Механика

Орбита - путь корабля

Путь космического аппарата - орбита (когда он движется вокруг Земли) или трасса (когда он летит к планетам). В том и другом случае направление движения задается ему в течение нескольких минут, когда работают двигатели ракеты-носителя. В эти считанные минуты аппарат набирает высоту и нужную конечную скорость. Дальнейший многосуточный полет происходит с выключенным двигателем по законам небесной механики, под воздействием сил притяжения Солнца и планет. Часто космический аппарат отделяется от последней ступени ракеты-носителя и совершает полет самостоятельно, располагая лишь небольшими двигателями для стабилизации и ориентации в пространстве, для коррекции траектории и торможения при посадке.

Чтобы вывести аппарат на орбиту искусственного спутника Земли, направить его к Луне или Марсу, необходимо точно рассчитать траекторию движения и обеспечить ракете-носителю строго расчетную скорость. Успех всего полета решается на активном участке. Поэтому правильный расчет активного участка является главным, определяющим.

Для того чтобы спутник стал спутником, а космический корабль достиг Луны или Марса, надо к моменту окончания работы двигателей ракет-носителей вывести аппараты в строго определенные точки пространства над поверхностью Земли, сообщив им точно рассчитанные по размеру и направлению скорости.

Несоблюдение этих условий обрекает полет на неудачу. Например, аппарат не достигнет Луны при отклонении скорости ракеты в конце активного участка всего на несколько метров в секунду или направления на десятую долю градуса.

Для определения скорости ракеты пользуются формулой Циолковского. Однако эта формула представляет собой уравнение движения ракеты в свободном пространстве, где на ракету, кроме силы тяги двигателя, не действуют ни сила сопротивления воздуха, ни силы притяжения Солнца, Земли и других планет. А ведь активный участок ракеты проходит вблизи Земли, причем большая его часть в достаточно плотных слоях атмосферы. Поэтому притяжение Земли, сопротивление атмосферы уменьшают ее скорость. Чтобы вычислить скорость ракеты, необходимо знать ее массу, размеры, форму, а также время, в течение которого ракета будет набирать скорость. При решении этой задачи приходится иметь дело с непрерывно изменяющимися величинами: по мере расходования топлива меняется масса ракеты, происходит отделение отработавших ступеней, все время увеличивается скорость, а с высотой изменяется плотность атмосферы.

Русский ученый Иван Всеволодович Мещерский разработал основы механики тел переменной массы и составил уравнение движения точки переменной массы в общем случае. По этому уравнению и производится расчет активного участка полета ракеты. Для каждого момента времени вычисляются силы, действующие на ракету: по равнодействующей всех сил - ускорение, а по ускорению - увеличение скорости за определенный отрезок времени. При этом приходится иметь дело, во-первых, с тягой двигателя, во-вторых, с силой сопротивления воздуха и, наконец, с силой тяжести, действующей на ракету. Между этими силами, образно говоря, идет борьба: тяга двигателя влечет ракету вперед, сопротивление воздуха препятствует ее движению, а сила тяжести тянет ракету вниз. В полете значения этих сил изменяются. Меняется и направление их действия.

Расчет свободного полета ракеты в космическом пространстве производится по законам небесной механики, как движение любого небесного тела. Расчет траектории ракеты - задача чрезвычайно сложная и трудоемкая. А так как обычно выбирают наиболее выгодный вариант полета, то приходится производить расчеты многих траекторий. На помощь ученым пришли электронно-вычислительные машины.