного оборота спутника составляет 1 час 43,7 минуты. Это на 7,5 минуты больше, чем период обращения первого спутника в момент начала его движения. Угол наклона орбиты к плоскости экватора примерно тот же, что и у первого спутника (65°).
Основываясь на законах небесной механики, легко вычислить, что перигей второго спутника проходит примерно на той же высоте, что и перигей первого спутника в начале его существования. Поскольку большая ось орбиты спутника составляет примерно 14 700 километров, а период обращения равен 6222 секундам, то получается, что средняя орбитальная скорость спутника равна 7,41 километра в секунду.
Второй спутник вероятно продержится в мировом пространстве дольше первого, и его период обращения будет лишь незначительно уменьшаться. Ведь он поднимается на такие высоты, где практически уже не ощущается сопротивление воздуха. Если бы вся орбита спутника пролегала на высоте 1700 километров, то продолжительность его жизни исчислялась бы годами. Сколько-нибудь ощутимое сопротивление воздуха, хотя и очень незначительное, спутник испытывает лишь на участке пути, пролегающем вблизи перигея. Под влиянием этого фактора со временем скорость спутника все же постепенно будет убывать.
3. Межпланетные полеты
Межпланетные полеты в Советском Союзе открыли межпланетные автоматические станции серии "Луна", "Марс", "Венера". Межпланетные станции типа "Луна" решили ряд сложных научных задач. Ими сфотографирована обратная поверхность Луны, взяты пробы лунного грунта, получена информация о физико-химической характеристике планеты. В американских экспериментах были использованы космические корабли серии "Рейнджер", "Сер-вейор", "Орбитер", "Аполлон". Очевидно, что необходимо было получить достоверные предварительные данные о природе Марса, чтобы знать с чем столкнутся космонавты на этой планете. Чисто астрономическими методами выяснить это было чрезвычайно сложно. Значит, надо было выяснить это слетав туда, но как? Уже появились надёжные автоматические космические аппараты, но летали они возле Земли. Возможно ли вообще послать аппарат к Марсу и управляя им на расстоянии в сотни миллионов километров точно "вырулить" к Марсу? Это был совершенно новый вопрос, когда вставала на повестку дня астронавигация. Необходимо было очень четко представлять в пространстве и времени, где находится космический аппарат на невообразимых для человека расстояниях. Кроме того, надо было знать много чего, например, не убьют ли человека условия космического полета? Получалось так, что существует две возможности - пилотируемая экспедиция и полёты автоматических межпланетных станций. Возникала интересная задача: где кончается то, что можно изучить с помощью автоматических станций и начинается то, что можно сделать только человеку?
Уже из самых приблизительных подсчётов следовало, что сама по себе экспедиция - дело исключительно дорогостоящее. Ведь аппарат с людьми не только надо запустить в сторону Марса, но и обеспечить его возвращение, обеспечить минимум комфорта и безопасности для людей и еще многое другое.
С автоматом всё обстояло проще. Его не нужно возвращать обратно - он делается под конкретную задачу. Следовательно, АМС (автоматическая межпланетная станция) проще, легче и дешевле в тысячи раз. Так или иначе следовало то, что начало непосредственному изучению тел Солнечной системы положат Автоматические Межпланетные Станции.