Jak lataja statki kosmiczne?

Komentarze

Transkrypt

Jak lataja statki kosmiczne?
Statki kosmiczne
Jak latają statki kosmiczne?
Wydział Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Zielonogórskiego
| WFiA UZ
1 / 39
Statki kosmiczne
Rodzaje statków kosmicznych
rakieta – pojazd napędzany
silnikiem rakietowym. Siła
ciągu powstaje w oparciu o
odrzut substancji roboczej
wahadłowiec lub prom
kosmiczny– wykorzystywany
wielokrotnie, lądowanie na
pasie startowym, start przez
wyniesienie tradycyjną rakietą
nośną lub przez
samolot-nosiciel
samolot kosmiczny –
odróżnieniu od wahadłowca
samolot kosmiczny nie startuje
z wyrzutni tylko z lotniska
Wygląd kokpitu promu Discovery
| WFiA UZ
2 / 39
Statki kosmiczne
Rodzaje statków kosmicznych
sztuczny satelita –
statek okrążający
ciało niebieskie
(np. planetę,
Księżyc) po
orbicie zamkniętej
pod wpływem
grawitacji
sonda kosmiczna
lub próbnik –
bezzałogowy, zautomatyzowany
statek
prowadzący
badania naukowe
w kosmosie
| WFiA UZ
3 / 39
Statki kosmiczne
Stacje orbitalne lub kosmiczne
sztuczne satelity Ziemi
zaprojektowane do dłuższego
przebywania przez
kosmonautów
zaproponowane przez K.
Ciołkowskiego
nie posiadają systemu
napędowego tylko silniki
umożliwiające autonomiczne
podnoszenie wysokości orbity
radzieckie Salut 1-7(1971-1991),
amerykańska Skylab (1973-1979),
rosyjska Mir (1986-2001),
Międzynarodowa Stacja
Kosmiczna ISS (od 1998), chińska
Tiangong 1 (od 2011)
Aktualne położenie ISS i obraz z kamer
| WFiA UZ
4 / 39
Statki kosmiczne
Ruch balistyczny
Założenia upraszczające:
brak tarcia,
brak silników.
Animacja. Ruch satelity wokół Ziemi z możliwością modyfikacji
wektora prędkości początkowej
| WFiA UZ
5 / 39
Statki kosmiczne
Lot suborbitalny
lot kosmiczny, podczas którego statek
kosmiczny osiąga przestrzeń kosmiczną, ale
jego trajektoria lotu przecina powierzchnię
ciała, z którego pojazd został wystrzelony,
przez co nie jest w stanie dokonać pełnego
obrotu orbitalnego.
trajektorie A i B odpowiadają lotom
suborbitalnym
statek kosmiczny ma prędkość mniejszą od
pierwszej prędkości kosmicznej (przy starcie
z Ziemi poniżej 7,92 km/s)
| WFiA UZ
Armata Newtona
6 / 39
Statki kosmiczne
Lot orbitalny
lot kosmiczny, podczas którego statek
kosmiczny porusza się po trajektorii, na
której może pozostać w przestrzeni
kosmicznej przynajmniej przez jeden
okres
trajektorie C i D odpowiadają lotom
orbitalnym
Warunkiem koniecznym lotu orbitalnego
jest nadanie pojazdowi kosmicznemu
pierwszej prędkości kosmicznej (przy
starcie z Ziemi jest to minimum 7.92
km/s)
orbitalny lot kosmiczny z Ziemi może być
osiągnięty tylko poprzez start rakietowy
| WFiA UZ
7 / 39
Statki kosmiczne
I prędkość kosmiczna
Na satelitę poruszającego się blisko powierzchni Ziemi po orbicie
kołowej z prędkością poziomą ~vp działa siła grawitacji, która pełni rolę
siły dośrodkowej
r
mvp2
Mz m
GMz
, =⇒ vp =
G 2 =
Rz
Rz
Rz
gdzie Mz i Rz to masa i promień Ziemi a m – masa satelity.
vp nie zależy od m
v
u
u
m3
u 6.67 · 10−11
· 5.97 · 1024 kg
t
km
kg · s2
vp =
= 7.92
6
6.37 · 10 m
s
w rzeczywistości satelity umieszcza się daleko od powierzchni Ziemi
np. na wysokości h = 500 km i trzeba zastąpić Rz = 6370 km przez
km
Rz + h = 6870 km i wtedy vp = 7.61
s
| WFiA UZ
8 / 39
Statki kosmiczne
Wysokość na Ziemią orbity satelity geostacjonarnego
Czasy obiegu
TRz =
2πRz
= 84.3 min,
vp
TRz +h =
2π (Rz + h)
vp =
,
Tdob
2π (Rz + h)
= 94.5 min
vp
r
vp =
GMz
Rz + h
dla Tdob = 23h 56m 04s Z porównania otrzymujemy
r
G
3
2
Mz Tdob
Rz + h =
4π 2
po podstawieniu Rz + h = 42160 km
| WFiA UZ
9 / 39
Statki kosmiczne
Lot międzyplanetarny
♣ Lot statku kosmicznego w przestrzeni
związany z opuszczeniem pola
grawitacyjnego macierzystej planety
Warunkiem koniecznym lotu międzyplanetarnego jest nadanie
pojazdowi kosmicznemu drugiej prędkości kosmicznej.
Zasada zachowania energii całkowitej w polu grawitacyjnym planety
Ec1 i w nieskończoności Ec2 ma postać Ec1 = Ec2
mv2
GMz m
Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2 ⇐⇒
+ −
= Ek2 + Ep2
2
Rz
W nieskończoności Ek2 = 0, a Ep przyjmuje maksymalną wartość Ep2 = 0
r
√
GMz m
2GMz
mv2
+ −
= 0 ⇒ vII =
= 2vI
2
Rz
Rz
Obliczenia dla Ziemi dają vII = 11.2 km/s
| WFiA UZ
10 / 39
Statki kosmiczne
Lot międzygwiezdny albo międzygwiazdowy
lot statku kosmicznego w przestrzeni
międzygwiazdowej związany z
opuszczeniem Układu Słonecznego
Warunkiem koniecznym do
zrealizowania lotu
międzygwiezdnego jest nadanie
pojazdowi kosmicznemu trzeciej
prędkości kosmicznej (przy starcie z
Ziemi jest to minimum 16,7 km/s)
obecnie pięć sond opuszcza Układ
Słoneczny: Voyager 1, Voyager 2,
Pionier 10, Pionier 11, New Horizons
Parametry sond opuszczających Układ Słoneczny
| WFiA UZ
11 / 39
Statki kosmiczne
Lot międzygwiezdny albo międzygwiazdowy
III prędkość kosmiczną liczymy analogicznie jak drugą czyli jako
prędkość ucieczki z pola grawitacyjnego ale tym razem Układu
Słonecznego
r
2GMs
vIII =
,
Rz − s
Ms = 2 · 1030 – masa Słońca, Rz − s = 1.496 · 1011 m – średnia odległość
Ziemi od Słońca.
Obliczenia dają vIII = 42.1km/s. Ale Ziemia porusza się wokół Słońca
z prędkością 29.8km/s więc minimalna wartość III prędkości
kosmicznej
vIII = (42.1 − 29.8)km/s = 12.3km/s
Nie uwzględniono siły przyciągania Ziemi.
| WFiA UZ
12 / 39
Statki kosmiczne
Fazy lotu statku kosmicznego
start i wprowadzenie statku na orbitę przez nadanie mu
odpowiedniej prędkości i kierunku lotu. Wykorzystuje się w tym
celu wielostopniowe rakiety nośne, których poszczególne człony
odłączają się od modułu orbitalnego po wypaleniu paliwa lub na
odpowiedni sygnał sterujący
lot bezwładny po orbicie wokół planety lub wzdłuż określonej
trajektorii w przestrzeni międzyplanetarnej
lądowanie (na Ziemi lub innym ciele niebieskim), manewr
polegający głównie na wyhamowaniu statku za pomocą jego
silników rakietowych lub w wyniku działania oporu
aerodynamicznego.
Niektóre bezzałogowe statki kosmiczne po zakończeniu misji
pozostawia się na ich orbitach (zawsze w przypadku próbników
międzyplanetarnych, a także pierwszych sztucznych satelitów Ziemi).
Obecnie niszczy się satelity przez kontrolowane wprowadzenie w
gęste warstwy atmosfery.
| WFiA UZ
13 / 39
Statki kosmiczne
Wzór Ciołkowskiego opisujący ruch rakiety o zmiennej masie
Pęd układu w chwili t: p(t) = mr vr . Pęd w chwili t + ∆t
p(t + ∆t) = (mr − ∆mg )(vr + ∆vr ) + ∆mg (vr − vg )
gdzie mr – masa rakiety, vr – prędkość rakiety w układzie
nieruchomym, ∆mg – masa gazów wyrzuconych w czasie ∆t,
vg – prędkość gazów względem rakiety. Zmiana pędu w czasie ∆t
∆p = p(t + ∆t) − p(t) = ∆vr (mr − ∆mg ) − ∆mg vg
Można pominąć ∆mg w wyrażeniu mr − ∆mg
∆p = ∆vr mr − ∆mg vg ,
∆mg
∆p
∆vr
= mr
− vg
=F
∆t
∆t
∆t
F siły zewnętrzne: grawitacja i opór ruchu.
| WFiA UZ
14 / 39
Statki kosmiczne
Wzór Ciołkowskiego opisujący ruch rakiety o zmiennej masie
W najbardziej zgrubnym
przybliżeniu można przyjąć F = 0.
Jesli przyjmiemy, że cały czas
rakieta spala stałą ilość paliwa w
jednostce czasu ∆mg /∆t = ng .
Wtedy dla bardzo małych ∆t
otrzymujemy równanie
różniczkowe i jego rozwiązanie na
prędkość ma postać
m0
,
m0 − ng t
gdzie m0 jest masa rakiety w chwili startu. Przyspieszenie
vg ng
ar =
,
m0 − ng t
vr = vg ln
Więcej o wzorze Ciołkowskiego
| WFiA UZ
15 / 39
Statki kosmiczne
Silnik rakietowy na paliwo stałe
1
komora spalania
2
zapłonnik
elektryczny
3
ładunek odpalający
4
ładunek napędowy
(mieszanka
utleniacza z
reduktorem)
5
ruszt
6
przewężenie
7
dysza
odrzut substancji roboczej
substancją roboczą są produkty powstałe
w wyniku reakcji chemicznej reduktora z
utleniaczem
reduktor dostarcza elektronów (metale
alkaliczne), utleniacz przyjmuje
elektrony (chlorany, azotany)
reduktor i utleniacz wewnątrz rakiety
pierwsze konstrukcje w Chinach na bazie
prochu czarnego
| WFiA UZ
16 / 39
Statki kosmiczne
Silnik rakietowy na paliwo ciekłe
pompy szyjka
zbiornik
paliwa
zbiornik
utleniający
komora
spalania
odrzut substancji roboczej
substancją roboczą są produkty powstałe w wyniku reakcji
chemicznej reduktora z utleniaczem
reduktor dostarcza elektronów (wodór), utleniacz przyjmuje
elektrony (ciekły tlen)
reduktor i utleniacz wewnątrz rakiety
możliwość kontrolowania ciągu poprzez odpowiednie
wtryskiwanie reduktora i utleniacza do komory spalania
| WFiA UZ
17 / 39
Statki kosmiczne
Silnik jonowy
neutralizujące działko elektronowe
magnesy
działo
elektronowe
elektron
neutron
jon dodatni
siatka ujemna
siatka dodatnia
odrzut substancji roboczej
substancją roboczą są jony uzyskane przez rozbicie neutralnych
atomów (najczęściej ksenonu) elektronami
jony przyspieszane pomiędzy siatkami metalowymi o różnych
potencjałach elektrostatycznych
wykorzystany w sondach SMART-1 (badanie komety
Borrelly’ego), Hayabusa (pobrała próbki z planetoidy Itokawa) i
Dawn (obserwacja planetoid (4) Westa i (1)Ceres)
| WFiA UZ
18 / 39
Statki kosmiczne
Żagiel słoneczny
wykorzystany odrzut fotonów czyli odbicie (i pochłanianie) światła
przez duże, bardzo lekkie zwierciadła
IKAROS (ang. Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of
the Sun), start: 20.05.2010, NASA NanoSail-D2
Wizja artstyczna
| WFiA UZ
Rzeczywisty obraz z kamery w kosmosie
19 / 39
Statki kosmiczne
Siły działające na rakietę i drugie prawo Newtona dla rakiety
siła nośna
ciężar
siła oporu
ma = F całk
siła ciągu
| WFiA UZ
20 / 39
Statki kosmiczne
Odchylony ciąg rakiety
oś ciągu
oś symetrii
oś ciągu
a
kąt odchylenia
=a
kąt odchylenia
=a
moment
obrotowy
siła ciągu
środek ciężkości
oś symetrii
a
moment
obrotowy
siła ciągu
siła ciągu
kąt odchylenia = 0
| WFiA UZ
21 / 39
Statki kosmiczne
Stabilność rakiety
kierunek lotu
kierunek lotu
oś symetrii
kierunek lotu
oś symetrii
a
kąt odchylenia
=a
siła nośności
kąt odchylenia
=a
a
ciężar
ciężar
centrum ciśnienia
siła ciężkości
centrum ciśnienia
siła oporu
centrum ciśnienia
opór
siła oporu
siła ciągu
niestabilny
stabilny
| WFiA UZ
siła nośności
niestabilny
22 / 39
Statki kosmiczne
Manewr (transfer) Hohmanna-Wietczinkina
przejście z jednej orbity kołowej na drugą
odbywa się po fragmencie orbity
eliptycznej
Przejście z orbity niższej na wyższą jest
inicjowane poprzez pierwsze odpalenie
silnika (∆v), co powoduje podwyższanie
aktualnej orbity. Gdy statek dociera na
wysokość orbity docelowej, następuje
drugie odpalenie silnika (∆v0 )
można też obniżyć orbitę kierując
ciągiem rakiety przeciwnie do kierunku
lotu statku kosmicznego
Obydwa impulsy nie muszą zostać wykonane podczas tego samego
obiegu orbity – statek może przez pewien czas krążyć po orbicie
transferowej.
Animacja transferu Hohmanna-Wietczinkina
| WFiA UZ
23 / 39
Statki kosmiczne
Asysta grawitacyjna
zmiana prędkości
(przyspieszenie lub
hamowanie) i kierunku lotu
przy użyciu pola
grawitacyjnego planety lub
innego dużego ciała
niebieskiego bez użycia
silników
przejście za planetą –
prędkość statku wzrasta od
vi do vf , vf > vi
przejście przed planetą –
prędkość statku maleje od vi
do vf , vf < vi
wartości prędkości względnych
ui = vi − V oraz uf = vf − V są
takie same |ui | = |uf |
prędkość planety nie zmienia się
Vi = Vf = V
prędkości statku się zmieniają:
vf > vi lub vf < vi
Animacja asysty grawitacyjnej
Symulator asysty. Part 2-4 Przykłady asyst w misji Rosetta
| WFiA UZ
24 / 39
Statki kosmiczne
Budowa rakiety Saturn V/Apollo
rakietowy system
ratunkowy
pokrywa ochronna
moduł dowodzenia
silnik
adapter modułu
księżycowego
modul serwisowy
moduł księżycowy
Saturn V. Rakieta nie z tej ziemi
| WFiA UZ
25 / 39
Statki kosmiczne
Rakietowy system ratunkowy (LES)
stożek ochronny rakiety
płat przedni sterowy typu kaczka
silnik sterowania pochyleniem
silnik odrzucający LES
silnik główny LES
wieża z rur tytanowych
łącząca silniki LES z
modułem dowodzenia CM
pokrywa w formie
wydrążonego stożka
| WFiA UZ
26 / 39
Statki kosmiczne
Moduł dowodzenia i moduł księżycowy
Moduł księżycowy
Moduł dowodzenia
| WFiA UZ
27 / 39
Statki kosmiczne
Manewry w trakcie misji Apollo 11
wejście na orbitę
w kierunku Ziemi
oddzielenie modułu
dowodzenia od serwisowego
trzecia korekta
orbity
wejście w
atmosferę
tor odrzuconej
rakiety
orbita księżycowazejście i lądowane
modułu księżycowego
ziemska orbita
parkingowa
lądowanie
wejście na orbitę
okołoksiężycową
druga korekta
orbity
wprowadzenie na
orbitę doksiężycową
oddzielenie modułów
od rakiety
start
pierwsza korekta
orbity
Księżyc w momencie
startu rakiety
Film: Animacja misji
Budowa rakiety i trajektoria lotu
| WFiA UZ
28 / 39
Statki kosmiczne
Kosmiczne śmieci
bezużyteczne obiekty poruszające się
na orbitach wokół Ziemi
odrzucone stopnie rakiet
wielostopniowych
nieczynne satelity
fragmenty rozpadu ( np.
„rozerwania’ dopalaczy rakiet)
małe śmieci (o średnicy poniżej
10 cm) powstają na skutek
zderzeń większych śmieci.
Kaskada zderzeń – syndrom
Kesslera
większość śmieci ma średnice
poniżej jednego centymetra: pył
z silników rakietowych na
paliwo stałe, płatki farby
| WFiA UZ
działanie podobne do
piaskowania
groźne dla satelitów,
statków kosmicznych,
stacji kosmicznych
NASA śledzi śmiecie od
1979 r
według różnych
szacunków mogą ich być
miliony
Metody ochrony
tarcza Whippla – cienka
warstwa metalu rozpostarta w małej odległości
od kadłuba statku zderzająca się ze śmieciami
manewrowanie aby
ominąć większe śmieci
29 / 39
Statki kosmiczne
Kosmiczne śmieci
| WFiA UZ
30 / 39
Statki kosmiczne
Kosmiczne śmieci
uszkodzenie chłodnicy i radiatora promu Endeavour oraz uszkodzenie
okna wahadłowca Challenger przez płatek farby
| WFiA UZ
31 / 39
Statki kosmiczne
Kosmiczne śmieci
Uszkodzenia paneli słonecznych stacji kosmicznej Mir. Uszkodzenie
po prawej stronie w kierunku obiektywu od śmieci a wyraźniejsze
uszkodzenie dolnego panelu na skutek zderzenia ze statkiem Progress
Film o zderzeniu statku Progress ze stacją Mir
| WFiA UZ
32 / 39
Statki kosmiczne
Pozostałości po programie ASAT
ASAT – (anti-satellite weapon) – broń
służąca do zwalczania obiektów
przeciwnika umieszczonych w kosmosie,
głównie sztucznych satelitów
incydent ze zniszczeniem satelity
pogodowego FY-1C spowodował
największy przyrost ilości śmieci
powstało około 2300 śmieci wielkości
piłki golfowej, ponad 35000
Znane orbity śmieci po
kawałków 1-centymetrowych lub
rozbitym satelicie FY-1C
większych, i około miliona
1-milimetrowych lub większych.
| WFiA UZ
33 / 39
Statki kosmiczne
Śmieci po zderzeniu dwóch sztucznych satelitów
10.02.2009 – pierwsze w historii
bezpośrednie zderzenie dwóch
sztucznych satelitów Ziemi
uczestniczyły w nim: działający
amerykański satelita Iridium 33 i
nieczynny rosyjski satelita wojskowy
Kosmos 2251
szacuje się, że powstało ponad 600 odłamków różnej wielości.
Symulacja zderzenia i rozprzestrzeniania się odłamków
istnieje pewne prawdopodobieństwo, że niektóre z nich przetną
trajektorię międzynarodowej stacji kosmicznej ISS
wcześniejsze zderzenia satelitów miały miejsce podczas łączenia
statków kosmicznych: miedzy satelitami DART a MUBLCOM oraz
trzy incydenty w trakcie dokowania do stacji kosmicznej Mir
statków: Progress M-24, Progress M-34 i Sojuz TM-17.
| WFiA UZ
34 / 39
Statki kosmiczne
Sztuczna grawitacja
jak wytworzyć przyspieszenie
ziemskie o wartości podobnej
jak na Ziemi?
Q = mg
wytworzyć przyspieszenie,
które zastąpi siłę grawitacyjną
Siła
w przyspieszającej liniowo
rakiecie rolę siły ciążenia może
spełniać siła bezwładności
w stacjonarnych stacjach
orbitalnych można
wykorzystać siłę odśrodkową.
| WFiA UZ
35 / 39
Statki kosmiczne
Sztuczna grawitacja. Problemy
Siła Coriolisa
Prędkość liniowa
Prędkość kątowa
siłą Coriolisa wywołana jest ruchem ciała (człowieka) w
obracającym się układzie
działa prostopadle do płaszczyzny zawierającej prędkość kątową
wirówki i prędkość liniową człowieka
| WFiA UZ
36 / 39
Statki kosmiczne
Kolonizacja Kosmosu
kolonizacja
naturalnych ciał
niebieskich
(Księżyc, Mars)
kolonie na orbicie
| WFiA UZ
37 / 39
Statki kosmiczne
Ścieżki Kopernika
http://sciezkikopernika.pl/
program Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego
projekt „System wizualizacji orbit sztucznych satelitów Ziemi
oraz trajektorii sond kosmicznych w Układzie Słonecznym”
projekt realizowany przez „Lubuskie konsorcjum wirtualnej
eksploracji Układu Słonecznego”, w skład którego wchodzą
Uniwersytet Zielonogórski i Polskie Towarzystwo Miłośników
Astronomii w Zielonej Górze, strona
http://astro.ia.uz.zgora.pl/~scikop/
główny wynik: program komputerowy
warsztaty z programowania
cykle wykładów popularyzujących zagadnienia dynamiki ciał
niebieskich naturalnych i sztucznych
| WFiA UZ
38 / 39
Statki kosmiczne
Dla zainteresowanych
Pole grawitacyjne, ruchy planet i satelitów, prawa Keplera
Wyprawy do komet. W kręgu fizyki LO Turek
KOSMONAUTA.net
Rocket & Space Technology
RussianSpaceWeb.com
Welcome to the Beginner’s Guide to Rockets
http://pl.wikipedia.org/wiki/Apollo− 11
Film: Saturn V Rakieta nie z tej ziemi (pol)
Animacja misji Apollo 11
Film: Przebieg misji Apollo 11 sekunda po sekundzie (ang.)
Film: Loty kosmiczne. Zastosowanie mechaniki nieba (ang)
J.M. Kreiner, Ziemia i Wszechświat, Wydawnictwo Naukowe
Uniwersytetu Pedagogicznego, Kraków, 2011
część ilustracji zaczerpnięto z ogólnodostępnych zasobów Internetu
| WFiA UZ
39 / 39

Podobne dokumenty