Ускорение в космосе

Содержание
  1. Рф готовит для космоса принципиально новые двигатели
  2. Магия удельного импульса
  3. Первое крыло — высокий удельный импульс
  4. Второе крыло — энергетическая установка
  5. Космические скорости Разное Первая космическая скоростьВторая космическая скоростьТретья космическая скоростьЧетвёртая и пятая космическая скоростиЛюбой предмет, будучи подброшенным вверх, рано или поздно оказывается на земной поверхности, будь то камень, лист бумаги или простое перышко. В то же время, спутник, запущенный в космос полвека назад, космическая станция или Луна продолжают вращаться по своим орбитам, словно на них вовсе не действует сила притяжения нашей планеты. Почему так происходит?На нашей Земле всемирное тяготение воздействует на любое материальное тело. Тогда логично будет предположить, что есть некая сила, нейтрализующая действие гравитации. Эту силу принято называть центробежной.Центробежную силу легко ощутить привязав на один конец нитки небольшой груз и раскрутив его по окружности. При этом чем больше скорость вращения тем сильнее натяжение нити, а чем медленнее вращаем мы груз тем больше вероятность, что он упадет вниз.Траектория полета космических кораблейТаким образом мы вплотную приблизились к понятию «космическая скорость». Простыми словами — это скорость, позволяющая любому объекту преодолеть тяготение небесного тела и их системы. Космические скорости используются для характеристики типа движения космического аппарата в сфере действия небесных тел: Солнца, Земли и Луны, других планет и их естественных спутников, а также астероидов и комет.Это также значит, что космическая скорость есть у каждого объекта, который движется по орбите. Размер и форма орбиты космического объекта зависят от величины и направления скорости, которую данный объект получил на момент выключения двигателей, и высоты, на которой произошло данное событие. Космическая скорость (первая v1, вторая v2, третья v3 и четвёртая v4) — это минимальная скорость, при которой какое-либо тело в свободном движении сможет: v1 — стать спутником небесного тела (то есть способность вращаться по орбите вокруг небесного тела и не падать на его поверхность);v2 — преодолеть гравитационное притяжение небесного тела и начать двигаться по параболической орбите;v3 — покинуть при запуске планету, преодолев притяжение Звезды;v4 — при запуске из планетной системы объект покинул Галактику. Космические скорости могут быть рассчитаны для любого удаления от центра Земли. Однако в космонавтике часто используются величины, рассчитанные конкретно для поверхности шаровой однородной модели Земли радиусом 6371 км.Первая космическая скорость Первая космическая скорость или Круговая скорость V1 — скорость, которую необходимо придать объекту без двигателя, пренебрегая сопротивлением атмосферы и вращением планеты, чтобы вывести его на круговую орбиту с радиусом, равным радиусу планеты.Иными словами, первая космическая скорость — это минимальная скорость, при которой тело, движущееся горизонтально над поверхностью планеты, не упадёт на неё, а будет двигаться по круговой орбите.Формула где G — гравитационная постоянная (6,67259·10−11 м³·кг−1·с−2), — первая космическая скорость. Подставляя численные значения (для Земли M = 5,97·1024 кг, R = 6 378 км), найдем7,9 км/сПервую космическую скорость можно определить через ускорение свободного падения — Вторая космическая скоростьВторая космическая скорость (параболическая скорость, скорость убегания) — наименьшая скорость, которую необходимо придать объекту (например, космическому аппарату), масса которого пренебрежимо мала относительно массы небесного тела (например, 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 она своя для каждого небесного тела (для каждой планеты) и является его характеристикой: для Земли вторая космическая скорость равна 11,2 км/с. Тело, имеющее около Земли такую скорость, покидает окрестности Земли и становится спутником Солнца.для Солнца вторая космическая скорость составляет 617,7 км/с.для Луны скорость убегания равна 2,4 км/с, несмотря на то, что в действительности для удаления тела на бесконечность с поверхности Луны необходимо преодолеть притяжение Земли, Солнца и Галактики. Параболической вторая космическая скорость называется потому, что тела, имеющие вторую космическую скорость, движутся по параболе.ФормулаДля получения формулы второй космической скорости удобно обратить задачу — спросить, какую скорость получит тело на поверхности планеты, если будет падать на неё из бесконечности. Очевидно, что это именно та скорость, которую надо придать телу на поверхности планеты, чтобы вывести его за пределы её гравитационного влияния . Третья космическая скоростьТретья космическая скорость — минимально необходимая скорость тела без двигателя, позволяющая преодолеть притяжение Солнца и в результате уйти за пределы Солнечной системы. Только на космических кораблях, которым доступны такие скорости, принципиально могут быть осуществлены пилотируемые межзвёздные перелёты к планетным системам других звёзд.Взлетая с поверхности Земли и наилучшим образом используя орбитальное движение планеты космический аппарат может достичь третей 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.Здесь для расчёта предполагается, что космический аппарат приобретает эту скорость сразу на поверхности Земли и после этого не получает негравитационного ускорения (двигатели выключены и сопротивление атмосферы отсутствует). Если к тому же учесть притяжение других планет, которое может как ускорить, так и притормозить аппарат, то диапазон возможных значений 3-й космической скорости станет еще больше.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.Четвёртая и пятая космическая скоростиЧетвёртая космическая скорость — минимально необходимая скорость тела без двигателя, позволяющая преодолеть притяжение галактики Млечный Путь. Она используется довольно редко. Четвёртая космическая скорость не постоянна для всех точек Галактики, а зависит от расстояния до центральной массы.Для нашей галактики таковой является объект Стрелец A*, сверхмассивная чёрная дыра.По грубым предварительным расчётам в районе нашего Солнца четвёртая космическая скорость составляет около 550 км/с. Значение сильно зависит не только (и не столько) от расстояния до центра галактики, а от распределения масс вещества по Галактике, о которых пока нет точных данных, ввиду того что видимая материя составляет лишь малую часть общей гравитирующей массы, а все остальное — скрытая масса.Ещё реже в некоторых источниках встречается понятие «пятая космическая скорость». Это скорость, позволяющая добраться до иной планеты звездной системы вне зависимости от разности плоскостей эклиптики планет. Например, для Солнечной системы и, конкретно, для Земли, чтобы орбита межпланетного перелета была перпендикулярной к земной орбите, нужна скорость запуска 43,6 километра в секунду. Источникиhttps://ru.wikipedia.org/wiki/Космическая_скорость https://mirznanii.com/a/9233/kosmicheskie-skorosti http://www.astronet.ru/db/msg/1162252 https://.ru/article/54389/kosmicheskaya-skorost
  6. Первая космическая скорость
  7. Формула
  8. Вторая космическая скорость
  9. Третья космическая скорость
  10. Четвёртая и пятая космическая скорости
  11. Источники
  12. Насколько быстрым и безопасным может быть космический полет для людей?
  13. Борьба с перегрузками
  14. Прямо в космос
  15. Космические путешествия нового поколения
  16. Энергичный град
  17. Быстрее света
  18. Обреченные бежать за светом

Рф готовит для космоса принципиально новые двигатели

Ускорение в космосе

Исполнительный директор Роскосмоса по перспективным программам и науке Александр Блошенко заявил, что для скоростных перемещений человечества в космосе потребуется разработка двигателей, основанных на новых физических принципах. О чём идёт речь, какими будут космические двигатели будущего и какие разработки на эту тему ведутся в России и в мире?

Начать придется издалека, с самой простой теории.

Наша планета, Земля — удобное место для жизни, но и столь же неудобное для начала космической экспансии.

Дело в том, что среди планет земной группы Земля имеет самое высокое ускорение свободного падения.

С одной стороны, это позволяет нашей планете удерживать возле себя плотную атмосферу, но с другой — создаёт неудобный гравитационный «колодец», выход из которого на орбиту стоит немалых усилий.

Из-за наличия такого колодца, того самого притяжения Земли, для стартовых ракетных двигателей очень важным становится параметр отношения реактивной тяги двигателей к массе всей ракеты. Именно поэтому для стартов с поверхности Земли мы до сих пор используем ракеты на химическом топливе.

Да, неэффективно, но зато тяги получается вполне достаточно, чтобы вытолкнуть космический аппарат на орбиту, за пределы атмосферы Земли. А вот масса очень интересных двигателей — ионных, плазменных, солнечных парусов, которые имеют очень хорошие характеристики для работы в открытом космосе, совсем не годятся для старта с планеты.

Они просто не могут вытащить нас из земного гравитационного колодца. Тяга их слишком слаба для того, чтобы поднять корабль на орбиту.

[attention type=yellow]

Поэтому большинство современных или гипотетических двигательных систем для космических кораблей делятся на две большие категории: либо экономичные и слабосильные — для космоса, либо мощные и прожорливые — для старта.

[/attention]

В мире космических ракет экономичный и эффективный двигатель означает высокое значение удельного импульса и высокую скорость истечения реактивной массы.

И это — ключевое понятие для понимания всей проблематики создания новых космических двигателей, на новых физических принципах.

Магия удельного импульса

Удельный импульс двигателя — это, можно сказать «святой Грааль» космического двигателестроения. Измеряется удельный импульс в метрах в секунду и его физический смысл прост — это скорость истечения рабочего тела. От чего, в свою очередь, прямо зависит и скорость космического корабля.

Фраза о «рабочем теле» вместо «продуктов сгорания» химического двигателя взялась неслучайно — во многих космических двигателях ничего не горит, а кинетическая энергия и импульс «закачиваются» в рабочее тело иными способами. Например, в ионном или плазменном двигателе рабочее тело разгоняется в электромагнитном поле.

А в солнечном парусе импульс и вовсе передаётся в обратную сторону — от фотонов солнечного ветра на конструкции паруса, закреплённого на космическом корабле.

Чем выше удельный импульс двигателя — тем большее приращение скорости можно получить за счёт эквивалентного количества рабочего тела. А рабочее тело, напомним, нам надо каким-то образом ещё вывести на околоземную орбиту вместе с космическим кораблём.

Ну — или добыть на какой-нибудь негостеприимной Луне, Марсе или астероидах, тоже с немалыми затратами.

Приращение космических скоростей обозначают символом Dv и считают в его балансе как ускорения, так и торможения — ведь на каждое из таких действий в космосе требуется расходы рабочего тела.

Удельный импульс лучших кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей, которые пригодны для старта с Земли, составляет около 4500 м/с.

[attention type=red]

Кажущаяся громадной цифра скорости истечения (без малого в 4,5 километра в секунду) оказывается предельно скромной для обеспечения выхода гравитационного колодца Земли — ракета буквально «выползает» на орбиту, да ещё и сбрасывая ступени.

[/attention]

Напомним, огромная американская лунная ракета «Сатурн-5» при стартовой массе в 3000 тонн выводила на орбиту всего лишь 140 тонн полезной нагрузки, менее 5% от своего общего веса. А к Луне получалось отправить и того меньше — всего около 65 тонн.

Ещё печальнее становилась ситуация, если на химических двигателях просчитывали полёт куда-то дальше, чем Луна, например, к Марсу.

Когда американцы в 1960 годах посчитали стоимость полёта на Марс на химическом топливе, они ужаснулись.

Получалось, что от Земли надо стартовать кораблём массой в 4 000 тонн, для вывода которого на околоземную орбиту потребуется минимум 40 ракет, эквивалентных «Сатурну-5».

Немного улучшить ситуацию могли ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Разработки, проведенные в СССР и США в 1960 годах показали, что ЯРД могут иметь удельный импульс в пределе 8500-9500 м/с — вдвое больше, чем у лучших ЖРД.

Но даже уникальный ЯРД не обеспечивал настоящего освоения Марса — на орбите Земли пришлось бы всё равно собирать громадного «марсианского монстра» весом больше 1200 тонн, а результатом бы была двухлетняя экспедиция на Марс трёх космонавтов, причём на Марсе они бы провели всего 30 суток.

Так что, всё, Марс недостижим? Нет, не так. Ведь ЯРД — отнюдь не рекордсмен в части величины удельного импульса, а разгонятся к Марсу или другим планетам можно медленно и не спеша. Но в итоге получить впечатляющую скорость перелёта и прилететь даже быстрее корабля с ЯРД.

Первое крыло — высокий удельный импульс

Несмотря на то, что скорость истечения рабочего тела у ЯРД всего лишь вдвое превосходила лучшие ЖРД, поднять её выше уже было практически невозможно. Всё дело в том, что и в ЖРД, и в ЯРД скорость истечения задаётся температурой рабочего тела, а обеспечить дополнительный нагрев внутри корпуса ЯРД было нереально — разрушался сам реактор, который не мог нагреваться выше 3000 градусов К.

Разумным решением, которое напрашивалось для совершенствования ЯРД, стало разделение процессов получения энергии и последующего нагрева рабочего тела. Вместо прямого теплообмена с нагретыми конструкциями реактора рабочее тело решили греть с использованием промежуточного носителя энергии — электричества.

В силу этого, уже начиная с начала 1970 годов усилия конструкторов пошли по двум независимым направлениям. С одной стороны, началось конструирование максимально эффективных, высокоимпульсных космических двигателей.

С другой стороны — стартовала разработка столь же компактных и мощных источников электрической энергии на борту космического корабля.

[attention type=green]

Наиболее доведенными высокоимпульсными космическими двигателями пока что являются ионные.

[/attention]

Им сегодня принадлежит рекорд ускорения космических аппаратов в открытом космосе: ещё в 1998 году ионные двигатели смогли ускорить аппарат Deep Space-1 массой в 374 килограмма на Dv, равную 4,3 км/c, потратив на эту операцию всего лишь 74 килограмма ксенона. Аналогичное приращение Dv, если бы его пришлось обеспечивать за счёт химического топлива, потребовало бы разгонного блока весом в добрую тонну.

Однако у ионных двигателей есть и неустранимое слабое место — электроды двигателя находятся внутри потока высокотемпературной плазмы, что ограничивает его ресурс. Сегодня лучшие образцы ионных двигателей работали в космосе не более трёх лет и не более пяти лет на земных стендах. Кроме того, конструкция с погружёнными в плазму электродами ограничивает скорость истечения рабочего тела в пределе 20-40 км/c. Увеличить её затруднительно по тем же причинам — электроды разрушатся ещё быстрее. Самый совершенный ионный двигатель NEXT в арсенале НАСА на сегодняшний день имеет удельный импульс, равный 41,9 км/c. Но за такие рекордные параметры ионным двигателям приходится платить малой тягой — NEXT обеспечивает лишь 327 мН (32,7 грамма тяги) при потребляемой мощности в 7,7 кВт.

Справедливые надежды возлагаются на ещё одну разработку — двигатель VASIMR, магнитоплазменный двигатель с изменяющимся удельным импульсом.

Внутри VASIMR плазму, которая выступает в качестве рабочего тела, помещают в магнитную ловушку, которая не позволяет плазме соприкасаться с конструкциями двигателя и разрушать их за счёт высокой температуры.

Разработки VASIMR ведутся в США уже более 20 лет и за это время были достигнуты впечатляющие успехи.

В августе 2019 года очередной прототип VX-200SS продемонстрировал тягу в 5,4 Н (540 грамм тяги) на мощности в 200 кВт и при удельном импульсе в диапазоне от 50 до 300 км/c, на порядок больше ионных двигателей.

Такой импульс в идеале позволит с помощью VASIMR добраться до Марса всего лишь за 39 дней вместо 250 суток, как в случае использования ЖРД или ЯРД.

Но для этого, конечно, тяга плазменных двигателей должна измеряться сотнями килограмм, а не сотнями грамм. Впечатляющим должен быть и источник электричества на борту такого гипотетического марсианского корабля — он должен иметь мощность около 200 МВт.

Второе крыло — энергетическая установка

Немалые электрические «аппетиты» ионных и особенно плазменных двигателей наглядно можно показать на примере VASIMR. Достаточно небольшой плазменный двигатель VX-200SS давно хотят отправить для испытаний на МКС.

Если установить его на станцию, то можно радикально сократить расходы на постоянные усилия по поддержанию орбиты МКС.

Ведь плазменный двигатель нуждается лишь в 1-2% рабочего тела по сравнению с ЖРД, что сегодня используют для подъёма орбиты МКС.

Но установить VASIMR на МКС оказалось отнюдь не просто.

Вся доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, хотя станция сегодня обладает самой внушительной площадью солнечных батарей и является самым энергетически мощным объектом человечества в космосе.

Поэтому в проект МКС-VASIMR включили ещё целую дополнительную систему солнечных батарей, которая будет часами накапливать энергию на 15-минутные циклы включений плазменного двигателя.

Следующий, напрашивающийся шаг после испытаний на МКС — это использование VASIMR для целей орбитального буксира.

[attention type=yellow]

Например, если мы хотели бы достичь Луны за короткий промежуток времени, сопоставимый с временем полёта миссии «Аполлон» к Луне, то такой космический буксир требовал бы 5 двигателей VХ-200, потребляющих уже около 1,5 МВт электроэнергии.

[/attention]

Чтобы проделать такую же работу, как третья ступень «Сатурна-5», сжигавшая 60 тонн кислорода и водорода на пути к Луне, такой буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Однако получить 1,5 МВт электроэнергии за счёт солнечных батарей — это пока что очень сложная задача.

Для получения 1,5 МВт электроэнергии буксиру надо иметь около 5000 м² солнечных панелей, что составляет квадрат со стороной в 71 метр, гораздо больше любых существующих конструкций, включая МКС.

И вот здесь как раз и может сыграть роль опыт России в создании космических ядерных энергетических установок.

Ещё в 2009 году Роскосмосом была начата программа создания транспортно-энергетического модуля, ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) которого должна была обеспечивать около 1 МВт электрической мощности, чего бы хватило не только для околоземного, но и в перспективе — для лунного буксира.

За прошедший период времени был выполнен значительный объём уникальных работ по конструкции космического ядерного реактора. Были созданы уникальные ионные двигатели ИД-500, чьи параметры оказались не хуже разработок НАСА.

При мощности в 32-35 кВт российские двигатели ИД-500 обеспечили тягу в 375-750 мН и удельный импульс в 71 км/с.

К сожалению, в конце апреля 2020 года Роскосмос заявил, что приостанавливает создание космического буксира с ядерным двигателем из-за недостроенного стенда для его испытаний.

[attention type=red]

Формально виноватым был назначен ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», который не смог обеспечить постройку испытательного стенда, где можно было бы проверить работоспособность действующего макета ЯЭДУ в условиях вакуума.

[/attention]

Пока что дальнейшая судьба уникальных российских разработок неизвестна, хотя ещё в январе 2020 года транспортно-энергетический модуль с ЯЭДУ фигурировал в презентации первого заместителя генерального директора Роскосмоса, Юрия Урличича.

Представленный на «Королёвских чтениях» доклад сообщал о планах запустить в 2030 году на орбиту космический ядерный буксир для проведения его летных испытаний.

Насколько декларации Урличича и Блошенко соотносятся с реальными действиями представляемого ими Роскосмоса — вопрос открытый.

Да, человечеству нужна новая космическая скорость. Да, у России есть уникальные наработки. И только от руководителей космической отрасли России зависит, насколько быстро все эти разработки воплотятся в новую реальность. В ту самую «птицу-феникс», которая домчит людей и до Луны, и до Марса, и даже дальше.

Источник: https://news.rambler.ru/tech/44179218-rossiya-gotovit-printsipialno-novye-dvigateli-dlya-kosmicheskih-korabley/

Космические скорости Разное Первая космическая скоростьВторая космическая скоростьТретья космическая скоростьЧетвёртая и пятая космическая скоростиЛюбой предмет, будучи подброшенным вверх, рано или поздно оказывается на земной поверхности, будь то камень, лист бумаги или простое перышко. В то же время, спутник, запущенный в космос полвека назад, космическая станция или Луна продолжают вращаться по своим орбитам, словно на них вовсе не действует сила притяжения нашей планеты. Почему так происходит?На нашей Земле всемирное тяготение воздействует на любое материальное тело. Тогда логично будет предположить, что есть некая сила, нейтрализующая действие гравитации. Эту силу принято называть центробежной.Центробежную силу легко ощутить привязав на один конец нитки небольшой груз и раскрутив его по окружности. При этом чем больше скорость вращения тем сильнее натяжение нити, а чем медленнее вращаем мы груз тем больше вероятность, что он упадет вниз.Траектория полета космических кораблейТаким образом мы вплотную приблизились к понятию «космическая скорость». Простыми словами — это скорость, позволяющая любому объекту преодолеть тяготение небесного тела и их системы. Космические скорости используются для характеристики типа движения космического аппарата в сфере действия небесных тел: Солнца, Земли и Луны, других планет и их естественных спутников, а также астероидов и комет.Это также значит, что космическая скорость есть у каждого объекта, который движется по орбите. Размер и форма орбиты космического объекта зависят от величины и направления скорости, которую данный объект получил на момент выключения двигателей, и высоты, на которой произошло данное событие. Космическая скорость (первая v1, вторая v2, третья v3 и четвёртая v4) — это минимальная скорость, при которой какое-либо тело в свободном движении сможет: v1 — стать спутником небесного тела (то есть способность вращаться по орбите вокруг небесного тела и не падать на его поверхность);v2 — преодолеть гравитационное притяжение небесного тела и начать двигаться по параболической орбите;v3 — покинуть при запуске планету, преодолев притяжение Звезды;v4 — при запуске из планетной системы объект покинул Галактику. Космические скорости могут быть рассчитаны для любого удаления от центра Земли. Однако в космонавтике часто используются величины, рассчитанные конкретно для поверхности шаровой однородной модели Земли радиусом 6371 км.Первая космическая скорость Первая космическая скорость или Круговая скорость V1 — скорость, которую необходимо придать объекту без двигателя, пренебрегая сопротивлением атмосферы и вращением планеты, чтобы вывести его на круговую орбиту с радиусом, равным радиусу планеты.Иными словами, первая космическая скорость — это минимальная скорость, при которой тело, движущееся горизонтально над поверхностью планеты, не упадёт на неё, а будет двигаться по круговой орбите.Формула где G — гравитационная постоянная (6,67259·10−11 м³·кг−1·с−2), — первая космическая скорость. Подставляя численные значения (для Земли M = 5,97·1024 кг, R = 6 378 км), найдем7,9 км/сПервую космическую скорость можно определить через ускорение свободного падения — Вторая космическая скоростьВторая космическая скорость (параболическая скорость, скорость убегания) — наименьшая скорость, которую необходимо придать объекту (например, космическому аппарату), масса которого пренебрежимо мала относительно массы небесного тела (например, 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 она своя для каждого небесного тела (для каждой планеты) и является его характеристикой: для Земли вторая космическая скорость равна 11,2 км/с. Тело, имеющее около Земли такую скорость, покидает окрестности Земли и становится спутником Солнца.для Солнца вторая космическая скорость составляет 617,7 км/с.для Луны скорость убегания равна 2,4 км/с, несмотря на то, что в действительности для удаления тела на бесконечность с поверхности Луны необходимо преодолеть притяжение Земли, Солнца и Галактики. Параболической вторая космическая скорость называется потому, что тела, имеющие вторую космическую скорость, движутся по параболе.ФормулаДля получения формулы второй космической скорости удобно обратить задачу — спросить, какую скорость получит тело на поверхности планеты, если будет падать на неё из бесконечности. Очевидно, что это именно та скорость, которую надо придать телу на поверхности планеты, чтобы вывести его за пределы её гравитационного влияния . Третья космическая скоростьТретья космическая скорость — минимально необходимая скорость тела без двигателя, позволяющая преодолеть притяжение Солнца и в результате уйти за пределы Солнечной системы. Только на космических кораблях, которым доступны такие скорости, принципиально могут быть осуществлены пилотируемые межзвёздные перелёты к планетным системам других звёзд.Взлетая с поверхности Земли и наилучшим образом используя орбитальное движение планеты космический аппарат может достичь третей 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.Здесь для расчёта предполагается, что космический аппарат приобретает эту скорость сразу на поверхности Земли и после этого не получает негравитационного ускорения (двигатели выключены и сопротивление атмосферы отсутствует). Если к тому же учесть притяжение других планет, которое может как ускорить, так и притормозить аппарат, то диапазон возможных значений 3-й космической скорости станет еще больше.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.Четвёртая и пятая космическая скоростиЧетвёртая космическая скорость — минимально необходимая скорость тела без двигателя, позволяющая преодолеть притяжение галактики Млечный Путь. Она используется довольно редко. Четвёртая космическая скорость не постоянна для всех точек Галактики, а зависит от расстояния до центральной массы.Для нашей галактики таковой является объект Стрелец A*, сверхмассивная чёрная дыра.По грубым предварительным расчётам в районе нашего Солнца четвёртая космическая скорость составляет около 550 км/с. Значение сильно зависит не только (и не столько) от расстояния до центра галактики, а от распределения масс вещества по Галактике, о которых пока нет точных данных, ввиду того что видимая материя составляет лишь малую часть общей гравитирующей массы, а все остальное — скрытая масса.Ещё реже в некоторых источниках встречается понятие «пятая космическая скорость». Это скорость, позволяющая добраться до иной планеты звездной системы вне зависимости от разности плоскостей эклиптики планет.

Например, для Солнечной системы и, конкретно, для Земли, чтобы орбита межпланетного перелета была перпендикулярной к земной орбите, нужна скорость запуска 43,6 километра в секунду. Источникиhttps://ru.wikipedia.org/wiki/Космическая_скорость https://mirznanii.com/a/9233/kosmicheskie-skorosti http://www.astronet.ru/db/msg/1162252 https://.ru/article/54389/kosmicheskaya-skorost

Ускорение в космосе

Любой предмет, будучи подброшенным вверх, рано или поздно оказывается на земной поверхности, будь то камень, лист бумаги или простое перышко. В то же время, спутник, запущенный в космос полвека назад, космическая станция или Луна продолжают вращаться по своим орбитам, словно на них вовсе не действует сила притяжения нашей планеты. Почему так происходит?

На нашей Земле всемирное тяготение воздействует на любое материальное тело. Тогда логично будет предположить, что есть некая сила, нейтрализующая действие гравитации. Эту силу принято называть центробежной.

Центробежную силу легко ощутить привязав на один конец нитки небольшой груз и раскрутив его по окружности. При этом чем больше скорость вращения тем сильнее натяжение нити, а чем медленнее вращаем мы груз тем больше вероятность, что он упадет вниз.

Траектория полета космических кораблей

https://www.youtube.com/watch?v=MfEwJKxjVq0

Таким образом мы вплотную приблизились к понятию «космическая скорость». Простыми словами — это скорость, позволяющая любому объекту преодолеть тяготение небесного тела и их системы.

  Космические скорости используются для характеристики типа движения космического аппарата в сфере действия небесных тел: Солнца, Земли и Луны, других планет и их естественных спутников, а также астероидов и комет.

Это также значит, что космическая скорость есть у каждого объекта, который движется по орбите. Размер и форма орбиты космического объекта зависят от величины и направления скорости, которую данный объект получил на момент выключения двигателей, и высоты, на которой произошло данное событие.

Космическая скорость (первая v1, вторая v2, третья v3 и четвёртая v4) — это минимальная скорость, при которой какое-либо тело в свободном движении сможет:

  • v1 — стать спутником небесного тела (то есть способность вращаться по орбите вокруг небесного тела и не падать на его поверхность);
  • v2 — преодолеть гравитационное притяжение небесного тела и начать двигаться по параболической орбите;
  • v3 — покинуть при запуске планету, преодолев притяжение Звезды;
  • v4 — при запуске из планетной системы объект покинул Галактику.

Космические скорости могут быть рассчитаны для любого удаления от центра Земли. Однако в космонавтике часто используются величины, рассчитанные конкретно для поверхности шаровой однородной модели Земли радиусом 6371 км.

Первая космическая скорость

Первая космическая скорость или Круговая скорость V1 — скорость, которую необходимо придать объекту без двигателя, пренебрегая сопротивлением атмосферы и вращением планеты, чтобы вывести его на круговую орбиту с радиусом, равным радиусу планеты.

Иными словами, первая космическая скорость — это минимальная скорость, при которой тело, движущееся горизонтально над поверхностью планеты, не упадёт на неё, а будет двигаться по круговой орбите.

Формула

где   G — гравитационная постоянная (6,67259·10−11 м³·кг−1·с−2), — первая космическая скорость. Подставляя численные значения (для Земли M = 5,97·1024 кг, R = 6 378 км), найдем

7,9 км/с

Первую космическую скорость можно определить через ускорение свободного падения —

Вторая космическая скорость

Вторая космическая скорость (параболическая скорость, скорость убегания) — наименьшая скорость, которую необходимо придать объекту (например, космическому аппарату), масса которого пренебрежимо мала относительно массы небесного тела (например, 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 она своя для каждого небесного тела (для каждой планеты) и является его характеристикой:

  • для Земли вторая космическая скорость равна 11,2 км/с. Тело, имеющее около Земли такую скорость, покидает окрестности Земли и становится спутником Солнца.
  • для Солнца вторая космическая скорость составляет 617,7 км/с.
  • для Луны скорость убегания равна 2,4 км/с, несмотря на то, что в действительности для удаления тела на бесконечность с поверхности Луны необходимо преодолеть притяжение Земли, Солнца и Галактики.

Параболической вторая космическая скорость называется потому, что тела, имеющие вторую космическую скорость, движутся по параболе.

Третья космическая скорость

Третья космическая скорость — минимально необходимая скорость тела без двигателя, позволяющая преодолеть притяжение Солнца и в результате уйти за пределы Солнечной системы.

Только на космических кораблях, которым доступны такие скорости, принципиально могут быть осуществлены пилотируемые межзвёздные перелёты к планетным системам других звёзд.

Взлетая с поверхности Земли и наилучшим образом используя орбитальное движение планеты космический аппарат может достичь третей 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.

Здесь для расчёта предполагается, что космический аппарат приобретает эту скорость сразу на поверхности Земли и после этого не получает негравитационного ускорения (двигатели выключены и сопротивление атмосферы отсутствует).  Если к тому же учесть притяжение других планет, которое может как ускорить, так и притормозить аппарат, то диапазон возможных значений 3-й космической скорости станет еще больше.

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.

Четвёртая и пятая космическая скорости

Четвёртая космическая скорость — минимально необходимая скорость тела без двигателя, позволяющая преодолеть притяжение галактики Млечный Путь. Она используется довольно редко.

Четвёртая космическая скорость не постоянна для всех точек Галактики, а зависит от расстояния до центральной массы.

Для нашей галактики таковой является объект Стрелец A*, сверхмассивная чёрная дыра.

По грубым предварительным расчётам в районе нашего Солнца четвёртая космическая скорость составляет около 550 км/с.

Значение сильно зависит не только (и не столько) от расстояния до центра галактики, а от распределения масс вещества по Галактике, о которых пока нет точных данных, ввиду того что видимая материя составляет лишь малую часть общей гравитирующей массы, а все остальное — скрытая масса.

Ещё реже в некоторых источниках встречается понятие «пятая космическая скорость».

Это скорость, позволяющая добраться до иной планеты звездной системы вне зависимости от разности плоскостей эклиптики планет.

Например, для Солнечной системы и, конкретно, для Земли, чтобы орбита межпланетного перелета была перпендикулярной к земной орбите, нужна скорость запуска 43,6 километра в секунду.

Источники

Источник: https://asteropa.ru/kosmicheskie-skorosti/

Насколько быстрым и безопасным может быть космический полет для людей?

Ускорение в космосе

Мы, люди, одержимы скоростью. Не так давно появились новости о том, что студенты в Германии побили рекорд самого быстрого электромобиля и ВВС США планирует разработку гиперзвукового самолета, который сможет двигаться в пять раз быстрее скорости звука — быстрее 6100 км/ч.

Эти самолеты будут перевозить не людей — но не потому, что люди не могут путешествовать с такой высокой скоростью. На самом деле люди уже двигались со скоростью, превышающей 5 махов.

Существует ли какой-нибудь предел, за которым наше тело уже не сможет выдержать нагрузку скорости? Текущий рекорд скорости держится уже 46 лет. Когда он будет побит?

Нынешний рекорд скорости, с которой двигался человек, принадлежит тройке космонавтов миссии «Аполлон-10».

Возвращаясь на Землю после облета Луны в 1969 году, капсула астронавтов разогналась до 24 790 км/ч относительно планеты Земля.

«Думаю, сто лет назад мы и представить себе не могли, что человек может двигаться в космосе со скоростью почти в 40 000 км/ч», — говорит Джим Брей из аэрокосмической компании Lockheed Martin.

Но этот рекорд мы можем побить относительно скоро. Брей является директором экипажа проекта модуля «Орион» для американского космического агентства NASA. Космический аппарат «Орион» предназначен для перевозки астронавтов на низкую орбиту Земли и имеет хорошие шансы побить 46-летний рекорд самого быстрого путешествия.

[attention type=green]

Space Launch System (SLS), новая ракета, которая будет перевозить аппарат «Орион», совершит первые миссии с экипажем в 2012 году — облет астероида, захваченного на лунной орбите — с прицелом на многомесячную миссию на Марс в ближайшем будущем. В настоящее время дизайнеры представляют типичную максимальную скорость для «Ориона» в 32 000 км/ч. Но рекорд скорости «Аполлона-10» может быть превзойден, даже если придерживаться базовой конфигурации «Ориона».

[/attention]

«Орион» предназначен для самых разных целей, его скорость может быть намного выше, чем мы планируем сейчас».

И все же даже «Орион» не сможет представить наш полный скоростной потенциал. «Нет никакого практического предела скорости нашего путешествия, разве только скорости света», — говорит Брей. Свет движется со скоростью в миллиард километров в час.

Сможем ли мы безопасно преодолеть разрыв от 40 000 км/ч до такой скорости?

К нашему удивлению, скорость — то есть быстрота перемещения — сама по себе не является для нас физической проблемой, пока остается относительно постоянной в одном направлении.

В теории люди могут — только могут и только в теории — путешествовать со скоростью чуть ниже вселенского ограничения скорости: скорости света.

Если допустить, что мы сможем преодолеть известные технологическе ограничения и построить быстрые космические аппараты, нашим хрупким водянистым телам придется иметь дело с новыми опасностями, которые вытекают из таких высокоскоростных путешествий. Возможные опасности могут появиться, если люди освоят путешествия быстрее скорости света, совершив потрясающую парадигму открытия или найдя лазейки в текущем физическом стане.

Борьба с перегрузками

Если мы разгоняемся до 40 000 км/ч, ускорение должно происходить постепенно. Быстрое ускорение и торможение могут быть смертельными для человеческого организма: телесные травмы во время дорожных катастроф появляются в процессе мгновенного падения скорости с десятков километров в час до нуля за доли секунды.

Какова причина? Свойство Вселенной, известное как инерция, в результате которой объект с массой сопротивляется изменению состояния движения.

Эта идея была выражена еще в первом законе движения Ньютона так: объект в состоянии покоя остается в состоянии покоя, и объект в движении пребывает в движении с той же скоростью и в том же направлении, пока на него не воздействуют внешние силы.

«Для человеческого тела постоянство — это хорошо, — объясняет Брей. — Переживать стоит только об ускорении».

Примерно век назад изобретение самолета, который может маневрировать на скорости, привело к тому, что пилоты стали сообщать о странных симптомах, сопровождающих изменения скорости и направления.

Они включали временную потерю зрени и ощущения невесомости или дезориентации. Причиной были G-силы, гравитационные силы, G.

Одна G равна притяжению земной гравитации к центру планеты, примерно 9,8 метра в секунду в квадрате (на уровне моря).

G-силы оказывают влияние вертикально, с головы до пят, или наоборот, и это может быть очень неудобно для пилотов и пассажиров. Кровь в ногах, которая испытывает влияние гравитационной силы, приливает к голове, когда мы делам вертикальную стойку. Глаза и веки наливаются кровью и пытаются вывалиться из орбит.

[attention type=yellow]

И наоборот, когда ускорение свободного падения отрицательное, глаза и мозг испытывают нехватку кислорода, поскольку кровь собирается в нижних конечностях. Зрение затуманивается, становится серым, после чего может наступить полная потеря зрения, «затемнение». Высокая перегрузка может привести к обмороку, потере сознания, вызванной перегрузкой.

[/attention]

Очень много пилотов погибло из-за невозможности видеть и последующего падения.

В такой центрифуге готовят пилотов к полетам

Среднестатистический человек может выдержать высокую перегрузку в 5 G с головы до пят, после чего отрубится.

Пилоты, носящие специальные костюмы и натренированные напрягать мышцы торса так, чтобы кровь не утекала из головы слишком быстро, могут управлять самолетом при 9 G.

«В течение коротких периодов тело человека может переносить нагрузки выше 9 G, — говорит Джефф Свентек, исполнительный директор Аэрокосмической медицинской ассоциации в Александрии, Вирджиния. — Но выдерживать их в течение долгого времени могут далеко не все».

Если на совсем уж короткие моменты, мы, люди, можем перетерпеть перегрузку намного выше, особо не пострадав. Рекорд мгновенной перегрузки принадлежит Элаю Бидингу-младшему, капитану американских ВВС.

Он ехал задом наперед на санях с ракетных двигателем в 1958 году и принял на грудь (буквально) нагрузку в 82,6 G, когда сани разогнались до 55 км/ч за одну десятую секунды.

Бидинг вырубился, но отделался лишь синяками на спине, продемонстрировав невероятные возможности организма.

Прямо в космос

В зависимости от транспорта, астронавты также переживали довольно высокие перегрузки — от 3 до 8 во время взлета и входа в атмосферу соответственно.

Эти перегрузки, как правило, представлены давлением силы тяжести спереди назад, благодаря разумной практике привязывания космических путешественников к сиденьям, лицом ориентированным в направлении движения.

[attention type=red]

Как только аппарат набирает скорость в 26 000 км/ч на орбите, астронавты ощущают свою скорость не больше, чем пассажиры коммерческого авиалайнера.

И если G-силы не будут особой проблемой для длительных миссий «Ориона», небольшие космические камешки — микрометеориты — вполне могут быть.

[/attention]

Эти камешки размером с зерно движутся с невероятной разрушительной скоростью в 300 000 км/ч. Чтобы защитить судно и экипаж, «Орион» обладает защитным внешним слоем толщиной в 18-30 сантиметров в зависимости от места, а также другим экранированием и умным оборудованием. «Нам лишь нужно иметь в виду, под каким углом могут попасть микрометеориты», — говорит Брей.

Микрометеориты будут не единственной помехой для будущих космических миссий, когда люди разгонятся до высоких скоростей.

В процессе марсианской миссии придется решать другие практические вопросы, включая вопрос питания экипажа и увеличения продолжительности жизней его членов вследствие радиационного воздействия.

Сокращение времени путешествия, впрочем, может смягчить эти проблемы, чем быстрее, тем лучше.

Космические путешествия нового поколения

Жажда скорости приведет нас к новым препятствиям.

Новейшие судна NASA, которые могут побить рекорд скорости «Аполлона-10», по-прежнему будут полагаться на проверенные временем двигательные системы химических ракет, используемые со времен первых космических миссий. Но у таких систем есть существенные ограничения скорости из-за низкого количества энергии, которую они выпускают на единицу топлива.

Итак, чтобы достичь более высоких скоростей для отправки людей на Марс и за его пределы, ученые ищут новые подходы. «Системы, которые у нас сейчас имеются, достаточно хороши, чтобы доставить нас туда, — говорит Брей. — Но хотелось бы увидеть революцию в сфере реактивного движения».

Эрик Дэвис, старший научный сотрудник Института перспективных исследований в Остине, описывает три наиболее перспективных способа — с применением традиционной физики — которые помогут человечеству достичь приличных межпланетных скоростей. Если коротко, это три явления с выходом энергии: распад, синтез и аннигиляция антивещества.

Первый метод заключается в расщеплении атомов, как это делается в коммерческих ядерных реакторах. Второй, синтез, соединяет атомы в более тяжелые атомы — эта реакция питает Солнце и наши надежды на появление устройств термоядерного синтеза, которые «всегда в 50 годах от нас».

«Это продвинутые технологии, — говорит Дэвис, — но используют традиционную физику и хорошо зарекомендовали себя с рассвета атомного века». Разнообразные двигательные системы на базе синтеза и распада атомов могут в теории разогнать аппарат до 10% скорости света — а это, извините, 100 000 000 км/ч.

Лучшим способом разогнать космический аппарат будет антиматерия, доппельгангер обычной материи. Когда два этих вида вещества вступают в контакт, они уничтожают друг друга с выходом чистой энергии.

Сегодня уже существуют технологии для производства и хранения (хотя и в мизерных объемах) антиматерии. Но производство антиматерии в разумных объемах потребуют дорогостоящих заводов следующего поколения, а проектирование двигателя на антивеществе будет еще дороже.

Впрочем, ученые не сидят без дела, и, как говорит Дэвис, на чертежной доске есть немало хороших проектов.

С двигателями на топливе из антивещества космический аппарат можно разгонять за месяцы или годы до очень высоких процентов скорости света, сохраняя G на приемлемом уровне для пассажиров. Но эти фантастические скорости рождают новые опасности для человеческого организма.

Энергичный град

При скорости в несколько сотен миллионов километров в час каждая пылинка в космосе, от атомов водорода до микрометеоритов, становится мощной пулей, которая устремляется в корпус аппарата.

«Когда вы движетесь с высокой скоростью, с такой же высокой скоростью движется и частица по отношению к вам», — говорит Артур Эдельштейн, занимающийся эффектами влияния атомов космического водорода на сверхбыстрые космические путешествия.

Хотя на один кубический сантиметр в космосе присутствует примерно один атом, космический водород превратится в бомбардировку интенсивной радиации. Этот водород вольется в субатомные частицы, которые будут проходить сквозь корабль, облучая экипаж и оборудование.

При скорости в 95% световой, облучение почти мгновенно станет смертельным. Корабль раскалится до температуры плавления любого мыслимого материала, а вода в телах членов экипажа моментально вскипит. «Это довольно неприятные проблемы», — едко замечает Эдельштейн.

[attention type=green]

Вместе с отцом он подсчитал, что в отсутствие гипотетического магнитного экрана, который будет отражать весь смертельный водород, звездный корабль сможет двигаться лишь в половину скорости света, не подвергая опасности членов экипажа.

[/attention]

Марк Миллис, физик двигательных систем и бывший глава программы прорывной физики реактивного движения NASA, предупреждает, что такой потенциальный предел скорости движения человека остается весьма отдаленной проблемой. «Если основываться на уже проверенной физике, скорости выше 10% световой будет очень сложно достичь, — говорит он.

— Пока мы в безопасности. С таким успехом мы должны переживать о возможности утонуть, когда даже до воды еще не добрались».

Быстрее света

Допустим, мы научились плавать, продолжая аналогию, сможем ли мы когда-нибудь покорить волны пространства-времени и начать путешествовать со сверхсветовой скоростью?

Устойчивая популярность сверхсветового движения, которая хотя и остается сугубо спекулятивной, не обходится без вспышек в темноте. Один из любопытных сценариев сверхсветового движения включает «варп-двигатель» вроде того, что был в сериале «Звездный путь».

Так называемый двигатель Алькубьерре сжимает обычное пространства-времени, описанное эйнштейновской физикой, перед космическим кораблем, расширяя его позади. В результате судно остается в куске пространства-времени — варп-пузыре, пузыре деформации — который движется быстрее скорости света.

При этом судно пребывает в состоянии покоя в обычном пространстве-времени, никак не нарушая фундаментальный предел световой скорости.

В чем подвох? Этот концепт требует экзотической формы материи, обладающей отрицательной массой, чтобы сжимать и расширять пространство-время. «Физика не запрещает отрицательную массу, — говорит Дэвис. — Но не знает таковых примеров и никогда не встречала ее в природе».

Еще один подвох: работа ученых Сиднейского университета за 2012 год показала, что варп-пузырь будет собирать высокоэнергетические космические частицы, неизбежно взаимодействуя с содержимым Вселенной. Некоторые частицы могут проникнуть в сам пузырь, облучив корабль радиацией.

Обреченные бежать за светом

Неужели мы навсегда застряли на субсветовой скорости из-за нашей хрупкой биологии? От этого ответа зависит не только возможность установления нового человеческого (или галактического) рекорда скорости, но и перспективы нашего становления межзвездным сообществом. При скорости в половину световой, которой нас ограничил Эдельштейн, путешествие к ближайшей звезде займет 16 лет.

Но Миллис дает надежду. Глядя на то, как люди изобрели костюмы для того, чтобы справиться с высокой нагрузкой гравитации, и микрометеоритное экранирование для безопасного путешествия на потрясающей скорости, можно предположить, что мы разработаем способы преодоления скоростных барьеров одного за другим.

«Если уж технологии позволят развить доселе невиданные скорости, если будущая физика обнаружит такую технологию возможной, — говорит Миллис, — все это даст нам новые, невероятные возможности защиты экипажей».

Источник: https://Hi-News.ru/eto-interesno/naskolko-bystrym-i-bezopasnym-mozhet-byt-kosmicheskij-polet-dlya-lyudej.html

Сам себе врач
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: