Космические аппараты и техника
Неизведанные глубины Космоса интересовали человечество на протяжении многих веков. Исследователи и ученые всегда делали шаги к познанию созвездий и космического простора. Это были первые, но значительные достижения на то время, которые послужили дальнейшему развитию исследований в этой отрасли.
Немаловажным достижением было изобретение телескопа, с помощью которого человечеству удалось заглянуть значительно дальше в космические просторы и познакомиться с космическими объектами, которые окружают нашу планету более близко. В наше время исследования космического пространства осуществляются значительно легче, чем в те года. Наш портал Kvant.Space предлагает Вам массу интересных и увлекательных фактов о Космосе и его загадках.
Первые космические аппараты и техника
Активное исследование космического пространства началось с запуска первого искусственно созданного спутника нашей планеты. Это событие датируется 1957 годом, когда он и был запущен на орбиту Земли. Что касается первого аппарата, который появился на орбите, то он был предельно простым в своей конструкции. Этот аппарат был оснащен достаточно простым радиопередатчиком. При его создании конструкторы решили обойтись самым минимальным техническим набором. Все же первый простейший спутник послужил стартом к развитию новой эры космической техники и аппаратуры. На сегодняшний день можно сказать, что это устройство стало огромным достижением для человечества и развития многих научных отраслей исследований. Кроме того, вывод спутника на орбиту был достижением для всего мира, а не только для СССР. Это стало возможным за счет упорной работы конструкторов над созданием баллистических ракет межконтинентального действия.
Именно высокие достижения в ракетостроении дали возможность осознать конструкторам, что при снижении полезного груза ракетоносителя можно достичь очень высоких скоростей полета, которые будут превышать космическую скорость в
7,9 км/с. Все это и дало возможность вывести первый спутник на орбиту Земли. Космические аппараты и техника являются интересными из-за того, что предлагалось много различных конструкций и концепций.
В широком понятии космическим аппаратом называют устройство, которое осуществляет транспортировку оборудования или людей к границе, где заканчивается верхняя часть земной атмосферы. Но это выход лишь в ближний Космос. При решении различных космических задач космические аппараты разделены на такие категории:
— орбитальные или околоземные, которые передвигаются по геоцентрическим орбитам;
Созданием первой ракеты для вывода спутника в Космос занимались конструкторы СССР, причем само ее создание заняло меньше времени, чем доводка и отладка всех систем. Также временной фактор повлиял на примитивную комплектацию спутника, поскольку именно СССР стремился достичь показателя первой космической скорости ее творения. Тем более что сам факт вывода ракеты за пределы планеты был более веским достижением на то время, чем количество и качество установленной аппаратуры на спутник. Вся проделанная работа увенчалась триумфом для всего человечества.
Как известно, покорение космического пространства только было начато, именно поэтому конструкторы достигали все большего в ракетостроении, что и позволило создать более совершенные космические аппараты и технику, которые помогли сделать огромный скачок в исследовании Космоса. Также дальнейшее развитие и модернизация ракет и их компонентов позволили достичь второй космической скорости и увеличить массу полезного груза на борту. За счет всего этого стал возможным первый вывод ракеты с человеком на борту в 1961 году.
Портал Kvant.Space может поведать много интересного о развитии космических аппаратов и техники за все года и во всех странах мира. Мало кому известно, что действительно космические исследования учеными были начаты еще до 1957 года. В космическое пространство первая научная аппаратура для изучения была отправлена еще в конце 40-х годов. Первые отечественные ракеты смогли поднять научную аппаратуру на высоту в 100 километров. Кроме того, это был не единичный запуск, они проводились достаточно часто, при этом максимальная высота их подъема доходила до показателя в 500 километров, а это значит, что первые представления о космическом пространстве уже были до начала космической эры. В наше время при использовании самых последних технологий те достижения могут показаться примитивными, но именно они позволили достичь того, что мы имеем на данный момент.
Созданные космические аппараты и техника требовали решения огромного количества различных задач. Самыми важными проблемами были:
- Выбор правильной траектории полета космического аппарата и дальнейший анализ его движения. Для осуществления данной проблемы пришлось более активно развивать небесную механику, которая становилась прикладной наукой.
- Космический вакуум и невесомость поставили перед учеными свои задачи. И это не только создание надежного герметичного корпуса, который мог бы выдерживать достаточно жесткие космические условия, а и разработка аппаратуры, которая могла бы выполнять свои задачи в Космосе так же эффективно, как и на Земле. Поскольку не все механизмы могли отлично работать в невесомости и вакууме так же, как и в земных условиях. Основной проблемой было исключение тепловой конвекции в герметизированных объемах, все это нарушало нормальное протекание многих процессов.
- Работу оборудования нарушало также тепловое излучение от Солнца. Для устранения этого влияния пришлось продумывать новые методы расчета для устройств. Также была продумана масса устройств для поддержания нормальных температурных условий внутри самого космического аппарата.
- Большой проблемой стало электроснабжение космических устройств. Самым оптимальным решением конструкторов стало преобразование солнечного радиационного излучения в электроэнергию.
- Достаточно долго пришлось решать проблему радиосвязи и управления космическими аппаратами, поскольку наземные радиолокационные устройства могли работать только на расстоянии до 20 тысяч километров, а этого недостаточно для космических пространств. Эволюция сверхдальней радиосвязи в наше время позволяет поддерживать связь с зондами и другими аппаратами на расстоянии в миллионы километров.
- Все же наибольшей проблемой осталась доводка аппаратуры, которой были укомплектованы космические устройства. Прежде всего, техника должна быть надежной, поскольку ремонт в Космосе, как правило, был невозможен. Также были продуманы новые пути дублирования и записи информации.
Возникшие проблемы пробудили интерес исследователей и ученых разных областей знаний. Совместное сотрудничество позволило получить положительные результаты при решении поставленных задач. В силу всего этого начала зарождаться новая область знаний, а именно космическая техника. Возникновение данного рода конструирования было отделено от авиации и других отраслей за счет его уникальности, особых знаний и навыков работы.
Непосредственно после создания и удачного запуска первого искусственного спутника Земли развитие космической техники проходило в трех основных направлениях, а именно:
- Проектирование и изготовление спутников Земли для выполнения различных задач. Кроме того, данная отрасль занимается модернизацией и усовершенствованием этих устройств, за счет чего появляется возможность применять их более широко.
- Создание аппаратов для исследования межпланетного пространства и поверхностей других планет. Как правило, данные устройства осуществляют запрограммированные задачи, также ими можно управлять дистанционно.
- Космическая техника прорабатывает различные модели создания космических станций, на которых можно проводить исследовательскую деятельность учеными. Эта отрасль также занимается проектированием и изготовлением пилотируемых кораблей для космического пространства.
Множество областей работы космической техники и достижения второй космической скорости позволили ученым получить доступ к более дальним космическим объектам. Именно поэтому в конце 50-х годов удалось осуществить пуск спутника в сторону Луны, кроме того, техника того времени уже позволяла отправлять исследовательские спутники к ближайшим планетам возле Земли. Так, первые аппараты, которые были посланы на изучение Луны, позволили человечеству впервые узнать о параметрах космического пространства и увидеть обратную сторону Луны. Все же космическая техника начала космической эры была еще несовершенная и неуправляемая, и после отделения от ракетоносителя главная часть вращалась достаточно хаотически вокруг центра своей массы. Неуправляемое вращение не позволяло ученым производить много исследований, что, в свою очередь, стимулировало конструкторов к созданию более совершенных космических аппаратов и техники.
Именно разработка управляемых аппаратов позволила ученым провести еще больше исследований и узнать больше о космическом пространстве и его свойствах. Также контролируемый и стабильный полет спутников и других автоматических устройств, запущенных в Космос, позволяет более точно и качественно передавать информацию на Землю за счет ориентации антенн. За счет контролируемого управления можно осуществлять необходимые маневры.
В начале 60-х годов активно проводились пуски спутников к самым близким планетам. Эти запуски позволили более подробно ознакомиться с условиями на соседних планетах. Но все же самым большим успехом этого времени для всего человечества нашей планеты является полет Ю.А. Гагарина. После достижений СССР в строении космической аппаратуры большинство стран мира также обратили особое внимание на ракетостроение и создание собственной космической техники. Все же СССР являлся лидером в данной отрасли, поскольку ему первому удалось создать аппарат, который осуществил мягкое прилунение. После первых успешных посадок на Луне и других планетах была поставлена задача для более детального исследования поверхностей космических тел с помощью автоматических устройств для изучения поверхностей и передачи на Землю фото и видео.
Первые космические аппараты, как говорилось выше, были неуправляемыми и не могли вернуться на Землю. При создании управляемых устройств конструкторы столкнулись с проблемой безопасного приземления устройств и экипажа. Поскольку очень быстрое вхождение устройства в атмосферу Земли могло просто сжечь его от высокой температуры при трении. Кроме того, при возвращении устройства должны были безопасно приземляться и приводняться в самых различных условиях.
Дальнейшее развитие космической техники позволило изготовлять орбитальные станции, которые можно использовать на протяжении многих лет, при этом менять состав исследователей на борту. Первым орбитальным аппаратом данного типа стала советская станция «Салют». Ее создание стало очередным огромным скачком человечества в познании космических пространств и явлений.
Выше указана очень маленькая часть всех событий и достижений при создании и использовании космических аппаратов и техники, которая была создана в мире для изучения Космоса. Но все же самым знаменательным стал 1957 год, с которого и началась эпоха активного ракетостроения и изучения Космоса. Именно запуск первого зонда породил взрывоподобное развитие космической техники во всем мире. А это стало возможным за счет создания в СССР ракетоносителя нового поколения, который и смог поднять зонд на высоту орбиты Земли.
Источник
Первые аппараты для исследования космоса
Аппараты для исследования космоса
17 августа 1933 г. в воздух поднялась первая советская жидкостная ракета, созданная сотрудниками группы по изучению реактивного движения (ГИРД) под руководством инженера Ф.А. Цандера. Сконструировал эту ракету М.К. Тихонравов. Длина ракеты составляла 2,4 м, диаметр 18 см, а весила она 180 Н. Горючим служил бензин, а окислителем – жидкий кислород. Во время испытания ракета достигла высоты около 400 м.
С этого времени советские учёные и инженеры создали и запустили не одну сотню мощных, совершенных ракет для научных исследований. Такая ракета состоит обычно из двух частей: двигательной установки и отделяемой головной части, которая называется контейнером. В контейнере размещают научную аппаратуру для измерения температуры, давления, плотности и состава атмосферы, напряжённости магнитного поля Земли; приборы, регистрирующие солнечную радиацию и космические лучи, и т. д. Здесь же помещают парашют и в некоторых случаях подопытных животных. Когда ракета достигает высшей точки подъёма, контейнер отделяется и на раскрывшемся парашюте медленно опускается на землю, где и изучают автоматически записанные показания приборов.
Исследования, производимые с помощью высотных ракет, продолжаются всего несколько минут и охватывают небольшое пространство над местом запуска. Поэтому научные исследования более удобно проводить с помощью искусственных спутников Земли, снабженных соответствующими приборами. Длительное время обращаясь вокруг Земли, ИС пролетают над многими областями земной поверхности, что позволяет исследовать обширные районы.
Чтобы тело стало искусственным спутником Земли, ему необходимо сообщить первую космическую скорость.
Как известно из курса физики, для движения по окружности радиуса R тело должно обладать центростремительным ускорением
где v – скорость тела. Поскольку в данном случае роль центростремительного ускорения играет ускорение силы тяжести g , то можно написать:
Отсюда скорость кругового движения на расстоянии R от центра Земли v = . В приближенных расчетах для движения спутника вблизи поверхности Земли принимают R = 6400км, а g = 9,81 м/с. Подставляя эти значения в последнюю формулу, получаем:
Формула справедлива и для спутников, обращающихся по далеким орбитам, но в этом случае g следует считать переменным, например при R = 16 400 км, v = 4,94 км/с.
Таким образом, с увеличением высоты полета спутника его круговая скорость уменьшается.
Если скорость запуска спутника в горизонтальном направлении превышает круговую, его орбита принимает форму эллипса. Двигаясь по эллиптической кривой, спутник то приближается к Земле, то удаляется от неё. Наиболее удаленная точка орбиты называется апогеем, наименее удаленная – перигеем. В перигее спутник движется быстрее, в чем в апогее.
Скорость, которую необходимо сообщить, чтобы вывести спутник за пределы земного тяготения, называется второй космической или параболической скоростью. Тело, обладающее такой начальной скоростью, описывает в пространстве параболу и может удалиться от Земли на любое сколь угодно большое расстояние (предполагается, что при этом на тело не действуют никакие другие силы, кроме сил земного тяготения).
Чтобы найти вторую космическую скорость, надо подсчитать работу, необходимую для удаления тела массы m с поверхности Земли на расстояние, на котором силы, действующие со стороны Земли, приближаются к нулю.
Соответствующие вычисления показывают, что
где G – постоянная тяготения, M – масса Земли, R – её радиус.
Подставляя в эту формулу значения G , M и R , получаем:
Чтобы осуществить полёт с Земли к звездам, необходимо преодолеть солнечное притяжение, т. е. звездолёту следует сообщить скорость, при которой он будет двигаться относительно Солнца по параболической или гиперболической орбите.
Минимальная скорость отлёта с поверхности Земли, обеспечивающая выход космического аппарата за пределы поля тяготения Солнца, называется третьей космической скоростью:
Полезно знать, что межзвёздные полёты потребуют скоростей, во много раз больших, чем третья космическая скорость. Имея такую начальную скорость, корабль, выйдя за пределы сферы тяготения Солнца, будет двигаться по траектории, мало отличающейся от траектории Солнца. Поэтому вероятность встречи его с какой-либо звездой будет не больше, чем вероятность встречи с ней Солнца или Земли. Притяжение Солнца и планет влияет на движение космических кораблей, в силу чего их траектории не являются эллипсами, параболами или гиперболами, а представляют собой сложные пространственные кривые.
Теория движения тела, обращающегося по инерции вокруг Земли, была разработана ещё Ньютоном, однако построить искусственный спутник удалось только в 1957 году. Главным препятствием на пути создания таких спутников являлось получение больших космических скоростей. Учёные вычислили, что для достижения первой космической скорости ракета весом 50кН должна израсходовать более 2000 кН топлива. Построить одноступенчатую ракету с топливными баками такой большой ёмкости невозможно. Проблема создания искусственного спутника была решена лишь после того, как для его запуска использовали многоступенчатую ракету, идея которой была выдвинута К. Э. Циолковским.
Многоступенчатая ракета состоит из нескольких частей (ступеней), каждая из которых имеет свои баки для горючего и окислителя и свой реактивный двигатель. Когда взлетает ракета, сначала сгорает всё топливо первой ступени, и она отделяется. При этом автоматически запускается двигатель второй ступени, он продолжает разгонять облегчённую ракету. После отделения второй ступени вступает в действие третья ступень и т. д. Таким образом, ставшие ненужными части ракеты отбрасываются и их не надо разгонять.
Первый в мире искусственный спутник Земли был запущен 4 октября 1957 г. в Советском Союзе. Это историческое событие знаменовало собой вступление человечества в эру межпланетных полётов, гениально предсказанную К. Э. Циолковским сто лет назад.
Спутник был изготовлен из лёгкого алюминиевого сплава, имел форму шара диаметром 58 см и весил 830 Н. Внутри него размещались измерительная аппаратура, два радиопередатчика для передачи на Землю показаний приборов, источники тока и другое оборудование. Спутник запустили с помощью многоступенчатой ракеты-носителя. Когда ракета достигла первой космической скорости, спутник отделился от неё и стал двигаться самостоятельно, описывая по инерции вокруг Земли эллиптическую траекторию, направленную с юго-запада на северо-восток. Период обращения спутника составлял 1 ч 36,2 мин, а самая удалённая точка орбиты (апогей) отстояла от Земли на 947 км. Относительно неподвижных звёзд плоскость орбиты спутника оставалась почти постоянной. Но так как Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток, то при каждом новом обороте спутник проходил разными районами нашей планеты, смещаясь на 24° по долготе за оборот. Благодаря тому что траектория спутника была наклонена к плоскости земного экватора под углом 65°, спутник облетел большую часть поверхности нашей планеты.
Воздух, несмотря на малую плотность на большой высоте, всё же оказывает некоторое сопротивление движению тел. Поэтому первый искусственный спутник постепенно, теряя скорость, вошёл в плотные слои атмосферы, раскалился и сгорел. За три месяца существования спутника с его помощью были сделаны весьма ценные научные наблюдения в околоземном космическом пространстве.
В том же 1957 г. в Советском Союзе был запущен второй искусственный спутник Земли. Он представлял собой последнюю ступень ракеты-носителя, в которой находились радиопередатчики и научные приборы для изучения физических свойств атмосферы и солнечной радиации. Сюда же для изучения жизнедеятельности организма в космосе поместили в особом контейнере подопытное животное – собаку по кличке Лайка. Контейнер был снабжён установкой для очистки воздуха и запасами пищи для животного. Второй искусственный спутник обращался на более высокой орбите, чем первый, с апогеем 1700 км и периодом обращения 1 ч 43,7 мин и просуществовал пять месяцев. С его помощью были проведены важные биологические исследования, в частности изучалось влияние невесомости на живые организмы.
Многочисленные автоматические приборы, которыми оборудованы спутники, могут значительно быстрее человека производить сложные расчёты и научные измерения, а также управлять движением спутника. Однако эти приборы не могут полностью заменить человека-исследователя, так как они регистрируют лишь те явления, которые попали в поле зрения прибора. Именно поэтому создание корабля для космических полётов человека было не только величайшим достижением мировой техники, но и открыло новые возможности для изучения космоса.
Первый полёт на космическом корабле таил в себе много неожиданностей и требовал от космонавта большой преданности науке и высокого мужества. Было неясно, как перенесёт космонавт перегрузки при старте и спуске корабля, а также явление невесомости, возникающее во время его движения по орбите.
Рассмотрим это явление более подробно. Пусть на полу кабины корабля лежит груз массы m . На него действуют две силы: сила тяжести F = mg и сила реакции пола N . Груз, как и корабль, движется с центростремительным ускорением a = v 2 / R , где R – радиус орбиты, а v = – первая космическая скорость. Допуская, что высота полёта корабля над Землёй пренебрежимо мала по сравнению с её радиусом, можно считать, что R – это радиус Земли. Запишем для данного случая уравнение движения: ma = F – N , или N = F – ma .
Подставляя в эту формулу значения F и a , получим:
Таким образом, в корабле, выведенном на орбиту, реакция опоры N равна нулю. Равен нулю, следовательно, и вес тела.
Космический корабль «Восток», на котором впервые в истории цивилизации человек проник в космос, был запущен 12 апреля 1961 г. в Советском Союзе, а первым в мире космонавтом стал советский гражданин Юрий Алексеевич Гагарин. Корабль-спутник «Восток» был выведен на орбиту вокруг Земли ракетой-носителем, длина которой составляла 38 м, а диаметр у основания – более 10 м. В сумме мощность пяти двигателей достигала громадного значения – 14,7 млн. кВт. Это в 3 раза больше мощности Братской гидроэлектростанции на Ангаре.
Кабина корабля (спускаемый аппарат) представляет собой шар диаметром 2,3 м и весом 24кН, на внешнюю поверхность которого нанесён специальный теплоизолирующий слой, предохраняющий аппарат от нагревания, когда он при спуске проходит через плотные слои атмосферы. При старте ракеты кабина закрыта коническим обтекателем, который затем автоматически сбрасывается. Снаружи кабины укреплены баллоны, одни с аварийным запасом кислорода, другие со сжатым воздухом. Вне кабины расположен также приборный отсек, в котором размещены электрические батареи, приборы для управления и спуска корабля, тормозной двигатель, радиоаппараты для телефонной и телевизионной связи с Землёй и антенны для них.
Во время взлёта (на активном участке) ракета-носитель движется с ускорением, в несколько раз превышающим ускорение g . Поэтому на активном участке космонавт может быть прижат к креслу с силой, в несколько раз больше силы нормального притяжения. Эта сила вызывает в теле космонавта внутренние напряжения, его вес как бы увеличивается в несколько раз. Чтобы перенести столь большую тяжесть, космонавт располагается в кресле лёжа, поперёк движения ракеты.
Когда скорость корабля достигает первой космической (около 7,8 км/с), двигатели выключаются и корабль отделяется от ракеты-носителя. С этого момента кабина корабля вместе с приборным отсеком движется вокруг Земли по инерции, без затраты горючего. При этом в кабине космонавта вместо перегрузки возникает состояние невесомости.
С высоты 300 км через иллюминаторы, закрытые жаропрочным стеклом, Ю. А. Гагарин хорошо видел на Земле крупные реки и горы, покрытые белоснежными шапками снегов, прямоугольники возделанных полей, синие воды океанов, а на неосвещённой стороне Земли – россыпи городских огней.
Сложную техническую задачу представляет собой посадка космического корабля, причём главная трудность состоит в том, чтобы погасить громадную скорость его полёта. Для этого космонавт разворачивает корабль на 180°, двигательной установкой вперёд, и включает тормозной реактивный двигатель. Реакция вытекающих газов тормозит корабль, он постепенно сходит с орбиты на траекторию спуска, пересекающую плотные слои атмосферы. После окончания работы двигателя кабина отделяется от приборного отсека. При движении в атмосфере внешняя оболочка кабины нагревается до свечения, а температура пограничного слоя воздуха вокруг неё достигает 6000 С°. Внутри же кабины поддерживается нормальная температура. На определённой высоте (около 7 км) автоматически открывается крышка входного люка, из которого с помощью особого устройства катапультируется кресло с космонавтом, и раскрывается парашют пилота. Затем кресло отделяется от космонавта, и он на своём парашюте в герметическом скафандре спускается на Землю. Вместе с космонавтом на том же парашюте опускается аварийный запас пищи, радиостанция и резиновая лодка, автоматически надуваемая воздухом при спуске на воду.
Для спуска кабины также была использована автоматическая парашютная система. Конструкция корабля позволяла космонавту приземлиться, оставаясь внутри кабины.
Ю. А. Гагарин находился в полёте 108 мин, совершив за это время один оборот вокруг Земли. Исторический полёт космического корабля «Восток» не только явился величайшим достижением науки и техники, но и доказал возможность проникновения человека в космос.
За годы, прошедшие с момента запуска первого искусственного спутника Земли, российская и мировая космонавтика добилась поразительных успехов и оказала громадное влияние на развитие астрономии, электроники, биологии и других наук. Космическая техника уже сейчас имеет огромное практическое значение. Проникнув в космос, человек не только получил возможность лучше изучить свою колыбель – Землю, но и сделал первый шаг на пути освоения всей Солнечной системы.
Источник