за счет чего космические корабли двигаются в космосе
Зачем космические аппараты вращаются
Для находящихся в космосе объектов вращение — дело привычное. Когда две массы двигаются относительно друг друга, но не навстречу или друг от друга, их гравитационная сила создаёт крутящий момент. В итоге в Солнечной системе все планеты вращаются вокруг Солнца.
Но это то, на что человек не влиял. Зачем же вращаются космические аппараты? Чтобы стабилизировать положение, постоянно направлять приборы в нужную сторону и в будущем — для создания искусственной гравитации. Давайте разберём эти вопросы подробнее.
Стабилизация вращением
Когда мы смотрим на автомобиль, мы знаем, в какую сторону он едет. Управление им происходит благодаря взаимодействию с внешней средой — сцеплению колёс с дорогой. Куда поворачивают колёса — туда и весь автомобиль. Но если мы лишим его этого сцепления, если мы отправим машину на лысой резине кататься по льду, то она закружится в вальсе, что будет крайне опасно для водителя. Такой тип движения возникает редко на Земле, но в космосе это норма.
Пример такого вращения приводит Роберт Фрост, инструктор и оператор в НАСА: это автоматическая межпланетная станция «Юнона», запущенная в 2011 году для исследования Юпитера и вышедшая на орбиту планеты 5 июля 2016 года. Вращение — один из способов ориентации и стабилизации, основным преимуществом которого является экономичность. Стоит раскрутить аппарат один раз, и затем можно будет крутиться столетиями, не используя лишнее топливо и не заботясь об управлении аппаратом с помощью электроники. Если электроника аппарата откажет — «Юнона» сохранит вращение.
Сохранение направления для приборов
По видеороликам заметить сложно, но Международная космическая станция постоянно вращается по Y-оси со скоростью 4 градуса в минуту. Такая угловая скорость выбрана, чтобы синхронизировать вращение станции вокруг своей оси с её вращением вокруг Земли. Антенны смотрят GPS-спутники и спутники связи, а из окон наблюдения за Землёй желательно видеть планету, чтобы снимать её. Вращение и ускорение также используются для того, чтобы избегать столкновений с космическим мусором.
Некоторые космические аппараты используют вращение для теплового контроля, чтобы не перегревать одну сторону, что может привести к поломкам. Международная космическая станция так не делает, в отличие от других аппаратов, которые равномерно прогреваются.
На видео ниже можно рассмотреть, как станция сохраняет свою ориентацию относительно Земли.
При межпланетных перелётах на первый план выступают моменты сил, создаваемые давлением солнечного света, и это давление может помогать аппарату поддерживать нужную ориентацию. Космические аппараты «Венера» и «Марс» использовали следующую схему ориентации: после того, как система управления придавала аппарату нужное положение относительно Солнца, корпусу сообщалось вращение вокруг собственной оси. Затем его движение вокруг центра масс происходило под действием двух эффектов: эффекта волчка и момента сил, создаваемого давлением солнечного света. Аппарат приобретал свойства флюгера. Такая сложная схема позволяла обеспечить постоянное направление солнечных батарей к Солнцу.
Космический аппарат «Венера-3»
Создание искусственной гравитации
Концепт Nautilus-X.
Приспособленный к жизни в условиях земного притяжения организм умудряется выжить и без него. И не только выжить, но и активно работать. Но это маленькое чудо обходится не без последствий. Опыт, накопленный за десятилетия полётов человека в космос, показал: человек испытывает в космосе много нагрузок, которые оставляют след на теле и психике.
На Земле наш организм борется с гравитацией, которая тянет кровь вниз. В космосе этоа борьба продолжается, но сила гравитации отсутствует. Поэтому космонавты одутловаты. Внутричерепное давление растёт, растёт давление на глаза. Это деформирует зрительный нерв и влияет на форму глазных яблок. Снижается содержание плазмы в крови, и из-за уменьшения количества крови, которую нужно качать, атрофируются мышцы сердца. Дефект костной массы значителен, кости становятся хрупкими.
Чтобы побороть эти эффекты, люди на орбите вынуждены ежедневно заниматься физическими тренировками. Поэтому создание искусственной силы тяжести считают желательным для долговременных космических путешествий. Такая технология должна создать физиологически естественные условия для обитания людей на борту аппарата. Еще Константин Циолковский считал, что искусственная гравитация поможет решить многие медицинские проблемы полёта человека в космос.
Сама идея основана на принципе эквивалентности силы гравитации и силы инерции, который гласит: «Силы гравитационного взаимодействия пропорциональны гравитационной массе тела, силы инерции же пропорциональны инертной массе тела. Если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить, какая сила действует на данное достаточно малое тело — гравитационная или сила инерции».
У такой технологии есть недостатки. В случае с аппаратом небольшого радиуса разная сила будет воздействовать на ноги и на голову — чем дальше от центра вращения, тем сильнее искусственная гравитация. Вторая проблема — сила Кориолиса, из-за воздействия которой человека будет укачивать при движении относительно направления вращения. Чтобы этого избежать, аппарат должен быть огромным. И третий важный вопрос связан со сложностью разработки и сборки такого аппарата. При создании такого механизма важно продумать, как сделать возможным постоянный доступ экипажа к отсекам с искусственной гравитацией и как заставить этот тор двигаться плавно.
В реальной жизни такую технологию для строительства космических кораблей ещё не использовали. Для МКС предлагали надувной модуль с искусственной гравитацией для демонстрации прототипа корабля Nautilus-X. Но модуль дорог и создавал бы значительные вибрации. Делать всю МКС с искусственной гравитацией с текущими ракетами трудноосуществимо — пришлось бы собирать всё на орбите по частям, что в разы усложнило бы размах операций. А ещё эта искусственная гравитация перечеркнула бы саму суть МКС как летающей микрогравитационной лаборатории.
Концепт надувного модуля с микрогравитацией для МКС.
Зато искусственная гравитация живёт в воображении фантастов. Корабль «Гермес» из фильма «Марсианин» имеет в центре вращающийся тор, который создаёт искусственную гравитацию для улучшения состояния экипажа и снижения воздействия невесомости на организм.
Национальное аэрокосмическое агентство США разработало шкалу уровней готовности технологии TRL из девяти уровней: с первого по шестой — развитие в рамках научно-исследовательских работ, с седьмого и выше — опытно-конструкторские работы и демонстрация работоспособности технологий. Технология из фильма «Марсианин» соответствует пока лишь третьему или четвёртому уровню.
«Discovery One» из «Космической Одиссеи»
В аниме-сериале Planetes космическая станция ISPV-7 имеет огромные помещения с привычной земной гравитацией. Жилая зона и зона для растениеводства размещены в двух торах, вращающихся в разных направлениях.
Даже твёрдая фантастика игнорирует огромную стоимость такого решения. Энтузиасты взяли для примера корабль «Элизиум» из одноимённого фильма. Диаметр колеса – 16 километров. Масса — около миллиона тонн. Отправка грузов на орбиту стоит 2700 долларов за килограмм, SpaceX Falcon позволит сократить эту цифру до 1650 долларов за килограмм. Но придётся осуществить 18382 запуска, чтобы доставить такое количество материалов. Это 1 триллион 650 миллиардов американских долларов — почти сто годовых бюджетов НАСА.
До реальных поселений в космосе, где люди могут наслаждаться привычными 9,8 м/с² ускорения свободного падения, ещё далеко. Возможно, повторное использование частей ракет и космические лифты позволят приблизить такую эпоху.
Как летает МКС. Вопросов больше, чем ответов
Особенность термосферы в том, что температура с высотой повышается и при этом может значительно колебаться. Выше 500 км возрастает уровень солнечной радиации, который может запросто вывести из строя технику и негативно повлиять на здоровье космонавтов. Поэтому МКС выше 400 км не поднимается.
По словам самих космонавтов, на высоте 400 км, на которой летает МКС, температура постоянно меняется в зависимости от светотеневой обстановки. Когда МКС находится в тени, температура за бортом опускается до –150°, а если она под прямыми лучами солнца, то температура повышается до +150°. И это уже даже не парилка в бане! Как при такой температуре космонавты вообще могут находиться в открытом космосе? Неужели их спасает супер термокостюм?
Какая температура внутри МКС?
Как влияет радиация на космонавтов в МКС?
Как влияет космическая пыль и мусор на МКС?
Почему МКС не падает?
Откуда на МКС электроэнергия?
Как происходит стыковка МКС с кораблями?
Совершенно не понятно, как на такой безумной скорости удается состыковать МКС с кораблями, посылаемыми с Земли? Это же колоссальный и просто фантастический труд! Мне не удалось найти внятного этому объяснения. Если кто-то знает об этом, пожалуйста, поделитесь информацией. Очень интересно. И вообще, если у вас есть еще интересная информация о работе космической станции, пишите об этом.
Для написания статьи использовались следующие материалы:
О принципах космического движения
О принципах космического движения. Выдержка из Детской императорской энциклопедии.
Одобрено министерством образования 01.01.2013 года. Одобрено министерством
цензуры 02.01.2013 года. Одобрено министерством пропаганды 02.01.2013 года. Время галактическое стандартное.
Космические путешествия составляют важнейшую часть современной цивилизации, на них строится величие нашей Земной Империи. Понимание всеми их принципов лежит в основе её дальнейшего развития и процветания. Сейчас мы рассмотрим главные принципы, лежащие в основе перемещений в космическом пространстве. В первую очередь космическое движение делится на две отдельные но, тем не менее, взаимозависимые части. Это досветовой и сверхсветовой принципы движения. Первые попытки человечества покинуть Землю, сверкающую столицу нашей Империи, были предприняты ещё в восьмом веке до нашей эры. Первые корабли обладали очень примитивной конструкцией, на них не существовало искусственного тяготения, гасителей инерции, перемещались они реактивным способом, за счет сжигания химического топлива, а позднее за счет ядерной реакции. Разумеется, летали подобные корабли крайне медленно, и даже перелёты между планетами Солнечной системы занимали недели и даже месяцы. Открытие и использование явления антигравитации, примерно в пятом веке до нашей эры, значительно ускорило перелёты, но по современным меркам они продолжали оставаться очень медлительными. Надо отметить, что существовавшее в то время общественное устройство, было основано на правах и свободах отдельной личности, но в нём отсутствовали основополагающие законы об ответственности и служение человека общему целому. В силу этих обстоятельств человечество, лишенное единой идеи и единого правителя, было поделено на зоны влияния различных политических и финансовых сил, что весьма сильно тормозило его развитие. Сегодня сложно представить подобное, но все люди тогда обитали внутри Солнечной системы, лишенные возможности межзвёздных перелётов. Восемь столетий прошло между первым выходом человека в космос и открытием сверхсветового способа путешествий. Первый межзвездный перелёт, впоследствии стал точкой отсчета новой эры. Открытым тогда методом сверхсветовых путешествий, хоть и значительно усовершенствованным, мы продолжаем пользоваться и сегодня. В основе сверхсветового способа движения лежит теория Лисанова – Бергера о взаимодействии зеркальных вселенных. Взаимодействие энергий различных знаков, положительной и отрицательной, приводят к рождению вихревого минус энергетического кокона, заключающего в себе часть пространства, с кораблём его генерирующим. Минус кокон не является частью не одной не другой вселенной, находясь как бы между ними, и на него действуют совершенно другие физические законы, чем в известном нам космосе. С точки зрения физики нашей вселенной говорить о движение кокона, с какой либо скоростью некорректно, однако для упрощения относительную скорость движения считают в обычных единицах измерения расстояния и скорости. (Для более подробного изучения и ознакомления с математическими выкладками рекомендуем ознакомиться с работой «Физика смежных пространств и теория сверхсветового движения» гранд-профессора Большого Императорского Университета Земли Серега Мел Косана, 1995 года издания.) Скорость космического корабля при сверхсветовом перемещении, или как его обычно называют – звёздном прыжке, зависит от силы взаимодействующих энергий и в теории стремится к бесконечности. Однако главным ограничением является мощность энергетических генераторов, например перелёт из одного конца нашей галактики в другой, занимает сегодня 1.3 стандартных года. Второй сложностью для полётов между звёздами является то, что в пространстве, в котором перемещается минус кокон, действует совершенно иная геометрия, чем в обычном космосе. Это требует сложных расчетов траектории полёта. Между тем с условной точки зрения нашей вселенной полёт происходит по прямой линии, и здесь приходится учитывать такие факторы как движение галактики, орбитальное вращение звёзд вокруг её центра, а так же движение планет по орбитам вокруг своих звёзд. Для развитых миров Земной Империи и наших соседей из Федерации Планет существует постоянно обновляемая астронавигационная сеть, что позволяет кораблям выходить в пространство непосредственно вблизи от планеты. Стоит отметить, что благодаря передовым достижениям имперской науки, астронавигационная сеть Империи более совершенна и предпочтительна для использования. Однако когда разговор идет о путешествии к малонаселённым планетам, потерянным мирам, или разведке дальних рубежей невозможно обойтись без современного и быстрого способа досветового движения.
После открытия явления антигравитации, человечество на некоторое время отказалось от реактивного способа движения. Реактивные двигатели были сложны, громоздки и ненадёжны. Антигравитационные генераторы, не смотря на не меньшую сложность, были гораздо более компактны, а неполадки в них, не коем образом не могли привести к взрыву всего корабля. Однако скорости они обеспечивали далеко не самые большие. Кроме того, им было необходимо учитывать гравитационные взаимодействия, и их изменения для всех находящихся в системе объектов, чтобы двигаться по правильной траектории. Хорошо подходящие для планетарного транспорта в космосе они оказались намного менее эффективными. Революция в досветовом движении произошла в 689 году во времена первой империи. Когда было открыто явление гравитационного кокона. Подобно тому, как минус-энергетический кокон вырывает корабль из пространства нашей вселенной, гравитационный кокон освобождает его от всех имеющих место быть гравитационных взаимодействий с другими объектами. Была реализована теория, о которой говорили ещё в доисторические времена. Так называемый эффект жидкого вакуума. Теперь используя реактивные двигатели, корабли могли перемещаться в пространстве по прямым траекториям, не обращая внимания на окружающие их космические тела. В дальнейшем термоядерные реактивные двигатели были заменены на анигиляционные, использующие энергию взаимодействия материи и анти материи. Современные двигатели позволяют развивать скорости до 0.7 световой, что позволяет быстро и эффективно преодолевать значительные межпланетные расстояния.
Физика космического полета
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. Описано в учебнике А.В.Перышкин, Е.М. Гутник «Физика 9 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.
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:
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.
Невесомость. Описано в учебнике А.В.Перышкин «Физика 7 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012. и в учебнике А.В.Перышкин, Е.М.Гутник «Физика 9 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.
Данное явление сопровождает космонавтов в космосе.
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.
Явление невесомости описывал в своей книге К.Э. Циолковский «Вне Земли». Ю. Гагарин перед своим полетом читал эту книгу и был удивлен тем, что все процессы, происходящие в космосе, были верно описаны.
Явление тяготения. Закон всемирного тяготения. Описано в учебнике А.В.Перышкин «Физика 7 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012. И А.В.Перышкин, Е.М Гутник «Физика 9 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.
Притяжение всех тел во Вселенной друг к другу называется Всемирным тяготением (из учебника «Физика 7 класс»).
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 всемирного тяготения, который является одним из универсальных законов природы. Согласно закону, все материальные тела притягивают друг друга, причём величина силы тяготения не зависит от химических и физических свойств тел, от состояния их движения, от свойств среды, где находятся тела. Тяготение на Земле проявляется, прежде всего, в существовании силы тяжести, являющейся результатом притяжения всякого материального тела Землёй. С этим связан термин «гравитация» (от лат. gravitas — тяжесть), эквивалентный термину «тяготение».
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.
Интересные факты:
За счет чего космические корабли двигаются в космосе
Чего бы они там не рисовали в «звёздных войнах» и сериале «стартрек», космос не океан. Слишком многие шоу оперируют научно неточными предположениями, отображая перемещение в космосе похожим на плавание по морю. Это не так
Вообще, космос не двухмерный, в нём нет трения, и у космолёта палубы не такие, как у корабля.
Это значит, что атака противника с выгодного направления с максимальной плотностью огня «бортовым залпом» затруднена. Космические корабли могут приближаться к вам с любого направления, совсем не так, как в двухмерном пространстве
Это заблуждение выросло из ошибки «космос двухмерен». Некоторые произведения и вовсе превращают космические ракеты в что-то вроде лодок. Даже с точки зрения обычной глупости, торчащий из корпуса «мостик» будет отстрелен вражеским огнём куда быстрее, чем размещённый в глубине корабля, где у него будет хоть какая-то защита (тут немедленно вспоминаются Star Trek и «Uchuu Senkan Yamato»).
(Энтони Джексон указал два исключения. Первое: если космический аппарат действует как атмосферный самолёт, в атмосфере «вниз» будет перпендикулярен крыльям, противоположно подъёмной силе, но в космосе «вниз» станет направлением выхлопа двигателей. Второе: ионный двигатель или иной двигатель малого ускорения может придать кораблю некоторое центростремительное ускорение, и «вниз» окажется направлен по радиусу от оси вращения. )
Ракеты не истребители
Крестокрыл и «вайпер» могут маневрировать на экране как им вздумается, но без атмосферы и крыльев атмосферных маневров не бывает.
Да, развернуться «на пятачке» тоже не удастся. Чем быстрее движется космический аппарат, тем труднее маневрировать. Он НЕ БУДЕТ двигаться как самолёт. Более удачной аналогией будет поведение разогнанного на большой скорости полностью загруженого тягача с прицепом на голом льду.
Также под вопросом сама оправданность истребителей с военной, научной и экономической точки зрения.
Космический аппарат вовсе не обязательно летит туда, куда указывает его нос. Пока двигатель работает, ускорение направлено туда, куда смотрит нос корабля. Но если отключить двигатель, корабль можно свободно вращать в желаемом направлении. При необходимости вполне можно лететь «боком». Это может быть полезным для совершения полного бортового залпа в бою.
У ракет есть крылья
Навигационный отсек может иметь обзорный астрономический купол на экстренный случай, но большая часть окон будет заменена радаром, телескопическими телекамерами и схожего типа сенсорами.
В космосе нет трения
В космосе нет трения. Здесь, на Терре, если вы ведёте машину, достаточно отпустить газ, и машина начнёт тормозиться трением о дорогу. В космосе, отключив двигатели, корабль сохранит свою скорость на весь остаток вечности (или пока не врежется в планету или что-то ещё). В фильме «2001 A Space Odyssey» вы могли заметить, что космический аппарат «Дискавери» летел к Юпитеру без единого облачка выхлопа из двигателей.
Вот почему бессмысленно говорить о «дистанции» ракетного полёта. Любая ракета не на орбите планеты и не в гравитационном колодце Солнца обладает бесконечной дистанцией полёта. В теории можно зажечь двигатели и отправиться в Галактику Андромеды. добравшись до цели за какой-то миллион лет. Вместо дальности имеет смысл говорить об изменении скоростей.
Если вы хотите постигнуть интуитивно принципы движения космических кораблей, рекомендую поиграть в какую-нибудь одну из немногих точных игр-симуляторов. Список включает компьютерную игру Orbiter, компьютерную же (к сожалению не переиздававшуюся) игру Independence War и настольные военные игры Attack Vector: Tactical, Voidstriker, Triplanetary, и Star Fist (эти две больше не издаются, но могут попасться тут).
Топливо не обязательно приводит корабль в движение напрямую
У ракет есть разница между «топливом» (указано красным) и «реакционой массой» (указана голубым). Ракеты соблюдают третий закон Ньютона при движении. Масса выбрасывается, придавая ракете ускорение.
В космосе нет невидимок
В космосе нет никакого практического способа спрятать корабль от обнаружения.
В космосе звука нет
Есть разница между весом и массой. Масса всегда одинакова для объекта, а вот вес зависит от того, на какой планете объект. Кирпич массой в один килограмм будет весить 9.81 ньютонов (2.2 фунта) на Терре, 1.62 ньютона на Луне (0.36 фунтов), и ноль ньютонов (0 фунтов) на борту Международной Космической Станции. А вот масса везде останется одним килограммом. (Крис Базон указал, что если объект движется на релятивистской скорости относительно вас, то вы обнаружите увеличение массы. Но это нельзя заметить на обычных относительных скоростях.)
И, если шаттл медленно движется к станции, а вы попались между ними, нулевой вес шаттла всё равно не спасёт вас от печальной участи превратиться в лепёшку. Не стоит тормозить движущийся шаттл, упираясь в него руками. На это надо столько же энергии, сколько и на то, чтобы привести его в движение. В человеке столько энергии нет.
Извините, но ваши орбитальные строители не смогут ворочать многотонные стальные балки так, словно это зубочистки.
Свободное падение не является нулевой силой тяжести
Оказавшись в вакууме без защитного костюма вы не лопнете как шарик. Доктор Джеффри Лэндис провёл достаточно подробный анализ этого вопроса.
Вкратце: Вы останетесь в сознании на протяжении десяти секунд, не взорвётесь, всего проживёте около 90 секунд.
Им не нужна наша вода
Маркус: Нет нужды прилетать на Землю за водой. Это одна из самых распространённых субстанций «там, наверху». так что зачем гнать корабль за несколько световых лет ради того, что можно без труда раздобыть куда дешевле (и без этого назойливого человеческого сопротивления) в своей родной системе, чуть ли не «за углом»?