Путешествие к далеким мирам
Шрифт:
Во втором разделе приводятся основные формулы, определяющие законы движения тела в поле тяготения другого тела, то есть формулы небесной механики, преобразованные для решения задач астронавтики. Эти формулы позволяют решать задачи, связанные с полетом межпланетного корабля — находить траекторию его движения, величину скорости в различные моменты времени, продолжительность полета. Такие сведения нужны, прежде всего, штурману межпланетного корабля.
Наконец, в третьем разделе сообщаются основные сведения из области астрономии, нужные астронавту, прежде всего, для характеристики возможных целей его будущих полетов — планет солнечной системы и их спутников, а также некоторых
В наиболее важных случаях формулы даются с выводами, если они не требуют использования высшей математики. Это должно помочь лучшему усвоению физической закономерности, описываемой данной формулой.
Приводятся также примеры, иллюстрирующие применение формул.
Раздел первый
ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ РЕАКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ И РЕАКТИВНОЙ ТЕХНИКИ
I. ФОРМУЛА ЦИОЛКОВСКОГО — ОСНОВНОЙ ЗАКОН РЕАКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ (РАКЕТОДИНАМИКИ)
Формула служит для определения скорости ракеты.
В этой формуле
V— конечная скорость ракеты, которую она приобретает после выработки всего имеющегося на ней топлива. При этом полет ракеты считается происходящим в пространстве, в котором нет среды, оказывающей сопротивление полету, то есть атмосферы, и не действуют силы тяготения. Такое условное пространство Циолковский называл свободным. Эти условия существуют в мировом пространстве на достаточном удалении от звезд;
С— скорость истечения газов из сопла ракетного двигателя. Величины С и V должны исчисляться в одинаковых единицах; обычно такой единицей является м/секили км/сек;
M нач. — начальная, или взлетная, масса ракеты, то есть ее масса до запуска двигателя (с полным запасом топлива);
M кон. — конечная масса ракеты, то есть ее масса после остановки двигателя из-за выработки всего топлива, находившегося на ракете. Значит,
( Мтопл. — масса топлива, запасенного на ракете перед стартом).
В литературе можно встретить и другие выражения для этой формулы, вытекающие из приведенной выше:
(m — отношение масс,
часто это отношение называют «числом Циолковского»);
(In — натуральный логарифм);
(е — 2,71828… основание натуральных логарифмов).
Иногда вводится понятие относительного запаса топлива T, показывающего, какая часть взлетного
1. Скорость истечения газов из двигателя равна 2,5 км/сек, необходимая конечная скорость ракеты 15 км/сек. Каковы должны быть отношение начальной и конечной масс ракеты и относительный запас топлива на ракете?
Воспользуемся формулой V = 2,3· C·lg m.
15 = 2,3·2,5·lg m; lg m = 2,6; m400.
то есть вес топлива составляет 99,75 процента взлетного веса ракеты.
Такую ракету построить нельзя.
2. Отношение масс ракеты m= 10. Какова должна быть скорость истечения газов, чтобы ракета достигла скорости 8 км/сек?
Воспользуемся формулой V = 2,3· C·lg m.
Такую скорость истечения можно получить с помощью высококалорийных топлив.
II. ФОРМУЛА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЕЧНОЙ СКОРОСТИ СОСТАВНОЙ (МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ) РАКЕТЫ
Если составная ракета состоит из nступеней, а скорость истечения газов из двигателей всех ступеней одинакова и равна С, то конечная скорость последней ( n– й) ступени
где m 1· m 2… m n — отношения масс отдельных ступеней ракеты (1-й, 2-й… n– й), представляющие собой отношение начальной массы каждой ступени (включающей массу всех последующих ступеней в качестве полезной нагрузки) к этой же массе за вычетом массы топлива, запасенного на данной ступени.
Допустим, что ракета состоит из двух ступеней со следующими весовыми данными:
1-я ступень: вес ракеты — 2000 кг, вес топлива — 8000 кг;
2-я ступень: вес ракеты — 400 кг, вес топлива — 1600 кг.
Скорость истечения газов из двигателей обеих ступеней одинакова и равна С = 2500 м/сек.
Какова будет конечная скорость второй ступени ракеты?