Jak lataja statki kosmiczne? - Instytut Astronomii UZ
advertisement
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
