?

Log in

No account? Create an account

zelenyikot


Открытый космос Зеленого кота

Космос ближе, чем кажется


Previous Entry Share Next Entry
Пятая попытка
zelenyikot


В марте я опубликовал материал “Понять баллистику с четвертой попытки” где объяснил ошибочность заголовков некоторых СМИ, которые написали, что космический зонд “ЭкзоМарс” был запущен разгонным блоком “Бриз-М” с “четвертой попытки”. В описании принципов орбитальной механики я сам допустил несколько ошибочных утверждений, но с помощью читателей разобрался, и теперь рассказываю.

Многим понравилась аналогия с качелями, которую я привел когда рассказывал о процессе поэтапного набора скорости космическим аппаратом. Однако, надо учесть, что это сходство внешнее. За набор скорости качелями и спутником отвечают различные физические законы.

Главный фактор обеспечивающий ускорение качелей - не отталкивание ногами, а отклонение нашего тела, и этот процесс описывается уравнением маятника. Амплитуда качания качелей увеличивается путем удлинения и укорочения маятника, частью которого на качелях становится наше тело. Отталкивание ногами тоже может вносить вклад, обеспечивая реактивную силу, но эта прибавка незначительна и вполне можно обойтись без нее.



В случае с космосом физические процессы работают другие. Набор скорости при выведении разгонным блоком “Бриз-М” обеспечивается “эффектом Оберта”. Суть его в том, что набирать скорость тем выгоднее чем ближе к планете мы движемся. Соответственно, в этот момент "Бриз-М" и запускал ракетные двигатели и набирал скорость.



Вторая моя ошибка была в утверждении, что невесомость получают в пикирующем самолете. Это представление у меня сформировалось когда я недостаточно внимательно читал о деятельности авиалаборатории, в которой космонавты готовятся к условиям космоса.

Для получения невесомости самолет действительно проходит этап снижения, но это завершающая часть маневра.



При выполнении фигуры “горка” человек оказывается в невесомости, когда центробежная сила, вызванная маневром и подъемом самолета, компенсирует силу притяжения Земли. Т.е. людей в самолете запускают по баллистической траектории, как катапультой. Подобный момент можно пережить как раз во время выполнения “солнышка” на качелях, в верхней точке траектории.



Такой же эффект на секунду переживает ребенок, которого папа подбрасывает в воздух. Возможно это является причиной почему дети хотят стать космонавтами?



В свое оправдание могу сказать, что в Википедии изложено такое же неполное описание процесса.

В состоянии свободного падения человек тоже может ощутить себя в невесомости, но лучше падать в лифте, чтобы ощущениям не мешал встречный поток воздуха. Собственно в состоянии “падения в лифте” и находятся космонавты на станции или в корабле.

Еще я указал, что на высоте МКС сила притяжения на 5% меньше чем на Земле. Тут тоже неточность, в действительности на экипаж МКС действует около 89% той силы притяжения, что действует на нас.

Для того чтобы добраться до полного нуля силы тяжести надо удалиться намного дальше от Земли. Формально, гравитационное поле планеты нигде не заканчивается, хотя по факту, на некотором удалении, ослабленное поле планеты уже компенсируется гравитационными полями других тел.

Например, ближайшее место, где должна быть “настоящая” невесомость - это точка Лагранжа L1 между Землей и Луной. Там сила притяжения Земли равна силе притяжения Луны. Хотя солнечная гравитация там никуда не денется, поэтому невесомость будет такой же природы, как и для космонавтов на орбите Земли.

Опять-таки между Землей и Солнцем есть такая же точка, где силы притяжения Земли и Солнца взаимоподавляются. Подобные точки Лагранжа есть в системах различных космических тел, и некоторые из них активно используются космонавтикой.

Например точка Лагранжа L1 системы Солнце-Земля используется солнечными обсерваториями. Это позволяет им держать Солнце под неусыпным наблюдением.



А космический аппарат NASA DSCOVR может оттуда же наблюдать Землю с необычного ракурса - он всегда смотрит на планету в полдень.



В точку L1 системы Земля-Луна NASA вынашивает планы доставки небольшого астероида, чтобы потом слетать к нему астронавтам.

Еще стоит отметить, что “точки Лагранжа” являются точками только в математическом смысле. Фактически же, космические аппараты, “подвешенные” в этих точках, движутся по замысловатой траектории называемой “Гало орбитой”, которая намного больше околоземной орбиты, поэтому не стоит опасаться столкновения, если в одной "точке" собрано несколько аппаратов.


zelenyikot

Subscribe to  zelenyikot

promo zelenyikot сентябрь 5, 07:45 70
Buy for 800 tokens
Наконец-то я могу официально объявить, что в продаже появилась научно-популярная книга моего авторства об исследовании Солнечной системы автоматическими межпланетными станциями. Здесь можно найти как описание отдельных космических миссий последних лет, так и обобщенные результаты исследований…

  • 1
"набирать скорость тем выгоднее чем быстрее мы движемся. Другими словами разгон с 0 км/ч до 5 км/ч требует больше энергии чем разгон со 100 км/ч до 105 км/ч."

Что? :)

Эффект Оберта — в космонавтике — эффект, проявляющийся в том, что ракетный двигатель, движущийся с высокой скоростью, создает больше полезной энергии, чем такой же двигатель, движущийся медленно. Эффект Оберта вызывается тем, что при движении с высокой скоростью топливо имеет больше энергии, доступной для использования (кинетическая энергия может превысить потенциальную химическую энергию)

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82_%D0%9E%D0%B1%D0%B5%D1%80%D1%82%D0%B0

Плохая формулировка.
Эффект Оберта: "Чем выше напряженность потенциального поля консервативной силы в точке получения телом импульса, тем выше изменение полной механической энергии этого тела". Никакой связи со скоростью нет. А фраза, что с 0 до 5 надо больше энергии, чем со 100 до 105 - просто блеск.

Это просто попытка упрощенно объяснить происходящее людям, которые не знакомы с физикой. Вашу формулировку большинство читателей вообще не поймут.

В физике никогда не надо упрощать, надо терпеливо объяснять, пока не поймут. Тем более речь о механике, которая и так тривиальна, стоит понять несколько "правил игры". А иначе неизбежно получается "ракета вот так фр-р-р-р, и поэтому вот туда вжыж-ж-ж-ж".

один хрен не понятно
насколько я смог понять из вики, все дело в том что энергия зависит от квадрата скорости, поэтому если скажем мы разгоняемся с 1 ед до 2, энергия увеличится на 3 ед (с 1 до 4), а если с 2 до 3, то на 5 (с 4 до 9 единиц).

Работа равна сила на путь.
Силу движок даёт одинаковую вне зависимости от местонахождения, а вот путь аппарат проходит в разы больший.

Ага, вроде в этом дело. Только применить, как я понимаю, нетривиально. Вот в "качелях" на вытянутой орбите как раз появляется такая возможность.

если я правильно понял эффект, это просто как спуск и подъем, с приложением усилия в точке между ними. так например если вы едете, спускаетесь с горки, давать газу выгоднее внизу, на ровном участке (тем более если вы экономите топливо). при езде на велосипеде это я ощущал чисто физиологически - гораздо легче разогнаться до подъема и въехать на горку по инерции, чем на самом подъеме кряхтеть. конечно, дорога из спусков и подъемов тяжелее, чем ровная. но в отличие от земли, в космосе нет трения и сопротивления воздуха, поэтому там наоборот - на горке-орбите можно разгоняться, при том несколько раз заезжая на нее, что и делает бриз-м.

Не скажите. Мне как раз эта формулировка расставила все по местам, при том что я ни разу не специалист по космическим аппаратам. Журнал читают разные люди, в том числе и хорошо знакомые с физикой, но работающие в других областях. По-моему, уместнее было бы сначала давать строгие формулировки, а потом пытаться объяснить их на пальцах тем, кто не понял.
Но все это не уменьшает моего уважения к Зеленому коту, который умеет признавать свои ошибки.

Да не в формулировке дело - всё наоборот. от 100 до 105 это много энергии (512.5 джоулей на каждый килограмм), а от 0 к 5 - мало(12.5 Дж/кг), в связи с кваратичной зависимостью энергии от скорости. Для орбитального движения, как и для любого свободнопадающего тела, верно то, что в низшей точке самая большая скорость. А у ракетного двигателя есть счастливое свойство, что придаваемое им ускорение не зависит от скорости тела. Так что включать его наиболее выгодно в точке, где движешься быстрее всего (т.е в низшей точке орбиты) — м/с наберешь столько же, а джоулей гораздо больше. Если ты хочешь поднять высоту апогея орбиты очень сильно (примерно более чем в 12 раз), то даже выгоднее сначала притормозить, опустив перигей к самой атмосфере, а потом в перигее использовать эффект Оберта и делать основной импульс там, хотя звучит против интуиции.

Согласен. Мне формулировка на википедии тоже не понравилась.

А вот и нет. Эффект Оберта завязан на скорость в точке маневра, т.е. на максимум кинетической энергии. А "чем выше напряженность потенциального поля" - это всего лишь следствие того, что в потенциальном поле у нас сохраняется полная механическая энергия, а потому минимум потенциальной энергии совпадает с максимумом кинетической.
Еще раз, если считать маневр мгновенным или пренебрежимо коротким, то потенциальная энергия в достаточно хорошем поле постоянна или пренебрежимо мало изменяется. А вот кинетическая прирастает, и ее прирост имеет член, пропорциональный скорости в точке маневра, а не только приросту скорости. Ну а гравитационное поле является достаточно хорошим :).

сами выпишите на бумажке изменение кинетической энергии ракеты (т.е. ее мощность). у вас скорости не сократятся, а будут присутствовать. поэтому мощность ракеты зависит от скорости

скопипастю объяснение обратного процесса - как лучше садить на Муну

перепишем уравнение неизвестного кембриджского математега вот так:

V' = -I*m'/m где I удельный импульс*9.8, положительный. m' отрицательна (топливо мы теряем), обзовем m'=-R, где R массовый расход положительный.

Берем E=m*V*V/2, тогда E' = m'*V*V/2 + m*V'*V = m'(V*V/2 - V*I) =
R(I*V - V*V/2) - имеем параболу вниз относительно скорости. теперь смотрим что нам надо погасить кинетическую энергию (наибольшая отрицательная производная), получаем что лучше всего она гасится, при больших скоростях. Поэтому надо провалиться в перигей, набрать скорости и выжигать весь керосин

  • 1