Cosmonautics thường xuyên đạt được những thành công đáng kinh ngạc. Các vệ tinh nhân tạo của Trái đất không ngừng tìm ra những ứng dụng ngày càng đa dạng hơn. Trở thành một phi hành gia trong quỹ đạo gần Trái đất đã trở nên phổ biến. Điều này sẽ không thể thực hiện được nếu không có công thức chính của du hành vũ trụ - phương trình Tsiolkovsky.
Trong thời đại của chúng ta, việc nghiên cứu cả hành tinh và các thiên thể khác trong hệ mặt trời của chúng ta (Sao Kim, Sao Hỏa, Sao Mộc, Sao Thiên Vương, Trái Đất, v.v.) và các vật thể ở xa (tiểu hành tinh, các hệ thống khác và thiên hà) vẫn tiếp tục. Kết luận về đặc điểm chuyển động vũ trụ của các thiên thể của Tsiolkovsky đã đặt nền móng cho cơ sở lý thuyết của du hành vũ trụ, dẫn đến việc phát minh ra hàng chục mô hình động cơ phản lực điện và các cơ chế cực kỳ thú vị, ví dụ như một cánh buồm mặt trời.
Các vấn đề chính của khám phá không gian
Ba lĩnh vực nghiên cứu và phát triển trong khoa học và công nghệ được xác định rõ ràng là các vấn đề khám phá không gian:
- Bay quanh Trái đất hoặc xây dựng các vệ tinh nhân tạo.
- Chuyến bay trên mặt trăng.
- Các chuyến bay hành tinh và các chuyến bay đến các vật thể của hệ mặt trời.
Phương trình phản lực củaTsiolkovsky đã góp phần vào việc nhân loại đã đạt được những kết quả đáng kinh ngạc trong từng lĩnh vực này. Ngoài ra, nhiều ngành khoa học ứng dụng mới đã xuất hiện: y học vũ trụ và sinh học, hệ thống hỗ trợ sự sống trên tàu vũ trụ, thông tin liên lạc không gian, v.v.
Thành tựu trong du hành vũ trụ
Hầu hết mọi người ngày nay đều đã nghe nói về những thành tựu quan trọng: lần đầu tiên hạ cánh lên mặt trăng (Hoa Kỳ), vệ tinh đầu tiên (Liên Xô) và những thứ tương tự. Ngoài những thành tựu nổi tiếng nhất mà mọi người nghe về, còn có rất nhiều người khác. Đặc biệt, Liên Xô thuộc về:
- trạm quỹ đạo đầu tiên;
- chuyến bay đầu tiên của mặt trăng và những bức ảnh về phía xa;
- lần đầu tiên đáp xuống mặt trăng của một trạm tự động;
- chuyến bay đầu tiên của phương tiện đến các hành tinh khác;
- lần đầu tiên hạ cánh trên Sao Kim và Sao Hỏa, v.v.
Nhiều người thậm chí còn không nhận ra những thành tựu của Liên Xô trong lĩnh vực du hành vũ trụ vĩ đại như thế nào. Nếu có, chúng không chỉ là vệ tinh đầu tiên.
Nhưng Hoa Kỳ đã đóng góp không nhỏ vào sự phát triển của du hành vũ trụ. Tại Mỹ tổ chức:
- Tất cả những tiến bộ lớn trong việc sử dụng quỹ đạo Trái đất (vệ tinh và truyền thông vệ tinh) cho các mục đích khoa học và ứng dụng.
- Nhiều sứ mệnh lên Mặt Trăng, khám phá Sao Hỏa, Sao Mộc, Sao Kim và Sao Thủy từ khoảng cách bay xa.
- Bộcác thí nghiệm khoa học và y tế được thực hiện trong môi trường không trọng lực.
Và mặc dù hiện tại thành tích của các nước khác kém hơn so với Liên Xô và Hoa Kỳ, nhưng Trung Quốc, Ấn Độ và Nhật Bản đã tích cực tham gia khám phá không gian trong giai đoạn sau năm 2000.
Tuy nhiên, những thành tựu của du hành vũ trụ không chỉ giới hạn ở các tầng trên của hành tinh và các lý thuyết khoa học cao. Cô cũng có ảnh hưởng lớn đến cuộc sống giản dị. Kết quả của việc khám phá không gian, những thứ như vậy đã đi vào cuộc sống của chúng ta: sét, Velcro, Teflon, truyền thông vệ tinh, bộ điều khiển cơ học, công cụ không dây, tấm pin mặt trời, trái tim nhân tạo, v.v. Và chính công thức vận tốc của Tsiolkovsky, đã giúp vượt qua lực hấp dẫn và góp phần vào sự xuất hiện của thực hành vũ trụ trong khoa học, đã giúp đạt được tất cả những điều này.
Thuật ngữ "vũ trụ động lực học"
Phương trìnhTsiolkovsky hình thành cơ sở của vũ trụ động lực học. Tuy nhiên, thuật ngữ này nên được hiểu chi tiết hơn. Đặc biệt là trong vấn đề các khái niệm gần nghĩa với nó: du hành vũ trụ, cơ học thiên thể, thiên văn học, v.v … Cosmonautics được dịch từ tiếng Hy Lạp là "bơi trong vũ trụ." Trong trường hợp thông thường, thuật ngữ này đề cập đến khối lượng của tất cả các khả năng kỹ thuật và thành tựu khoa học cho phép nghiên cứu không gian và các thiên thể.
Những chuyến bay vào vũ trụ là điều mà nhân loại đã mơ ước trong nhiều thế kỷ. Và những giấc mơ này đã biến thành hiện thực, từ lý thuyết đến khoa học, và tất cả là nhờ công thức Tsiolkovsky cho tốc độ tên lửa. Từ các công trình của nhà khoa học vĩ đại này, chúng ta biết rằng lý thuyết về du hành vũ trụ đứng trên batrụ cột:
- Lý thuyết mô tả chuyển động của tàu vũ trụ.
- Động cơ tên lửa điện và quá trình sản xuất chúng.
- Kiến thức thiên văn và khám phá Vũ trụ.
Như đã nói trước đây, nhiều ngành khoa học và kỹ thuật khác đã xuất hiện trong kỷ nguyên không gian, chẳng hạn như: hệ thống điều khiển tàu vũ trụ, hệ thống liên lạc và truyền dữ liệu trong không gian, điều hướng không gian, y học vũ trụ và nhiều hơn nữa. Điều đáng chú ý là vào thời điểm khai sinh ra nền tảng của các nhà du hành vũ trụ, thậm chí còn chưa có một đài phát thanh nào như vậy. Việc nghiên cứu về sóng điện từ và việc truyền thông tin trên một khoảng cách xa với sự giúp đỡ của chúng chỉ mới bắt đầu. Do đó, những người sáng lập ra lý thuyết đã nghiêm túc coi các tín hiệu ánh sáng - tia sáng mặt trời phản xạ về phía Trái đất - như một cách truyền dữ liệu. Ngày nay không thể hình dung vũ trụ học nếu không có tất cả các ngành khoa học ứng dụng liên quan. Trong những thời kỳ xa xôi đó, trí tưởng tượng của một số nhà khoa học thực sự tuyệt vời. Ngoài các phương pháp giao tiếp, họ cũng đề cập đến các chủ đề như công thức Tsiolkovsky cho tên lửa nhiều tầng.
Liệu có thể chọn ra môn phái nào làm môn học chính trong số tất cả các bộ môn khác nhau không? Đó là lý thuyết về chuyển động của các thiên thể vũ trụ. Chính cô ấy là người đóng vai trò là mắt xích chính, không thể thiếu đi du hành vũ trụ. Lĩnh vực khoa học này được gọi là vũ trụ động lực học. Mặc dù nó có nhiều tên giống hệt nhau: thiên thể hoặc đạn đạo không gian, cơ học bay vào vũ trụ, cơ học thiên thể ứng dụng, khoa học về chuyển động của các thiên thể nhân tạo vàvv Tất cả đều đề cập đến cùng một lĩnh vực nghiên cứu. Về mặt hình thức, vũ trụ động lực học đi vào cơ học thiên thể và sử dụng các phương pháp của nó, nhưng có một sự khác biệt cực kỳ quan trọng. Cơ học thiên thể chỉ nghiên cứu quỹ đạo; nó không có sự lựa chọn, nhưng vũ trụ động lực học được thiết kế để xác định quỹ đạo tối ưu để tiếp cận các thiên thể nhất định bằng tàu vũ trụ. Và phương trình Tsiolkovsky cho động cơ phản lực cho phép tàu xác định chính xác cách chúng có thể ảnh hưởng đến đường bay.
Vũ trụ động lực học như một khoa học
Kể từ khi K. E. Tsiolkovsky suy ra công thức, khoa học về chuyển động của các thiên thể đã được định hình chắc chắn là vũ trụ động lực học. Nó cho phép tàu vũ trụ sử dụng các phương pháp để tìm ra sự chuyển đổi tối ưu giữa các quỹ đạo khác nhau, được gọi là chuyển động quỹ đạo, và là cơ sở của lý thuyết chuyển động trong không gian, cũng như khí động học là cơ sở của các chuyến bay trong khí quyển. Tuy nhiên, nó không phải là khoa học duy nhất giải quyết vấn đề này. Ngoài nó ra, còn có động lực tên lửa. Cả hai ngành khoa học này đều tạo thành nền tảng vững chắc cho công nghệ vũ trụ hiện đại và cả hai đều được đưa vào phần cơ học thiên thể.
Vũ trụ động học bao gồm hai phần chính:
- Lý thuyết về chuyển động của tâm quán tính (khối lượng) của một vật thể trong không gian, hoặc lý thuyết về quỹ đạo.
- Lý thuyết về chuyển động của một vật thể vũ trụ so với tâm quán tính của nó, hay lý thuyết quay.
Để tìm ra phương trình Tsiolkovsky, bạn cần hiểu rõ về cơ học, tức là các định luật Newton.
Định luật đầu tiên của Newton
Bất kỳ vật thể nào cũng chuyển động đều và thẳng hoặc ở trạng thái nghỉ cho đến khi các lực bên ngoài tác dụng vào nó buộc nó phải thay đổi trạng thái này. Nói cách khác, vectơ vận tốc của chuyển động đó không đổi. Hành vi này của các cơ thể còn được gọi là chuyển động quán tính.
Bất kỳ trường hợp nào khác trong đó bất kỳ sự thay đổi nào trong vectơ vận tốc xảy ra đều có nghĩa là vật thể có gia tốc. Một ví dụ thú vị trong trường hợp này là chuyển động của một điểm vật chất trong một vòng tròn hoặc bất kỳ vệ tinh nào trên quỹ đạo. Trong trường hợp này, có chuyển động thẳng đều, nhưng không phải là thẳng, vì vectơ vận tốc liên tục đổi hướng, có nghĩa là gia tốc không bằng không. Sự thay đổi vận tốc này có thể được tính bằng công thức v2/ r, trong đó v là vận tốc không đổi và r là bán kính của quỹ đạo. Gia tốc trong ví dụ này sẽ hướng đến tâm của vòng tròn tại bất kỳ điểm nào trên quỹ đạo của cơ thể.
Dựa trên định nghĩa của định luật, chỉ có lực mới có thể gây ra sự thay đổi hướng của một chất điểm. Trong vai trò của nó (đối với trường hợp với vệ tinh) là lực hấp dẫn của hành tinh. Sức hút của các hành tinh và các ngôi sao, như bạn có thể dễ dàng đoán được, có tầm quan trọng lớn trong vũ trụ động lực học nói chung và khi sử dụng phương trình Tsiolkovsky nói riêng.
Định luật thứ hai của Newton
Gia tốc tỷ lệ thuận với lực và tỷ lệ nghịch với khối lượng cơ thể. Hoặc ở dạng toán học: a=F / m, hoặc thông thường hơn - F=ma, trong đó m là hệ số tỷ lệ, đại diện cho số đocho quán tính của cơ thể.
Vì bất kỳ tên lửa nào được biểu diễn là chuyển động của một vật thể có khối lượng thay đổi, phương trình Tsiolkovsky sẽ thay đổi mọi đơn vị thời gian. Trong ví dụ trên về một vệ tinh chuyển động quanh hành tinh, khi biết khối lượng m của nó, bạn có thể dễ dàng tìm ra lực mà nó quay trên quỹ đạo, đó là: F=mv2/ r. Rõ ràng, lực này sẽ hướng về trung tâm của hành tinh.
Câu hỏi đặt ra: tại sao vệ tinh không rơi trên hành tinh? Nó không rơi, vì quỹ đạo của nó không giao với bề mặt của hành tinh, bởi vì thiên nhiên không buộc nó chuyển động dọc theo tác dụng của lực, bởi vì chỉ có vectơ gia tốc là đồng hướng với nó, chứ không phải vận tốc.
Cũng cần lưu ý rằng trong điều kiện đã biết lực tác dụng lên vật và khối lượng của nó thì có thể tìm ra gia tốc của vật. Và theo nó, các phương pháp toán học xác định con đường mà cơ thể này di chuyển. Ở đây chúng ta đến với hai vấn đề chính mà vũ trụ động lực học giải quyết:
- Tiết lộ các lực có thể được sử dụng để điều khiển chuyển động của tàu vũ trụ.
- Xác định chuyển động của con tàu này nếu biết lực tác dụng lên nó.
Vấn đề thứ hai là một câu hỏi kinh điển đối với cơ học thiên thể, trong khi câu hỏi đầu tiên cho thấy vai trò đặc biệt của vũ trụ động lực học. Do đó, trong lĩnh vực vật lý này, ngoài công thức Tsiolkovsky về lực đẩy phản lực, việc hiểu cơ học Newton là vô cùng quan trọng.
Định luật thứ ba của Newton
Nguyên nhân của một lực tác động lên một cơ thể luôn là một cơ thể khác. Nhưng sự thậtcũng ngược lại. Đây là bản chất của định luật thứ ba của Newton, trong đó nói rằng đối với mỗi hành động thì có một hành động có độ lớn bằng nhau, nhưng ngược hướng, được gọi là phản lực. Nói cách khác, nếu vật A tác dụng lực F lên vật B, thì vật B tác dụng lực -F.
Trong ví dụ với một vệ tinh và một hành tinh, định luật thứ ba của Newton dẫn chúng ta đến sự hiểu biết rằng hành tinh hút vệ tinh với lực nào thì cùng một vệ tinh sẽ hút hành tinh. Lực hấp dẫn này có nhiệm vụ truyền gia tốc cho vệ tinh. Nhưng nó cũng tạo ra gia tốc cho hành tinh, nhưng khối lượng của nó quá lớn nên sự thay đổi tốc độ này là không đáng kể đối với nó.
Công thức củaTsiolkovsky về lực đẩy phản lực hoàn toàn dựa trên sự hiểu biết về định luật cuối cùng của Newton. Rốt cuộc, chính là do khối lượng khí được phóng ra mà phần thân chính của tên lửa có được gia tốc, cho phép nó di chuyển theo đúng hướng.
Một chút về hệ quy chiếu
Khi xem xét bất kỳ hiện tượng vật lý nào, thật khó để không đề cập đến một chủ đề như một hệ quy chiếu. Chuyển động của tàu vũ trụ, giống như bất kỳ vật thể nào khác trong không gian, có thể được cố định ở các tọa độ khác nhau. Không có hệ quy chiếu sai, chỉ có nhiều hơn và ít hơn. Ví dụ, chuyển động của các thiên thể trong hệ mặt trời được mô tả tốt nhất trong hệ quy chiếu nhật tâm, nghĩa là, trong các tọa độ liên kết với Mặt trời, còn được gọi là hệ quy chiếu Copernic. Tuy nhiên, sự chuyển động của Mặt trăng trong hệ thống này ít thuận tiện hơn để xem xét, vì vậy nó được nghiên cứu trong hệ tọa độ địa tâm - số đếm tương đối vớiTrái đất, đây được gọi là hệ Ptolemaic. Nhưng nếu câu hỏi đặt ra là liệu một tiểu hành tinh bay gần đó có va phải Mặt trăng hay không, thì việc sử dụng lại tọa độ nhật tâm sẽ thuận tiện hơn. Điều quan trọng là có thể sử dụng tất cả các hệ tọa độ và có thể nhìn nhận vấn đề từ các quan điểm khác nhau.
Chuyển động tên lửa
Cách chính và duy nhất để du hành trong không gian vũ trụ là tên lửa. Lần đầu tiên nguyên tắc này được thể hiện, theo trang web của Habr, bằng công thức Tsiolkovsky vào năm 1903. Kể từ đó, các kỹ sư du hành vũ trụ đã phát minh ra hàng chục loại động cơ tên lửa sử dụng nhiều dạng năng lượng khác nhau, nhưng chúng đều thống nhất bởi một nguyên lý hoạt động: đẩy một phần khối lượng ra khỏi phần dự trữ của chất lỏng hoạt động để thu được gia tốc. Lực được tạo ra do kết quả của quá trình này được gọi là lực kéo. Dưới đây là một số kết luận cho phép chúng ta đi đến phương trình Tsiolkovsky và suy ra dạng chính tắc của nó.
Rõ ràng, lực kéo sẽ tăng lên tùy thuộc vào khối lượng phóng ra từ tên lửa trong một đơn vị thời gian và tốc độ mà khối lượng này quản lý để báo cáo. Do đó, quan hệ F=wq thu được, trong đó F là lực kéo, w là tốc độ của khối lượng ném (m / s) và q là khối lượng tiêu thụ trong một đơn vị thời gian (kg / s). Cần lưu ý riêng tầm quan trọng của hệ quy chiếu được liên kết cụ thể với chính tên lửa. Mặt khác, không thể mô tả lực đẩy của động cơ tên lửa nếu mọi thứ được đo liên quan đến Trái đất hoặc các vật thể khác.
Nghiên cứu và thí nghiệm đã chỉ ra rằng tỷ lệ F=wq chỉ có giá trị trong trường hợp khối lượng bị đẩy ra là chất lỏng hoặc chất rắn. Nhưng tên lửa sử dụng một tia khí nóng. Do đó, một số hiệu chỉnh phải được đưa vào tỷ lệ, và sau đó chúng ta nhận được một số hạng bổ sung của tỷ lệ S(pr- pa), được thêm vào wq gốc. Ở đây prlà áp suất do khí tạo ra ở cửa ra của vòi phun; palà áp suất khí quyển và S là diện tích vòi phun. Do đó, công thức tinh chỉnh sẽ giống như sau:
F=wq + Spr- Spa.
Bạn có thể thấy rằng khi tên lửa lên cao, áp suất khí quyển sẽ giảm xuống và lực đẩy sẽ tăng lên. Tuy nhiên, các nhà vật lý yêu thích các công thức tiện lợi. Do đó, một công thức tương tự như dạng ban đầu của nó thường được sử dụng F=we q, trong đó welà vận tốc dòng chảy hiệu dụng. Nó được xác định bằng thực nghiệm trong quá trình thử nghiệm hệ thống đẩy và bằng số bằng biểu thức w + (Spr- Spa) / q.
Hãy xem xét một khái niệm giống hệt với we- xung lực đẩy cụ thể. Cụ thể có nghĩa là liên quan đến một cái gì đó. Trong trường hợp này, đó là lực hấp dẫn của Trái đất. Để làm điều này, trong công thức trên, vế phải được nhân và chia cho g (9,81 m / s2):
F=we q=(we/ g)qg hoặc F=I ud qg
Giá trị này được đo Isptính bằng Ns / kg hoặc bất cứ thứ gìnhư nhau m / s. Nói cách khác, xung lực đẩy cụ thể được đo bằng đơn vị tốc độ.
Công thức của Tsiolkovsky
Như bạn có thể dễ dàng đoán ra, ngoài lực đẩy của động cơ, nhiều lực khác tác động lên tên lửa: lực hút của Trái đất, lực hút của các vật thể khác trong hệ mặt trời, lực cản của khí quyển, áp suất ánh sáng, vv Mỗi lực trong số này tạo ra gia tốc riêng của nó cho tên lửa, và tổng từ hành động ảnh hưởng đến gia tốc cuối cùng. Do đó, rất tiện lợi khi đưa ra khái niệm gia tốc phản lực hay mộtr=Ft/ M, trong đó M là khối lượng của tên lửa trong một khoảng thời gian. Gia tốc phản lực là gia tốc mà tên lửa sẽ chuyển động khi không có ngoại lực tác động lên nó. Rõ ràng, khi khối lượng được chi tiêu, gia tốc sẽ tăng lên. Do đó, có một đặc tính thuận tiện khác - gia tốc phản lực ban đầu ar0=Ft M0, trong đó M0là khối lượng của tên lửa lúc bắt đầu chuyển động.
Sẽ là hợp lý khi hỏi tốc độ mà tên lửa có thể phát triển trong một không gian trống như vậy sau khi nó đã sử dụng hết một lượng khối lượng của cơ thể hoạt động. Cho khối lượng của tên lửa thay đổi từ m0thành m1. Khi đó vận tốc của tên lửa sau khi tiêu hao đều khối lượng đến giá trị m1kg sẽ được xác định theo công thức:
V=wln (m0/ m1)
Đây không là gì ngoài công thức chuyển động của các vật thể có khối lượng thay đổi hoặc phương trình Tsiolkovsky. Nó đặc trưng cho nguồn năng lượng của tên lửa. Và tốc độ thu được theo công thức này được gọi là lý tưởng. Có thể được viếtcông thức này trong một phiên bản giống hệt khác:
V=Iud ln (m0/ m1)
Cần lưu ý việc sử dụng Công thức Tsiolkovsky để tính nhiên liệu. Chính xác hơn là khối lượng của phương tiện phóng, sẽ được yêu cầu để đưa một trọng lượng nhất định vào quỹ đạo Trái đất.
Cuối cùng thì cũng nên nói về một nhà khoa học vĩ đại như Meshchersky. Cùng với Tsiolkovsky, họ là tổ tiên của ngành du hành vũ trụ. Meshchersky đã đóng góp rất lớn trong việc tạo ra lý thuyết chuyển động của các vật thể có khối lượng thay đổi. Cụ thể, công thức của Meshchersky và Tsiolkovsky như sau:
m(dv / dt) + u(dm / dt)=0, trong đó v là tốc độ của chất điểm, u là tốc độ của khối lượng được ném so với tên lửa. Mối quan hệ này còn được gọi là phương trình vi phân Meshchersky, sau đó công thức Tsiolkovsky nhận được từ nó như một nghiệm cụ thể cho một điểm vật liệu.
