يحقق رواد الفضاء بانتظام نجاحًا مذهلاً. تجد الأقمار الصناعية للأرض باستمرار المزيد والمزيد من التطبيقات المتنوعة. أصبح كونك رائد فضاء في مدار قريب من الأرض أمرًا شائعًا. كان من الممكن أن يكون هذا مستحيلًا بدون الصيغة الرئيسية للملاحة الفضائية - معادلة تسيولكوفسكي.
في عصرنا ، تستمر دراسة كل من الكواكب والأجسام الأخرى في نظامنا الشمسي (الزهرة والمريخ والمشتري وأورانوس والأرض وما إلى ذلك) والأجسام البعيدة (الكويكبات والأنظمة والمجرات الأخرى). وضعت الاستنتاجات حول خصائص الحركة الكونية لأجسام تسيولكوفسكي الأساس للأسس النظرية للملاحة الفضائية ، مما أدى إلى اختراع عشرات النماذج من المحركات النفاثة الكهربائية وآليات مثيرة للغاية ، على سبيل المثال ، الشراع الشمسي.
المشاكل الرئيسية لاستكشاف الفضاء
تم تحديد ثلاثة مجالات للبحث والتطوير في العلوم والتكنولوجيا بوضوح على أنها مشاكل استكشاف الفضاء:
- التحليق حول الأرض أو إنشاء أقمار صناعية.
- رحلات القمر
- رحلات الكواكب والرحلات الجوية إلى كائنات النظام الشمسي.
ساهمت معادلةTsiolkovsky للدفع النفاث في حقيقة أن البشرية حققت نتائج مذهلة في كل مجال من هذه المجالات. وأيضًا ، ظهرت العديد من العلوم التطبيقية الجديدة: طب الفضاء وعلم الأحياء ، وأنظمة دعم الحياة على المركبات الفضائية ، والاتصالات الفضائية ، وما إلى ذلك.
إنجازات في الملاحة الفضائية
سمع معظم الناس اليوم عن الإنجازات الكبرى: أول هبوط على سطح القمر (الولايات المتحدة الأمريكية) ، وأول قمر صناعي (اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية) وما شابه. بالإضافة إلى أشهر الإنجازات التي يسمع عنها الجميع ، هناك العديد من الإنجازات الأخرى. على وجه الخصوص ، ينتمي الاتحاد السوفياتي إلى:
- المحطة المدارية الأولى ؛
- أول تحليق للقمر وصور الجانب البعيد ؛
- أول هبوط على سطح القمر لمحطة آلية ؛
- الرحلات الأولى للمركبات إلى كواكب أخرى ؛
- أول هبوط على كوكب الزهرة والمريخ ، إلخ.
كثير من الناس لا يدركون حتى مدى عظمة إنجازات اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية في مجال الملاحة الفضائية. إذا كان هناك أي شيء ، فقد كانوا أكثر بكثير من مجرد أول قمر صناعي.
لكن الولايات المتحدة قدمت مساهمة لا تقل عن تطوير الملاحة الفضائية. عقد في الولايات المتحدة:
- جميع التطورات الرئيسية في استخدام مدار الأرض (الأقمار الصناعية واتصالات الأقمار الصناعية) للأغراض والتطبيقات العلمية.
- العديد من البعثات إلى القمر ، واستكشاف المريخ والمشتري والزهرة وعطارد من مسافات الطيران.
- مجموعةإجراء تجارب علمية وطبية في حالة انعدام الجاذبية
وعلى الرغم من أن إنجازات الدول الأخرى في الوقت الحالي باهتة مقارنة بالاتحاد السوفيتي والولايات المتحدة الأمريكية ، إلا أن الصين والهند واليابان انضمت بنشاط إلى استكشاف الفضاء في فترة ما بعد عام 2000.
ومع ذلك ، فإن إنجازات رواد الفضاء لا تقتصر على الطبقات العليا من الكوكب والنظريات العلمية العالية. كان لها أيضًا تأثير كبير على الحياة البسيطة. نتيجة لاستكشاف الفضاء ، ظهرت مثل هذه الأشياء في حياتنا: البرق ، الفيلكرو ، التفلون ، اتصالات الأقمار الصناعية ، المتلاعبات الميكانيكية ، الأدوات اللاسلكية ، الألواح الشمسية ، القلب الاصطناعي ، وأكثر من ذلك بكثير. وكانت معادلة سرعة تسيولكوفسكي ، التي ساعدت في التغلب على الجاذبية وساهمت في ظهور ممارسة الفضاء في العلوم ، هي التي ساعدت في تحقيق كل هذا.
مصطلح "الديناميكا الكونية"
شكلت معادلة Tsiolkovsky أساس الديناميكا الكونية. ومع ذلك ، ينبغي فهم هذا المصطلح بمزيد من التفصيل. خاصة فيما يتعلق بالمفاهيم القريبة منها في المعنى: الملاحة الفضائية ، والميكانيكا السماوية ، وعلم الفلك ، وما إلى ذلك. تتم ترجمة الملاحة الفضائية من اليونانية إلى "السباحة في الكون". في الحالة المعتادة ، يشير هذا المصطلح إلى كتلة كل القدرات التقنية والإنجازات العلمية التي تسمح بدراسة الأجرام الفضائية والأجرام السماوية.
الرحلات الفضائية هي ما حلمت به البشرية لقرون. وتحولت هذه الأحلام إلى حقيقة ، من النظرية إلى العلم ، وكل ذلك بفضل صيغة Tsiolkovsky لسرعة الصاروخ. من خلال أعمال هذا العالم العظيم ، نعلم أن نظرية الملاحة الفضائية تقوم على ثلاثةالركائز:
- نظرية تصف حركة المركبة الفضائية
- محركات الصواريخ الكهربائية وإنتاجها.
- المعرفة الفلكية واستكشاف الكون.
كما لوحظ سابقًا ، ظهرت العديد من التخصصات العلمية والتقنية الأخرى في عصر الفضاء ، مثل: أنظمة التحكم في المركبات الفضائية ، وأنظمة الاتصال ونقل البيانات في الفضاء ، والملاحة الفضائية ، وطب الفضاء وغير ذلك الكثير. من الجدير بالذكر أنه في وقت ولادة أسس الملاحة الفضائية ، لم يكن هناك حتى راديو على هذا النحو. كانت دراسة الموجات الكهرومغناطيسية ونقل المعلومات عبر مسافات طويلة بمساعدتهم قد بدأت للتو. لذلك ، اعتبر مؤسسو النظرية بجدية الإشارات الضوئية - انعكاس أشعة الشمس نحو الأرض - كوسيلة لنقل البيانات. اليوم من المستحيل تخيل رواد الفضاء بدون كل العلوم التطبيقية ذات الصلة. في تلك الأوقات البعيدة ، كان خيال عدد من العلماء مذهلاً حقًا. بالإضافة إلى طرق الاتصال ، فقد تطرقوا أيضًا إلى موضوعات مثل صيغة Tsiolkovsky لصاروخ متعدد المراحل.
هل من الممكن تمييز أي تخصص باعتباره العنصر الرئيسي بين كل الأنواع؟ إنها نظرية حركة الأجسام الكونية. هي التي تعمل كحلقة وصل رئيسية ، والتي بدونها يستحيل رواد الفضاء. هذا المجال من العلم يسمى الديناميكا الكونية. على الرغم من أنه يحتوي على العديد من الأسماء المتطابقة: المقذوفات السماوية أو الفضائية ، وميكانيكا رحلات الفضاء ، والميكانيكا السماوية التطبيقية ، وعلم حركة الأجرام السماوية الاصطناعية وإلخ. يشيرون جميعًا إلى نفس مجال الدراسة. رسميًا ، تدخل الديناميكا الكونية في الميكانيكا السماوية وتستخدم أساليبها ، لكن هناك فرقًا مهمًا للغاية. تدرس الميكانيكا السماوية المدارات فقط ؛ ليس لديها خيار ، لكن الديناميكا الكونية مصممة لتحديد المسارات المثلى للوصول إلى بعض الأجرام السماوية بواسطة المركبات الفضائية. وتسمح معادلة Tsiolkovsky للدفع النفاث للسفن بتحديد كيفية تأثيرها على مسار الرحلة.
الديناميكا الكونية كعلم
منذ أن استنتج K. E. Tsiolkovsky الصيغة ، فإن علم حركة الأجرام السماوية قد اتخذ شكلًا قويًا كديناميكا كونية. يسمح للمركبة الفضائية باستخدام طرق لإيجاد الانتقال الأمثل بين المدارات المختلفة ، وهو ما يسمى بالمناورة المدارية ، وهو أساس نظرية الحركة في الفضاء ، تمامًا كما أن الديناميكا الهوائية هي أساس رحلة الغلاف الجوي. ومع ذلك ، فهو ليس العلم الوحيد الذي يتعامل مع هذه القضية. بالإضافة إلى ذلك ، هناك ديناميكيات الصواريخ. يشكل كلا العلمين أساسًا متينًا لتكنولوجيا الفضاء الحديثة ، وكلاهما مدرج في قسم الميكانيكا السماوية.
تتكون الديناميكا الكونية من قسمين رئيسيين:
- نظرية حركة مركز القصور الذاتي (الكتلة) لجسم ما في الفضاء ، أو نظرية المسارات.
- نظرية حركة الجسم الكوني بالنسبة لمركز القصور الذاتي ، أو نظرية الدوران.
لمعرفة ما هي معادلة Tsiolkovsky ، يجب أن يكون لديك فهم جيد للميكانيكا ، أي قوانين نيوتن.
قانون نيوتن الأول
أي جسم يتحرك بشكل موحد ومستقيم أو يكون في حالة راحة حتى تجبره القوى الخارجية على تغيير هذه الحالة. بمعنى آخر ، يظل متجه السرعة لهذه الحركة ثابتًا. يسمى هذا السلوك للأجسام أيضًا بالحركة بالقصور الذاتي.
أي حالة أخرى يحدث فيها أي تغيير في متجه السرعة تعني أن الجسم لديه تسارع. مثال مثير للاهتمام في هذه الحالة هو حركة نقطة مادية في دائرة أو أي قمر صناعي في مدار. في هذه الحالة ، توجد حركة منتظمة ، ولكن ليست مستقيمة ، لأن متجه السرعة يغير اتجاهه باستمرار ، مما يعني أن التسارع لا يساوي صفرًا. يمكن حساب هذا التغيير في السرعة باستخدام الصيغة v2/ r ، حيث v هي السرعة الثابتة و r هي نصف قطر المدار. العجلة في هذا المثال ستوجه إلى مركز الدائرة في أي نقطة من مسار الجسم.
بناءً على تعريف القانون ، يمكن للقوة فقط أن تسبب تغييرًا في اتجاه نقطة مادية. دوره (بالنسبة لحالة القمر الصناعي) هو جاذبية الكوكب. إن جاذبية الكواكب والنجوم ، كما يمكنك أن تتخيل بسهولة ، لها أهمية كبيرة في الديناميكا الكونية بشكل عام وعند استخدام معادلة Tsiolkovsky بشكل خاص.
قانون نيوتن الثاني
التسارع يتناسب طرديا مع القوة ويتناسب عكسيا مع كتلة الجسم. أو في شكل رياضي: أ=F / م ، أو بشكل أكثر شيوعًا - F=ما ، حيث م هو عامل التناسب ، الذي يمثل المقياسلقصور الجسم
نظرًا لأن أي صاروخ يتم تمثيله على أنه حركة جسم ذي كتلة متغيرة ، فإن معادلة Tsiolkovsky ستغير كل وحدة زمنية. في المثال أعلاه لقمر صناعي يتحرك حول الكوكب ، بمعرفة كتلته m ، يمكنك بسهولة معرفة القوة التي يدور تحتها في مداره ، وهي: F=mv2/ r. من الواضح أن هذه القوة ستوجه نحو مركز الكوكب.
السؤال الذي يطرح نفسه: لماذا لا يسقط القمر الصناعي على الكوكب؟ إنه لا يسقط ، لأن مساره لا يتقاطع مع سطح الكوكب ، لأن الطبيعة لا تجبره على التحرك على طول تأثير القوة ، لأن متجه التسارع فقط هو الموجه إليه ، وليس السرعة.
وتجدر الإشارة أيضًا إلى أنه في الظروف التي تُعرف فيها القوة المؤثرة على الجسم وكتلته ، من الممكن معرفة تسارع الجسم. ووفقًا لذلك ، تحدد الطرق الرياضية المسار الذي يتحرك فيه هذا الجسم. هنا نأتي إلى مشكلتين رئيسيتين تتعامل معها الديناميكا الكونية:
- الكشف عن القوى التي يمكن استخدامها للتلاعب بحركة سفينة الفضاء.
- تحديد حركة هذه السفينة اذا كانت القوى المؤثرة عليها معروفة
المشكلة الثانية هي سؤال كلاسيكي للميكانيكا السماوية ، بينما توضح الأولى الدور الاستثنائي للديناميكا الكونية. لذلك ، في هذا المجال من الفيزياء ، بالإضافة إلى صيغة Tsiolkovsky للدفع النفاث ، من المهم للغاية فهم ميكانيكا نيوتن.
قانون نيوتن الثالث
سبب تأثير القوة على الجسم هو دائمًا جسم آخر. لكن صحيحأيضا العكس. هذا هو جوهر قانون نيوتن الثالث ، الذي ينص على أنه لكل فعل فعل مساوٍ في الحجم ، ولكن عكسه في الاتجاه ، يسمى رد الفعل. بمعنى آخر ، إذا كان الجسم "أ" يعمل بالقوة "و" على الجسم "ب" ، فإن الجسم "ب" يعمل على الجسم "أ" بالقوة -F.
في المثال مع قمر صناعي وكوكب ، يقودنا قانون نيوتن الثالث إلى فهم أنه مع القوة التي يجذب بها الكوكب القمر الصناعي ، فإن نفس القمر الصناعي يجذب الكوكب. هذه القوة الجاذبة هي المسؤولة عن نقل التسارع إلى القمر الصناعي. لكنه يعطي أيضًا تسارعًا للكوكب ، لكن كتلته كبيرة جدًا لدرجة أن هذا التغيير في السرعة لا يكاد يذكر.
تعتمد صيغة Tsiolkovsky للدفع النفاث بالكامل على فهم قانون نيوتن الأخير. بعد كل شيء ، بسبب كتلة الغازات المنبعثة تحديدًا ، يكتسب الجسم الرئيسي للصاروخ تسارعًا ، مما يسمح له بالتحرك في الاتجاه الصحيح.
قليلا عن النظم المرجعية
عند التفكير في أي ظواهر فيزيائية ، من الصعب عدم التطرق إلى مثل هذا الموضوع كإطار مرجعي. يمكن تثبيت حركة المركبة الفضائية ، مثل أي جسم آخر في الفضاء ، في إحداثيات مختلفة. لا توجد أنظمة مرجعية خاطئة ، فهناك فقط أكثر ملاءمة وأقل. على سبيل المثال ، أفضل وصف لحركة الأجسام في النظام الشمسي هو إطار مرجعي مركزية الشمس ، أي في الإحداثيات المرتبطة بالشمس ، والتي تسمى أيضًا الإطار الكوبرنيكي. ومع ذلك ، فإن حركة القمر في هذا النظام أقل ملاءمة للنظر فيها ، لذلك تمت دراستها في إحداثيات مركزية الأرض - العدد متعلق بـالأرض ، وهذا يسمى النظام البطلمي. ولكن إذا كان السؤال هو ما إذا كان كويكب يطير في مكان قريب سيصطدم بالقمر ، فسيكون أكثر ملاءمة لاستخدام إحداثيات مركزية الشمس مرة أخرى. من المهم أن تكون قادرًا على استخدام جميع أنظمة الإحداثيات وأن تكون قادرًا على النظر إلى المشكلة من وجهات نظر مختلفة.
حركة الصواريخ
الطريقة الرئيسية والوحيدة للسفر في الفضاء الخارجي هي الصاروخ. ولأول مرة ، تم التعبير عن هذا المبدأ ، وفقًا لموقع Habr الإلكتروني ، بواسطة صيغة Tsiolkovsky في عام 1903. منذ ذلك الحين ، ابتكر مهندسو الفضاء عشرات الأنواع من محركات الصواريخ باستخدام مجموعة متنوعة من أنواع الطاقة ، لكنهم متحدون جميعًا بمبدأ تشغيل واحد: إخراج جزء من الكتلة من احتياطيات السائل العامل للحصول على التسارع. القوة الناتجة عن هذه العملية تسمى قوة الجر. فيما يلي بعض الاستنتاجات التي ستسمح لنا بالوصول إلى معادلة Tsiolkovsky واشتقاق شكلها الرئيسي.
من الواضح أن قوة الجر ستزداد اعتمادًا على حجم الكتلة المقذوفة من الصاروخ لكل وحدة زمنية والسرعة التي تستطيع هذه الكتلة الإبلاغ عنها. وبالتالي ، يتم الحصول على العلاقة F=wq ، حيث F هي قوة الجر ، w هي سرعة الكتلة التي تم إلقاؤها (م / ث) و q هي الكتلة المستهلكة لكل وحدة زمنية (كجم / ث). تجدر الإشارة بشكل منفصل إلى أهمية النظام المرجعي المرتبط بشكل خاص بالصاروخ نفسه. خلاف ذلك ، من المستحيل تحديد قوة الدفع لمحرك الصاروخ إذا تم قياس كل شيء بالنسبة للأرض أو الأجسام الأخرى.
أظهرت الأبحاث والتجارب أن النسبة F=wq تظل صالحة فقط للحالات التي تكون فيها الكتلة المقذوفة سائلة أو صلبة. لكن الصواريخ تستخدم نفاثة من الغاز الساخن. لذلك ، يجب إدخال عدد من التصحيحات في النسبة ، ثم نحصل على مصطلح إضافي للنسبة S(pr- pa) ، والتي تمت إضافتها إلى wq الأصلي. هنا prهو الضغط الذي يمارسه الغاز عند مخرج الفوهة ؛ paهو الضغط الجوي و S هي منطقة الفوهة. وبالتالي ، فإن الصيغة المكررة ستبدو كما يلي:
F=wq + Spr- Spأ.
حيث يمكنك أن ترى أنه مع صعود الصاروخ ، سيقل الضغط الجوي ، وستزداد قوة الدفع. ومع ذلك ، يحب الفيزيائيون الصيغ الملائمة. لذلك ، غالبًا ما يتم استخدام صيغة مشابهة لشكلها الأصلي F=we q ، حيث weهي سرعة التدفق الشامل الفعالة. يتم تحديده تجريبياً أثناء اختبار نظام الدفع وهو مساوٍ عدديًا للتعبير w + (Spr- Spa) / q.
لنفكر في مفهوم مطابق لـ we- دافع دفع محدد. وسائل محددة تتعلق بشيء ما. في هذه الحالة ، يتعلق الأمر بجاذبية الأرض. للقيام بذلك ، في الصيغة أعلاه ، يتم ضرب الجانب الأيمن وقسمته على g (9.81 m / s2):
F=we q=(we/ g)qg أو F=I ud qg
يتم قياس هذه القيمة Ispفي Ns / kg أو أيا كاننفس م / ث. بمعنى آخر ، يتم قياس الدافع الدافع المحدد بوحدات السرعة.
صيغة تسيولكوفسكي
كما يمكنك أن تخمن بسهولة ، بالإضافة إلى قوة دفع المحرك ، هناك العديد من القوى الأخرى التي تؤثر على الصاروخ: جاذبية الأرض ، وجاذبية الأجسام الأخرى في النظام الشمسي ، ومقاومة الغلاف الجوي ، والضغط الخفيف ، كل من هذه القوى تعطي التسارع الخاص بها للصاروخ ، ويؤثر المجموع الناتج عن الحركة على التسارع النهائي. لذلك ، من المناسب تقديم مفهوم التسارع النفاث أوr=Ft/ M ، حيث M هي كتلة الصاروخ في فترة من الزمن. التسارع النفاث هو التسارع الذي يتحرك به الصاروخ في حالة عدم وجود قوى خارجية تعمل عليه. من الواضح ، مع إنفاق الكتلة ، سيزداد التسارع. لذلك ، هناك خاصية أخرى مريحة - التسارع الأولي للطائرة ar0=Ft M0، حيث M0هي كتلة الصاروخ في بداية الحركة.
سيكون من المنطقي التساؤل عن السرعة التي يستطيع الصاروخ تطويرها في مثل هذه المساحة الفارغة بعد أن استهلك قدرًا من كتلة الجسم العامل. دع كتلة الصاروخ تتغير من م0إلى م1. ثم سرعة الصاروخ بعد الاستهلاك المنتظم للكتلة حتى القيمة m1kg سيتم تحديدها بواسطة الصيغة:
V=wln (م0/ م1)
هذه ليست سوى صيغة لحركة الأجسام ذات الكتلة المتغيرة أو معادلة Tsiolkovsky. يميز مصدر الطاقة للصاروخ. والسرعة التي تحصل عليها هذه الصيغة تسمى المثالية. يمكن أن تكون مكتوبةهذه الصيغة في نسخة أخرى مماثلة:
V=أناud ln (م0/ م1)
تجدر الإشارة إلى استخدام صيغة Tsiolkovsky لحساب الوقود. بتعبير أدق ، كتلة مركبة الإطلاق ، والتي ستكون مطلوبة لإحداث وزن معين في مدار الأرض.
في النهاية يجب أن يقال عن عالم عظيم مثل ميششيرسكي. جنبا إلى جنب مع Tsiolkovsky هم أسلاف الملاحة الفضائية. قدم ميشيرسكي مساهمة كبيرة في إنشاء نظرية حركة الأجسام ذات الكتلة المتغيرة. على وجه الخصوص ، فإن صيغة Meshchersky و Tsiolkovsky هي كما يلي:
م(dv / dt) + u(dm / dt)=0 ،
حيث v هي سرعة النقطة المادية ، و u هي سرعة الكتلة الملقاة بالنسبة للصاروخ. تسمى هذه العلاقة أيضًا معادلة ميششيرسكي التفاضلية ، ثم يتم الحصول على صيغة تسيولكوفسكي منها كحل معين لنقطة مادية.
