Доклад по астрономии на тему динамика космического полета

Обновлено: 08.05.2024

Участник: Матыенко Дарья Николаевна
Руководитель:Панова Людмила Валентиновна

Россия всегда была космической державой. Запуск первого искусственного спутника Земли (4 октября 1957 года), полет первого космонавта (12 апреля 1961 года, Ю.А.Гагарин), полет первой женщины- космонавта (16 июня 1963 года, В. Терешкова), первый выход человека в открытый космос (18 марта 1965 года, А. Леонов), запуск первых космических аппаратов для исследования космических объектов, первые орбитальные станции.

Космические полеты сопровождаются следующими физическими явлениями: реактивное движение, невесомость и явление тяготения.

Реактивное движение возникает за счет того, что от тела отделяется и движется какая- то его часть, в результате чего тело приобретает противоположно направленный импульс (из учебника).

Объяснить реактивное движение можно на основе закона сохранения импульса. Согласно закону сохранения импульса, суммарный импульс замкнутой системы тел до взаимодействия равен суммарному импульсу тел после взаимодействия. Самый простой пример реактивного движения – полёт воздушного шарика, из которого выходит воздух. Если мы надуем шарик и отпустим его, он начнёт лететь в сторону, противоположную движению выходящего из него воздуха.

На законе сохранения импульса основана реактивная тяга. При движении ракеты с реактивным двигателем в результате сгорания топлива из сопла выбрасывается, струя жидкости или газа (реактивная струя). В результате взаимодействия двигателя с вытекающим веществом появляется реактивная сила. Так как ракета вместе с выбрасываемым веществом является замкнутой системой, то импульс такой системы не меняется со временем.

Реактивная сила возникает в результате взаимодействия только частей системы. Внешние силы не оказывают никакого влияния на её появление.
До того, как ракета начала двигаться, сумма импульсов ракеты и горючего была равна нулю. Следовательно, по закону сохранения импульса после включения двигателей сумма этих импульсов тоже равна нулю.

История открытия реактивного движения:

В конце первого тысячелетия нашей эры в Китае изобрели реактивное движение, которое приводило в действие ракеты - бамбуковые трубки, начиненные порохом, они также использовались как забава. Один из первых проектов автомобилей был также с реактивным двигателем и принадлежал этот проект Ньютону
Автором первого в мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский революционер – народоволец Н.И. Кибальчич. Его казнили 3 апреля 1881 г. за участие в покушении на императора Александра II. Свой проект он разработал в тюрьме после вынесения смертного приговора. Кибальчич писал: “Находясь в заключении, за несколько дней до своей смерти я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживает меня в моем ужасном положении… Я спокойно встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мною”.
Идея использования ракет для космических полётов была предложена ещё в начале нашего столетия русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. В 1903 году появилась в печати статья преподавателя калужской гимназии К.Э. Циолковского “Исследование мировых пространств реактивными приборами”. В этой работе содержалось важнейшее для космонавтики математическое уравнение, теперь известное как “формула Циолковского”, которое описывало движение тела переменной массы. В дальнейшем он разработал схему ракетного двигателя на жидком топливе, предложил многоступенчатую конструкцию ракеты, высказал идею о возможности создания целых космических городов на околоземной орбите. Он показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, т.е. аппарат с реактивным двигателем, использующим горючее и окислитель, находящиеся на самом аппарате.

К. Циолковский создал проект поезда на воздушной подушке, в основе которого принцип реактивного движения. Сейчас много таких машин используется для движения над водой и над землей в условиях бездорожья: над болотами, переувлажненными полями, пашнями.

Данное явление сопровождает космонавтов в космосе.

Невесомость - это состояние, при котором вес тела Р=0. Весом называют силу, с которой тело действует на опору вследствие притяжения его к Земле. Следовательно, невесомость - это такое состояние, при котором тело не действует на опору.

Это явление объясняется тем, что тело движется только под действием силы тяжести- свободно падает. В момент движения падающее тело не действует на падающую вместе с ним опору.

В невесомости можно легко перемещать тяжёлые предметы и перемещаться самому, приложив лишь небольшое усилие. Правда, по этой же причине любые предметы нужно специально закреплять, чтобы они не летали по орбитальной станции, а на время сна космонавты забираются в специальные мешки, прикреплённые к стене.
Жидкости в невесомости принимают шарообразную форму. Воду не получится, как мы привыкли на Земле, хранить в открытой посуде, вылить из чайника и налить в чашку, даже вымыть руки не получится привычным для нас способом.
Пламя в условиях невесомости очень слабое и со временем затухает.
В невесомости можно получать уникальные материалы, которые трудно или вообще невозможно получить в земных условиях. Например, сверхчистые вещества, новые композиционные материалы, большие правильные кристаллы и даже лекарства.
Невесомость оказывает существенное влияние на человека и живые организмы.
На Земле во время прыжка человек находится в состоянии невесомости.

Взаимодействие между телами во Вселенной осуществляется особым полем, которое стали называть гравитационным. У этого поля есть некоторые особенности. Самая главная и самая интересная особенность – поле является всепроникающим.

История открытия закона всемирного тяготения:

Закон тяготения гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m1 и m2, разделёнными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Этот закон нашел свое применение для тел, которые имеют форму шара, его можно использовать для материальных точек, а также он приемлем для шара, имеющего большой радиус, где этот шар может взаимодействовать с телами, гораздо меньшими, чем его размеры.

В динамике космического полета можно отчетливо проследить плодотворные взаимодействия техники и ряда фундаментальных и прикладных наук. Особенно следует подчеркнуть широкое использование методов и результатов небесной механики для решения задач динамики в гравитационных полях Солнца и планет солнечной системы. [2]

Перед динамикой космического полета ставится в качестве основной задачи - проектирование орбит или программирование. [3]

Динамика ракет и динамика космического полета - быстро развивающиеся научные дисциплины. [4]

Требуемая траектория, удовлетворяющая заданным условиям динамики космического полета , может быть синтезирована в пространстве скоростей или ускорений, причем соответствующее число степеней свободы или связей сразу станет очевидным. Если динамика траектории переопределена и из-за чрезмерного количества заданных условий реализуемую траекторию нельзя спроектировать, то это обстоятельство сразу же выяснится в процессе графических построений при синтезе годографа. [5]

Настоящая книга посвящена одному из разделов динамики космических полетов - движению искусственного космического объекта относительно его центра масс. Основная цель книги - описание методов исследования и выявление основных эффектов такого движения. Рассматривается круг вопросов, ограниченный рамками динамики твердого тела. [6]

Движение под действием центральной силы и элементы динамики космического полета рассмотрены в гл. [7]

Отметим некоторые важные задачи, которые относятся к динамике космического полета . [8]

Геометрический метод решения задач теории центрального - движения - в частности, динамики космического полета . [9]

В связи с расширением программ космических полетов и созданием специализированных искусственных спутников Земли перед динамикой космического полета ставится в качестве основной задачи проектирование орбит или, точнее, программирование траекторий полета. [10]

В связи с этим в Сборник введены новые разделы, содержащие задачи по пространственной ориентации, динамике космического полета , нелинейным колебаниям, геометрии масс, аналитической механике. Одновременно существенно дополнены новыми задачами разделы кинематики точки, кинематики относительного движения и плоского движения твердого тела, динамики материальной точки и системы, динамики точки и системы переменной массы, устойчивости движения. Небольшое количество новых задач введено также почти во все другие разделы Сборника; некоторые задачи исключены из него. Сделаны также небольшие перестановки в размещении материала. Настоящее издание Сборника содержит 1744 задачи, тогда как в предыдущем было 1363 задачи. [11]

В связи с этим в Сборник введены новые разделы, содержащие задачи по пространственной ориентации, динамике космического полета , нелинейным колебаниям, геометрии масс, аналитической механике. Одновременно существенно дополнены новыми задачами разделы кинематики точки, кинематики относительного движения и плоского движения твердого тела; динамики материальной точки и системы, динамики точки и системы переменной массы, устойчивости движения. Небольшое количество новых задач введено также почти во все другие разделы Сборника; некоторые задачи исключены из него. Сделаны также небольшие перестановки в размещении материала. Настоящее издание Сборника содержит 1744 задачи, тогда как в предыдущем было 1363 задачи. [12]

Во-вторых, для более эффективного использования аппаратуры управления и наведения алгоритм ее работы может основываться на годографическом представлении динамики космического полета . [13]

В течение последних лет у нас и за рубежом было выполнено большое число интересных и глубоких исследований, посвященных динамике космического полета . [14]

Отметим здесь следующие: механика тел переменной массы; механика относительного движения; механика гироскопов; малые колебания и теория устойчивости; вариационные задачи механики и развитие теории оптимальных процессов; динамика космического полета ( космонавтика, астронавтика); механика специальной теории относительности. [15]

Данный материал позволяет систематизировать информацию по вопросам космических скоростей и возможностям космических полетов.

Космические полеты

и космические скорости

Петренко Надежда Федоровна –

учитель физики и астрономии

2019 – 2020 уч. г.

Первая космическая скорость – круговая скорость – Скорость, которую надо придать объекту без двигателя, пренебрегая сопротивлением атмосферы и вращением планеты, чтобы вывести его на круговую орбиту с радиусом, равным радиусу планеты.

Первая космическая скорость – это минимальная скорость, при которой тело, движущееся горизонтально

над поверхность планеты, не упадет на нее, а будет двигаться по круговой орбите.

Вторая космическая скорость – параболическая скорость ( тело движется по параболе ), скорость убегания – наименьшая скорость, которую необходимо придать объекту (космическому аппарату), масса которого пренебрежимо мала относительно массы небесного тела (планеты), для преодоления гравитационного притяжения этого небесного тела. Предполагается, что после приобретения телом этой скорости оно не получает негравитационного ускорения (двигатель выключен, атмосфера отсутствует)

Вторая космическая скорость –определяется радиусом и массой небесного тела, поэтому является характеристикой каждого небесного тела.

Земля – v = 11,2 км/с – тело покидает окрестности Земли и становится спутником Солнца

Солнце - v = 6 1 7 , 7 км/с

Третья космическая скорость – параболическая скорость ( тело движется по параболе ) – наименьшая скорость, которую необходимо придать объекту (космическому аппарату) без двигателя, для преодоления гравитационного притяжения Солнца и позволяющая уйти за пределы Солнечной системы в межзвездное пространство.

Взлетая с поверхности Земли и наилучшим образом используя орбитальное вращение планеты космический аппарат может достичь третьей космической скорости уже при 16,6 км/с относительно Земли, а при старте с Земли в самом неблагоприятном направлении его необходимо разогнать до 72,8 км/с .

Предполагается, что космический аппарат приобретает эту скорость сразу на поверхности Земли и после этого не получает негравитационного ускорения (двигатели выключены, атмосфера отсутствует).

При наиболее энергетически выгодном старте скорость объекта должна быть сонаправлена скорости орбитального движения Земли вокруг Солнца. Орбита такого аппарата в Солнечной системе представляет собой параболу (скорость убывает к нулю асимптотически)

Четвертая космическая скорость непостоянна во всех точках Галактики, а зависит от расстояния до центральной массы (для нашей Галактики Млечный путь – это объект Стрелец А*, сверхмассивная черная дыра).

Освоение космоса — одна из ярчайших страниц истории человечества.

После запуска первых искусственных спутников и первых пилотируемых полетов по околоземным орбитам, людей в самых отдаленных уголках планеты охватило чувство общности и гордости. Они восхищались могуществом человеческого разума и были потрясены величием Вселенной, которая словно вплотную приблизилась к Земле. Но лишь немногие в ту пору догадывались о том, какие великие перемены несет космонавтика сложившемуся веками укладу жизни, как глубоко она войдет в жизнь буквально каждой семьи.

Современный информационный мир немыслим без космических систем связи, исследовательских космических аппаратов, буквально каждый новый шаг в развитии современных технологий связан с открытиями, сделанными при исследовании Вселенной.

Космический корабль

Космический корабль — это пилотируемый аппарат, предназначенный для выполнения полетов людей в космическом пространстве. Он обеспечивает также доставку людей в космос и безопасное их возвращение на Землю (или на иные планеру, спутник, космическую станцию).

Одной из главных составляющих космического корабля является спускаемый аппарат. Он должен благополучно доставить космонавтов и оборудование с орбиты на Землю. Спускаемые аппараты могут быть пилотируемыми.

Первые полет в космос

Юрий Алексеевич Гагарин (1934—1968) — летчик-космонавт СССР, Герой Советского Союза, полковник, первый человек, совершивший полет в космическое пространство

Полет Юрия Гагарина продолжался 1 час 48 минут. После одного витка вокруг Земли спускаемый аппарат корабля совершил посадку в Саратовской области. На высоте нескольких километров Гагарин катапультировался и совершил мягкую посадку на парашюте недалеко от спускаемого аппарата.

Первому космонавту планеты было присвоено звание Героя Советского Союза, а день его полета стал национальным праздником — Днем космонавтики.

Фото Гагарина облетело весь мир, международный престиж СССР невероятно возрос. Да и сам по себе первый в истории полет человека в космос имел огромное научное и практическое значение.

До сегодняшнего дня в космосе побывали 431 землянин из 32 стран. Космическими рекордсменами по-преж нему остаются россияне. Больше всего времени за пределами Земли провел космонавт Сергей Авдеев — 747 суток и 14 часов. В открытом космосе побывали 149 человек. Рекорд пребывания за бортом космического корабля принадлежит американцам Джеймсу Воссу и Сьюзен Хелмс, которые при монтаже Международной космической станции находились в открытом пространстве 8 ч 56 мин.

Зоопарк на орбите

До того, как в космос поднялся человек, там побывали около четырех десятков собак, а также мыши, крысы, морские свинки, обезьяны, мухи-дрозофилы и семена ряда растений. Первый благополучно закончившийся орбитальный полет в 1960 г. совершили собаки Белка и Стрелка, ставшие знаменитыми. Корабль, на котором они летели, имел все системы, необходимые для полета человека.

Собаки провели больше суток в состоянии невесомости.

Что происходит с человеком в космосе?

В бескрайней Вселенной кроме звезд, планет, комет, астероидов, метеоритов и космической пыли есть еще нечто. Это — космическое пространство.

Но что ждет человека, оказавшегося без специальных защитных средств один на один с космосом?

Раньше, когда этот вопрос был не изучен, считалось, что человек без скафандра мгновенно замерзнет — ведь температура космического пространства близка к абсолютному нулю, что жидкости его тела, насыщенные газами, мгновенно вскипят, а само тело просто взорвется. Во всяком случае, мгновенная потеря сознания гарантирована.

С развитием космонавтики выяснилось, что это не так. Незащищенный человек, оказавшийся в межпланетном пространстве, действительно погибнет от недостатка кислорода, но до этого у него есть от одной до трех минут для того, чтобы предпринять шаги к спасению. Если не задерживать воздух в легких, а сразу сделать резкий выдох (иначе легкие будут сильно травмированы), то 30—60 с пребывания в открытом космосе не причинят необратимых последствий организму человека.

Мусорная угроза

В настоящее время на околоземных орбитах вращаются около 12 тыс. отработавших свой ресурс космических аппаратов и ступеней ракет носителей. Часть из них разрушается при столкновениях с мелкими метеоритами, превращаясь в тучи мелкого металлического хлама, смертельно опасного для пилотируемых космических кораблей, орбитальных станций и, в особенности, для космонавтов, совершающих выходы в открытый космос.

Такие выходы совершаются в специальных защитных скафандрах, снабженных запасом кислорода и оборудованных устройствами для поддержания комфортной температуры тела космонавта. Однако тонкая оболочка скафандра не в состоянии защитить человека при столкновении с мелким космическим мусором. А его количество с каждым годом продолжает увеличиваться. Даже небольшое нарушение герметичности скафандра грозит космонавту удушьем и смертью, если он не сумеет быстро вернуться в корабль.

18—19 марта 1965 г. советский космонавт Алексей Леонов совершил первый в истории космонавтики выход в открытый космос, который продолжался 12 мин 9 с. Во время выхода возникли проблемы с его скафандром — от избыточного давления внутри он раздулся настолько, что Леонов просто не мог попасть в шлюз, чтобы вернуться в корабль. Только самообладание и мужество позволили космонавту мгновенно найти способ, как избавиться от излишнего воздуха и вернуть скафандру нормальные размеры.

Зачем нужны полеты в космос?

Люди во все времена пытались узнать, что находится за пределами нашей планеты. А с момента запуска первого спутника началась эра освоения космоса и человечество получило новые мощные инструменты познания — исследовательские космические аппараты. Развитые страны ежегодно тратят огромные средства на создание ракет-носителей, космических кораблей и специальной аппаратуры, космических роботов-разведчиков. Астронавты и космонавты рискуют жизнью, целые армии ученых и инженеров разрабатывают космические программы, конструируют и строят спутники и лаборатории, предназначенные для работы за пределами Земли.

И все-таки — зачем? Какой прок рядовому жителю Земли от того, что где-то там, на ближних и дальних орбитах годами носятся сложные и дорогостоящие устройства?

За последние два года с помощью автоматических станций, запущенных США, Японией, Китаем и Индией, было доказано наличие воды на Луне. Важность этого результата трудно переоценить — ведь до сих пор главным препятствием для создания постоянной базы землян на нашем спутнике является отсутствие воды. А она необходима не только для питья и бытовых нужд — разложив воду на составляющие можно получить кислород для дыхания и водород, то есть, ракетное топливо.

14 декабря 2009 г. на околоземную орбиту был запущен инфракрасный космический телескоп WISE, предназначенный для обзора всего неба. С новым телескопом ученые связывают большие надежды. Он предназначен для исследования недоступных ранее объектов Солнечной системы и удаленных слабых галактик.

Космические корабли будущего

Ближайшая к Земле звезда Проксима Центавра находится на расстоянии 4,3 светового года. Это в 10 тыс. раз больше радиуса Солнечной системы. Если бы Солнце было размером с пятидесятикопеечную монету, то ближайшая монета, то есть Проксима Центавра, находилась бы на расстоянии 765 км от него. Современный самолет мог бы преодолеть такое расстояние за 4 млн лет, а космическому кораблю с двигателем на химическом топливе потребовалось бы не менее 40 тыс. лет.

Читайте также: