Тема № 4: «Основи космонавтики. Методи астрофізичних досліджень»

1)          Колова швидкість. Перша космічна швидкість. Швидкість руху корабля на еліптичній орбіті.

Колова швидкість. Розглянемо орбіту супутника, який обертається по коловій орбіті на висоті Н над поверхнею Землі. (рис 1). Для того щоб орбіта була сталою і не змі­нювала свої параметри, повинні виконуватися дві умови:

1) вектор швидкості має бути напрямлений по дотичній до орбіти;

2)лінійна швидкість супутника має дорівнювати коловій швидкості, яка визначається рівнянням

де — стала всесвітнього тяжіння;

кг — маса Землі;  м — радіус Землі; Н — висота супутника над поверхнею Землі.

З формули  витікає, що найбільше значення колова швидкість має при висоті Н = 0, тобто у випадку, коли тіло рухається біля поверхні Землі. Така швид­кість у космонавтиці називається першою космічною:

м/с.

У реальних умовах жодний супутник не може оберта­тися біля поверхні Землі, бо густа атмосфера дуже галь­мує рух тіл, що рухаються з великою швидкістю. Якби навіть швидкість ракети в атмосфері досягла величини першої космічної, то великий опір повітря розігрів би її поверхню до такої високої температури, що вона розпла­вилась би. Тому ракети при старті з космодрому спочатку піднімаються вертикально вгору до висоти кілька сотень кілометрів, де опір повітря незначний, і тільки тоді супутникові надається відповідна швидкість в горизон­тальному напрямі.

Якщо величина швидкості супутника буде відрізнятися від колової або вектор швидкості не буде паралельним до горизонту, тоді космічний апарат (КА) буде обертатися навколо Землі по еліптичній траєкторії. Згідно з першим законом Кеплера в одному з фокусів еліпса повинний знаходитися центр Землі, тому площина орбіти супутника має перети­нати площину екватора або співпадати з нею (рис 2).

Висота супутника над поверхнею Землі змінюється у межах від перигею до апогею. Ці назви аналогічні від­повідним точкам на орбітах планет — перигелію та афелію.

Якщо супутник рухається по еліпсу, то згідно з дру­гим законом Кеплера змінюється його швидкість: най­більшу швидкість супутник має в перигеї, а найменшу — в апогеї.

Період обертання супутника, який рухається навколо Землі по еліпсу зі змінною швидкістю, можна визначити за допомогою третього закону Кеплера:

де  Тс —  період  обертання  супутника навколо  Землі; Тм = 27,3 доби — сидеричний період обертання Місяця навколо Землі; ас — велика піввісь орбіти супутника; ам = 380 000 км — велика піввісь орбіти Місяця. Із рівняння визначаємо .

У космонавтиці особливу роль відіграють ШСЗ, які «висять» над однією точкою Землі. Такі супутники називають геостаціонарними, їх зручно використову­вати для космічного зв’язку (рис.3).

2)    Друга космічна швидкість. Збурений рух космічних апаратів.

Друга і третя космічні швидкості визначають  умови відповідно для міжпланетних та міжзоряних перельотів. Якщо порівняти другу космічну швидкість з пер­шою, то отримаємо співвідношення м/с.

Космічний корабель, що стартує з поверхні Землі з другою космічною швидкістю, рухається по парабо­лічній траєкторії та міг би полетіти до зір, бо парабола є незамкненою кривою. Але в реальних умовах такий корабель не покине Сонячну систему, бо будь-яке тіло, що вийшло за межі земного тяжіння, потрапляє у гра­вітаційне поле Сонця. Тобто космічний корабель стане супутником Сонця і обертатиметься у Сонячній системі подібно до планет чи астероїдів.

Для польоту за межі Сонячної системи космічному кораблеві треба надати третьої космічної швидкості = 16,7 км/с. На жаль, потужність сучасних реак­тивних двигунів ще недостатня для польоту до зірок при старті безпосередньо з поверхні Землі. Але, якщо КА пролітає через гравітаційне поле іншої планети, він може отримати додаткову енергію, яка дозволяє в наш час робити міжзоряні польоти. У США уже запустили кілька таких АМС («Піонер» та «Вояджер»), які в гра­вітаційному полі планет-гігантів збільшили свою швид­кість настільки, що у майбутньому вилетять за межі Сонячної системи.

 

3)    Вага, перевантаження та невагомість у космічному кораблі.

 

4)          Пізнавальне та практичне значення космонавтики.

Космічна ера землян почалась 4 жовтня 1957 року, коли в СРСР було запущено штучний супутник Землі. Він став першим космічним апаратом в історії людства. Надпо­тужна ракета, переборовши земне тяжіння, розігналася до швидкості 8 км/с і почала обертатися навколо Землі як самостійне небесне тіло. Потім від неї відокремився кулепо­дібний супутник. Його сигнали мог­ли приймати в усьому світі.

Ідея запуску супутника належала видатному вченому і конструктору Сергію Павловичу Корольову (рис 4).

У травні 1954 року він запропону­вав урядові СРСР використати одну із створених ним військових ракет як ракету-носій для запуску супут­ника. Він також намітив програму освоєння навколоземного косміч­ного простору, в тому числі польоти на Місяць. Пропозиція була прийня­та тільки 1956 року після візиту до конструкторського бюро Корольова керівника держави М. С. Хрущова, а вже за рік супутник був на орбіті. А ще за місяць у Космос вирушив другий супутник, з собакою Лайкою на борту. Було доведено, що нева­гомість для живих організмів не смертельна.

Після 1957 року штуч­ні супутники з’явились у Сонця, Місяця й Венери. Всі вони були за­пущені радянськими вченими й кон­структорами. Перший супутник США з’явився 1971 року. Він обертається навколо Венери. Від того часу ми­нуло багато років, і супутники вже стали частиною нашого життя. їх почали широко використовувати не тільки для спостережень у Космосі, а й з практичною метою, напри­клад, для спостережень за рухом повітряних мас, у військових цілях. За їх допомогою можна приймати радіо- і телесигнали на дуже вели­кій відстані.

Створення супутників та інших космічних апаратів — справа дуже складна і коштує дорого. Це під силу тільки великим колективам. У США, наприклад, ще 1959 року було ство­рено Національне управління з аеро­навтики і дослідження космічного простору (НАСА). Воно об’єднує 10 науково-дослідних центрів, у тому числі Космічний центр ім. Л. Джон-сона (Хьюстон, штат Техас), Центр Маршалла (Хантсвілл, штат Алаба­ма), Центр ім. Дж. Кеннеді на мисі Канаверал (штат Флорида).

Відтоді слово «супутник» стало назвою космічних апаратів такого типу.

Космонавтика вивчає рух штучних супутників Землі (ШСЗ), космічних кораблів та міжпланетних станцій в космічному просторі згідно із законами Кеплера і законом всесвітнього тяжіння Ньютона. Правда, існує одна суттєва відміна між при­родними тілами та штучними космічними апаратами: космічні кораблі за допомогою реактивних двигунів можуть змінювати параметри своєї орбіти.

Значний вклад у створення перших ШСЗ, пілотова­них космічних кораблів та автоматичних міжпланетних станцій (АМС) внесли українські вчені.

Костянтин Ціолковський (1856—1937) (рис. 5) у 1902 р. вперше довів, що тільки за допомогою ре­активного двигуна можна досягти першої космічної швидкості.

Український вчений Юрій Кондратюк (1898—1942) (рис. 6) у 1918 р. розрахував проект експедиції на Місяць, який був використаний при польотах радянських АМС «Луна», а пізніше застосований у США при польотах космічних кораблів «Аполлон».

Видатний конструктор перших у світі космічних кораблів та міжпланетних станцій Сергій Корольов (1906—1966) народився та вчився в Україні. Під його керівництвом 4 жовтня 1957 р. у Радянському Союзі був запущений перший у світі ШСЗ, наші АМС першими досягли Місяця, Венери та Марса.

Найбільшим досягнен­ням космонавтики у той час був перший пілотований політ космічного корабля «Восток», на якому 12 квітня 1961 р. льотчик-космонавт Юрій Гагарін зробив космічну кругосвітню подорож (рис.7).

Після запуску першого супутника минуло зовсім небагато років, і в Космос вийшов перший косміч­ний корабель «Восток» з людиною на борту.

Це сталося 12 квітня 1961 року. На борту корабля був Юрій Олексі­йович Гагарін, який увійшов в істо­рію як перший космонавт в історії людства.

У Космосі Гагарін провів усього 90 хвилин. На той час ніхто не знав, як перебування поза земною ат­мосферою в умовах невагомості вплине на людський організм.

Другим космонавтом став дублер Гагаріна Герман Степанович Титов. Свій політ він здійснив у серпні 1961 року на космічному кораблі «Восток-2» і в Космосі знаходився 25 го­дин.

1962 року в Космос було відправ­лено одразу два космічні кораблі з серії «Восток». їх пілотували кос­монавти А. Г. Ніколаєв і П. Р. Попо­вич. За рік радянська космонавтика мала ще одне до­сягнення. У Космос вирушила перша жінка-космонавт Валентина Воло­димирівна Терешкова (рис.8).

Після серії кос­мічних кораблів «Восток» була серія апаратів «Восход». Вони призна­чалися для польоту в Космос не однієї, а одразу декількох людей. Перший пілотований політ на кора­блі «Восход» 12 жовтня 1964 року здійснили В. М. Комаров, К. П. Феоктистов і Б. Б. Єгоров. Другий від­бувся 18 березня 1965 року. Кос­мічним кораблем керували П. І. Бєляєв і О. А. Леонов, який став першою людиною, що вийшла у від­критий Космос.

Розробка серії космічних кораблів «Восток» і «Восход» проходила під керівництвом С. П. Корольова, який став основоположником практич­ної космонавтики. Разом з ним пра­цювало багато талановитих учених і конструкторів.

У підготовці Гагаріна брало участь 123 підприємства і 32 міністерства і відомства СРСР, але головними творцями були Корольов і конструк­тори:  О.   М.   Ісаєв,  С.  А.   Косберг, О. Ф. Богомолов, С.  М. Алексєєв, І. І. Воронін, Ф. Д. Ткачов, В. І. Яздовський та інші. Вони забезпечили
створення двигунів, скафандрів і сис­тем  катапультування,  систем жит­тєзабезпечення,   парашутних  си­стем і багато іншого.

А провідними конструкторами ракети-носія і корабля, крім С. П. Коро­льова, були К. Д. Бушуєв, Л. А. Воскресенський, В. П. Мішин, М. К. Тихонравов та інші.

Крім супутників і космічних кора­блів, були створені й інші космічні апарати. До них належать орбіталь­ні станції. Вони можуть тривалий час рухатися по орбіті навколо Зем­лі та інших небесних тіл. їх достав­ляють на орбіту або у зібраному вигляді, або монтують безпосеред­ньо в Космосі. Саме на цих косміч­них апаратах вчені проводять до­слідження Землі і космічного про­стору, медико-біологічні, технічні експерименти та інші роботи. Це справжні лабораторії, де відпра­цьовуються технології отримання кристалів високої чистоти, які не­можливо виготовити на Землі. Тут розробляються нові методи зварю­вання, вирощування рослин і багато іншого, що допоможе людям освої­ти Космос у майбутньому. Останнім часом орбітальні станції почали ви­користовувати як туристичні об’єк­ти. Таким чином, багаті туристи до­помагають фінансувати космічні дослідження.

До 1995 року було запущено 7 ор­бітальних станцій «Салют», «Мир» (СРСР) і орбітальна станція «Скайлеб» (США). Запуск перших п’ят­надцяти станцій для дослідження міжпланетного простору, Місяця, Венери, Марса очолював Корольов. А в кінці 90-х на орбіті Землі поча­лись роботи зі створення міжна­родної орбітальної космічної станції «Альфа» за участю США, Канади, Росії і країн Європейського косміч­ного агентства. Нині ця станція част­ково введена в дію.

Місяць — найближче до нас кос­мічне тіло, тому його вивчення по­чалося раніше від інших планет. Мі­сячні програми розвивались у двох напрямках. Перший передбачав створення безпілотних космічних апаратів для дослідження Місяця. Другий — дослідження Місяця піло­тованими кораблями з висадкою людей на його поверхню.

Програма безпілотних космічних апаратів особливо успішно вирішу­валась в СРСР. 4 жовтня 1959 року радянський апарат «Лунник» здійс­нив обліт Місяця і передав на Зем­лю  зображення   його  зворотного боку. Нарешті люди побачили, що там знаходиться. А 1966 року була складена детальна карта зворотно­го боку нашого сусіда. Створення цього апарата — теж заслуга С. П. Ко-рольова і очолюваного ним колек­тиву талановитих вчених і дослід­ників.

Потім були здійснені дві посадки на Місяць. Цього разу земляни отримали перші зразки місячного ґрунту. Нарешті 10 листопада 1970 року на Місяць було доставлено ру­хомий апарат «Луноход-1». Він упродовж 11 днів передавав зобра­ження місячної поверхні. Потім за­пустили ще один самохідний апа­рат.

1971 року американці створили керований місячний самохідний апарат. Він називався «Ровер». У 1971-1972 роках на Місяць кос­мічними кораблями «Аполлон» було доставлено одразу три таких апа­рати. Вони призначались для пере­сування астронавтів.

Практичне використання космонавтики. У наш час космонавтика використовується не тільки для вивчення Всесвіту, але й приносить велику практичну користь людям на Землі. Штучні космічні апарати вивчають погоду, досліджують космос, допомагають вирішувати екологічні проблеми нашої планети, ведуть пошуки корис­них копалин, забезпечують радіонавігацію (рис. 5). Але найбільший успіх космонавтики випав на долю кос­мічних засобів зв’язку, космічного мобільного телефону, телебачення та Інтернету.

Україна бере активну участь у міжнародних косміч­них програмах. Учені проектують будівництво космічних сонячних електростанцій, які будуть передавати енергію на Землю. У недалекому майбутньому хтось з тих учнів, які зараз вчаться в школі, полетять на Марс, буде освоювати Місяць та астероїди. Нас чекають загадкові чужі світи і зустріч з іншими формами життя, а можливо, й з інопланетними цивілізаціями.

1)           Що вивчає астрофізика?

Що вивчає астрофізика? Між фізикою та астрофізикою є багато спільного — ці науки вивчають закони світу, в якому ми живемо. Але між ними існує також одна суттєва різниця: фізики мають можливість перевірити свої теоретичні розрахунки за допомогою відповідних експериментів, в той час як астрономи у більшості випадків такої можливості не мають, бо вивчають природу далеких космічних об’єктів, тому інколи виникають сумніви щодо вірогідності астрофізичних теорій.

Розглянемо основні методи, за допомогою яких астрономи збирають інформацію про події в далекому космосі. Виявляється, що основним джерелом такої інформації є електромагнітні хвилі та елементарні частинки, які випромінюють космічні тіла, а також гравітаційні та електромагнітні поля, за допо­могою яких ці тіла між собою взаємодіють.

Спостереження за об’єктами Всесвіту здійснюється у спеціальних астрономічних обсерваторіях. У цих кос­мічних дослідженнях астрономи навіть мають перевагу перед фізиками, бо можуть спостерігати за процесами, які відбувалися мільйони або мільярди років тому.

 

2)     Закони випромінювання абсолютно чорного тіла.

Як відомо з курсу фізики, атоми можуть випромінювати або поглинати енергію електро­магнітних коливань різної частоти — від цього залежать яскравість та колір того чи іншого тіла. Для розрахунків інтенсивності випромінювання вводиться поняття так званого абсолютно чорного тіла, яке може ідеально поглинати і випромінювати електромагнітні коливання в діапазоні всіх довжин хвиль (неперервний спектр).

Зорі випромінюють електромагнітні хвилі різної дов­жини , але в залежності від температури поверхні най­більше енергії припадає на певну частину спектра  (рис. 11). Цим пояснюються різноманітні кольори зір — від червоного до синього.

Використовуючи закони випромінювання абсолютно чорного тіла, які відкрили фізики на Землі, астрономи розраховують температуру далеких космічних світил (рис. 12).

При температурі 300 К абсолютно чорне тіло випро­мінює енергію переважно в інфрачервоній частині спектра, яка не сприймається неозброєним оком. При низьких температурах таке тіло, знаходячись у стані термодина­мічної рівноваги, має справді чорний колір.

 

3)     Визначення температури космічних тіл. Астрономічні спостереження неозброєним оком.

Око є унікальним органом чуття, за допомогою якого ми отримуємо понад 90 % інформації про навколишній світ. Оптичні характеристики ока визначаються роз­дільною здатністю та чутливістю.

Роздільна здатність ока, або гострота зору, — це спро­можність розрізняти об’єкти певних кутових розмірів. Встановлено, що роздільна здатність ока людини не пере­вищує 1′. Це означає, що ми можемо бачити окремо дві зорі (або дві букви у тексті книги), якщо кут між ними , а якщо , то ці зорі зливаються в одне світило, тому розрізнити їх неможливо. Ми розріз­няємо диски Місяця та Сонця, бо кут, під яким видно діаметр цих світил (кутовий діаметр), дорівнює близько 30′, в той час як кутові діаметри планет та зір менші ніж 1′, тому ці світила неозброєним оком видно як яскраві точки. З далеких планет Плутона та Нептуна диск Сонця для космонавтів буде мати вигляд яскравої зорі.

Чутливість ока визначається порогом сприйняття квантів світла. Найбільшу чутливість око має у жов­то-зеленій частині спектра, і ми можемо реагувати на 7—10 квантів, які попадають на сітківку за 0,2—0,3 с. В астрономії чутливість ока можна визначити за допомо­гою так званих видимих зоряних величин, які характе­ризують яскравість небесних світил .

 

4)           Схема телескопа-рефрактора. Збільшення телескопа. Схема телескопа-рефлектора.

На жаль, більшість космічних об’єктів ми не можемо спостерігати неозброєним оком, бо його мо­жливості обмежені. Телескопи (грец. tele — далеко, skopos — бачити) дозволяють нам побачити далекі небесні світила або зареєструвати їх за допомогою інших прий­мачів електромагнітного випромінювання — фотоапарата, відеокамери. За конструкцією телескопи можна поділити на три групи: рефрактори (латин. refractus — заломлення), або лінзові телескопи (рис. 13); рефлектори (латин. reflectio — відбиваю), або дзеркальні телескопи (рис. 13); дзеркально-лінзові телескопи.

Нехай на нескінченності знаходиться небесне світило, яке для неозброєного ока видно під кутом  Двоопукла лінза, яку називають об’єктивом, будує зображення світила у фокальній площині на відстані F від об’єктивa. У фокальній площині установлюють фотопластину, відеокамеру або інший перетворювач зображення. Для візуальних спостережень використовують коротко­фокусну лінзу — лупу, яку називають окуляром.

Збільшення телескопа визначається так:

де  — кут зору на виході окуляра;  — кут зору, під яким зорю видно неозброєним оком; — фокусні від­стані відповідно об’єктива й окуляра.

Із формули  видно, що збільшення п телескопа збільшує кут зору , тобто збільшує роздільну здатність ока.

За допомогою телескопа збільшується яскравість світил. Яскравість буде у стільки разів більша від тієї, що сприймається неозброєним оком, у скільки площа об’єктива більша від площі зіниці ока.

Для визначення різних фізичних характеристик космічних тіл (їх руху, температури, хімічного складу тощо) необхідно проводити спектральні спостереження, тобто треба вимірювати, як розподіляється випроміню­вання енергії в різних ділянках спектра. Для цього створено ряд додаткових пристроїв та приладів (спек­трографи, телевізійні камери та ін.), які сукупно з те­лескопом дають можливість окремо виділяти і дослі­джувати випромінювання ділянок спектра.

Для реєстрації електромагнітного випромінювання в радіодіапазоні (довжина хвилі від 1 мм і більше — рис. 14) створені радіотелескопи, які приймають радіохвилі за допомогою спеціальних антен і передають їх до приймача. У радіоприймачі космічні сигнали опрацьовуються і реєструються спеціальними приладами.

Існують два типи радіотелескопів — рефлекторні та радіоінтерферометри. Принцип дії рефлекторного радіо­телескопа такий самий, як телескопа-рефлектора, тільки дзеркало для збирання електромагніт­них хвиль виготовляється з металу. Часто це дзеркало має форму параболоїда обертання. Чим більший діаметр такої параболічної «тарілки», тим більші роздільна здат­ність та чутливість радіотелескопа.

Найбільший в Україні радіотелескоп РТ-70 має діаметр 70 м, він розташований у Криму

(рис. 15).

Радіоінтерферометри складаються з великої кіль­кості окремих антен, які розташовані на поверхні Землі у певному порядку. Якщо дивитися зверху, то велика кількість таких антен нагадує велетенський хрест або літеру «Т». Найбільший у світі радіотелескоп такого типу УТР-2 знаходиться у Харківській області (рис. 16).

 

5)     Основи спектрального аналізу. Електронні приймачі випромінювання.

Електронні прилади для реєстрації випромінювання космічних світил. Електронні прилади для реєстрації випромінювання значно збільшують роздільну здатність та чутливість телескопів. До таких приладів належать фотопомножувачі та електронно-оптичні перетворювачі, дія яких ґрунтується на явищі зовнішнього фотоефекту. Наприкінці XX ст. для отримання зображення почали застосовувати прилади зарядового зв’язку (ПЗЗ), у яких використовується явище внутрішнього фотоефекту. Вони складаються з дуже маленьких кремнієвих еле­ментів (пікселів), що розташовані на невеликій площі. Матриці ПЗЗ використовують не тільки в астрономії, але й у домашніх телекамерах і фотоапаратах — так звані цифрові системи для отримання зображення (рис. 6.6). До того ж, ПЗЗ більш ефективні, ніж фотоплівки, бо сприймають 75 % фотонів, в той час як плівка — лише 5 %. Таким чином, ПЗЗ значно збільшують чутливість приймачів електромагнітного випромінювання і дають змогу реєструвати космічні об’єкти у десятки разів слабші, ніж при фотографуванні.

 

6)    Дослідження космосу за допомогою міжпланетних автома­тичних станцій. Астрономічні обсерваторії України та світу.

Вивчення Всесвіту за допомогою космічних апаратів. З початком космічної ери настає новий етап вивчення Всесвіту за допомогою ШСЗ та АМС. Космічні методи ма­ють суттєву перевагу перед наземними спостереженнями, бо значна частина електромагнітного випромінювання зір та планет затримується в земній атмосфері. У 1990 р. в СІЛА був створений унікальний космічний телескоп Габбла з діаметром дзеркала 2,4 м (рис. 17). Зараз у космосі функціонує багато обсерваторій, які реєструють та аналізують випромінювання всіх діапазонів  — від радіохвиль до гама-променів.

Великий внесок у вивчення Всесвіту зробили також українські вчені. За їх участі були створені перші КА, які почали досліджувати не тільки навколоземний простір, але й інші планети. Автоматичні міжпланетні станції серії «Луна», «Марс», «Венера» передали на Землю зображення інших планет з такою роздільною здатністю, яка у тисячі разів перевершує можливості наземних телескопів. Людство вперше побачило навіть панорами чужих світів з дивовижними пейзажами. На цих АМС була встановлена апаратура для проведення безпосередніх фізичних, хімічних та біологічних екс­периментів.

Переглянути презентації Заняття № 4(1), Заняття № 4(2)

Реклама

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s