В.А. Алешкевич, Л.Г. Деденко, В.А. Караваев - Механика (1114476), страница 17
Текст из файла (страница 17)
4.10Ðèñ. 4.1175ïîëíàÿ ðàñ÷åòíàÿ õàðàêòåðèñòè÷åñêàÿ ñêîðîñòü îêàçûâàåòñÿ ðàâíîé 9,66 êì/ñ. Åñëè ó÷åñòüïîòåðè ñêîðîñòè (èõ îöåíêà ñîñòàâëÿåò Lï = 1,91 êì/ñ, ñì. íèæå), òî ïîëó÷èì âåëè÷èíó,ðàâíóþ 7,75 êì/ñ, ÷òî â ïðåäåëàõ ïîãðåøíîñòè îöåíîê ñîâïàäàåò ñ ôàêòè÷åñêè äîñòèãíóòîé ñêîðîñòüþ êîñìè÷åñêîãî êîðàáëÿ 7,79 êì/ñ.Ïîòåðè ñêîðîñòè, î êîòîðûõ ãîâîðèëîñü âûøå, âîçíèêàþò âñëåäñòâèå òðåõ îñíîâíûõ ïðè÷èí. Ïðåæäå âñåãî íåîáõîäèìî ó÷åñòü, ÷òî ïðè ñòàðòå ñ ïîâåðõíîñòè Çåìëè íàðàêåòó äåéñòâóþò ñèëû çåìíîãî ïðèòÿæåíèÿ è àýðîäèíàìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ âîçäóõà ïðè äâèæåíèè â ïëîòíûõ ñëîÿõ àòìîñôåðû. Êðîìå òîãî, äëÿ ðåàëèçàöèè çàäàííîéíàêëîííîé òðàåêòîðèè âåêòîð ñèëû òÿãè äâèãàòåëåé äîëæåí áûòü íàïðàâëåí íå âäîëüâåêòîðà ñêîðîñòè ðàêåòû, à ïîä íåáîëüøèì óãëîì ê íåìó.
Òàê êàê â ýòîì ñëó÷àå äëÿðàçãîíà ðàêåòû èñïîëüçóåòñÿ íå âñÿ ñèëà òÿãè, ýòî ïðèâîäèò ê äîïîëíèòåëüíûì ïîòåðÿì ñêîðîñòè.Ïîòåðè ñêîðîñòè â ãðàâèòàöèîííîì ïîëå Çåìëè îáóñëîâëåíû òåì, ÷òî ðàêåòà âñåâðåìÿ ñâîáîäíî «ïàäàåò», è çà âðåìÿ t0 ≈ 150 c ðàáîòû äâèãàòåëåé ïåðâîé ñòóïåíè îíàïðèîáðåòàåò âåðòèêàëüíóþ êîìïîíåíòó ñêîðîñòè, íàïðàâëåííóþ ê Çåìëå è ðàâíóþLã1 = −gt0 ≈ −9,8 ⋅ 10−3 ⋅ 150 ≈ −1,5 êì/ñ.(4.47)Îäíàêî ýòî òîëüêî âåðõíÿÿ, çàâûøåííàÿ îöåíêà ïîòåðü ñêîðîñòè, ïðèãîäíàÿ â ñëó÷àå äâèæåíèÿ ïî âåðòèêàëè. Äåëî â òîì, ÷òî ðàêåòà òîëüêî ñòàðòóåò â âåðòèêàëüíîìíàïðàâëåíèè, ÷òîáû áûñòðåå ïðåîäîëåòü ïëîòíûå ñëîè àòìîñôåðû, à çàòåì äâèæåòñÿïî íàêëîííîé òðàåêòîðèè. Òðàåêòîðèÿ îïðåäåëÿåòñÿ èç óñëîâèÿ âûâîäà íà îðáèòó ïîëåçíîãî ãðóçà ñ ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîé ìàññîé. Ðåøåíèå ýòîé çàäà÷è îïòèìèçàöèèîïðåäåëÿåò çàêîí èçìåíåíèÿ óãëà íàêëîíà γ òðàåêòîðèè ïî îòíîøåíèþ ê ïîâåðõíîñòèÇåìëè:γ(t) = 90° ⋅ exp(−t/τ),(4.48)ãäå τ ≈ 170 ñ.Äëÿ òàêîé òðàåêòîðèè ïîòåðè ñêîðîñòè èç-çà ñèë ãðàâèòàöèè îïðåäåëÿþòñÿ êàêL ã1 =t0∫ g sin γ(t )dt .(4.49)0Îöåíêà èíòåãðàëà (4.49) ÷èñëåííûìè ìåòîäàìè äàåò Lã1 ≈ −1,22 êì/ñ, ÷òî ïî ìîäóëþ ìåíüøå, ÷åì îöåíêà (4.47).
Ãðàâèòàöèîííûå ïîòåðè äëÿ âòîðîé è òðåòüåé ñòóïåíè ðàêåòû, îöåíåííûå ïî ôîðìóëå (4.49), äàþò ñîîòâåòñòâåííî Lã2 ≈ −0,34 êì/ñ èLã3 ≈ −0,12 êì/ñ. Òàêèì îáðàçîì, ñóììàðíûå ïîòåðè èç-çà ñèë ãðàâèòàöèè ðàâíûLã = Lã1 + Lã2 + Lã3 ≈ −1,68 êì/ñ, ÷òî ñîâïàäàåò ñî çíà÷åíèåì, îïóáëèêîâàííûì â ëèòåðàòóðå. Òàê êàê âåëè÷èíà g óìåíüøàåòñÿ ñ âûñîòîé, òî ýòè ïîòåðè áóäóò åùå ìåíüøå.Îöåíèì òåïåðü ïîòåðè ñêîðîñòè èç-çà ñèë àýðîäèíàìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ âîçäóõà. Ñèëà ñîïðîòèâëåíèÿ (ñì. ëåêöèþ 18) ðàâíà Fc = Cx S ρL 2/2, ãäå êîýôôèöèåíò Cx ≈≈ 0,5, S ≈ 100 ì2 ïëîùàäü ïîïåðå÷íîãî ñå÷åíèÿ ðàêåòû. Ñêîðîñòü L ðàêåòû âñå âðåìÿóâåëè÷èâàåòñÿ, à ïëîòíîñòü âîçäóõà ρ óìåíüøàåòñÿ. Ïîýòîìó ñèëà Fñ äîñòèãàåò ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ, à çàòåì ïàäàåò, òàê êàê íà áîëüøèõ âûñîòàõ ïëîòíîñòü âîçäóõàñòàíîâèòñÿ íåçíà÷èòåëüíîé.  èçîòåðìè÷åñêîé àòìîñôåðå ïëîòíîñòü ρ óáûâàåò ñ âûñîòîé h ïî çàêîíó ρ = ρ0 exp(−h/h0), ãäå ρ0 ≈ 1,3 êã/ì3 ïëîòíîñòü ó ïîâåðõíîñòè Çåìëè,à h0 ≈ 8 êì òàê íàçûâàåìàÿ ïðèâåäåííàÿ âûñîòà èçîòåðìè÷åñêîé àòìîñôåðû.
Çàïèøåì óðàâíåíèå Ìåùåðñêîãî (4.36) äëÿ íà÷àëüíîãî âåðòèêàëüíîãî ó÷àñòêà òðàåêòîðèè:M (t )dL= F ò − M (t ) g + Fñ .dt(4.50)Ïîñêîëüêó ñèëà ñîïðîòèâëåíèÿ Fc ìàëà, áóäåì ðåøàòü óðàâíåíèå (4.50) ìåòîäîìïîñëåäîâàòåëüíûõ ïðèáëèæåíèé: ñíà÷àëà íàéäåì ðåøåíèå áåç ó÷åòà ñèëû Fc, à çàòåì,76èñïîëüçóÿ ýòî ðåøåíèå, îöåíèì ïîïðàâêó ê ñêîðîñòè, âîçíèêàþùóþ èç-çà ñèë àýðîäèíàìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ. Ñ÷èòàÿ ñèëó òÿãè Fò, ðàñõîä òîïëèâà μ è óñêîðåíèåñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ g ïîñòîÿííûìè âåëè÷èíàìè, íàõîäèì èç (4.50) óñêîðåíèå ðàêåòû:a=dLFò=− g,dtM (t )(4.51)ãäå ïåðåìåííàÿ ìàññà M (t) óáûâàåò ñî âðåìåíåì ïî çàêîíó:M(t) = M0 − μt.(4.52)Èíòåãðèðîâàíèå óñêîðåíèÿ (4.51) ïîçâîëÿåò ðàññ÷èòàòü ñêîðîñòü:tL (t ) = ∫ a(t )dt = −0μ ⎞Fò ⎛ln ⎜1 −t − gt .μM 0 ⎟⎠⎝(4.53)Èíòåãðàë îò ñêîðîñòè L(t) îïðåäåëÿåò âûñîòó ïîäúåìà h:th(t ) = ∫ L (t )dt = −0F ò M 0 ⎡⎛μt ⎞ ⎛μt ⎞ μt ⎤ gt 2ln ⎜1 −.+⎢⎜ 1 −⎥−⎟2M0 ⎠ ⎝M 0 ⎟⎠ M 0 ⎦2μ⎣⎝(4.54)Ñ ó÷åòîì (4.53) è (4.54) ìîæíî îïðåäåëèòü çàâèñèìîñòü ñèëû ñîïðîòèâëåíèÿ îòâðåìåíè:Fñ (t ) =⎛ h(t ) ⎞ 21C x S ρ 0 exp ⎜ −⎟ L (t ).2⎝ h0 ⎠(4.55)Ïîòåðè ñêîðîñòè èç-çà ñèëû àýðîäèíàìè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ ìîæíî ïðèáëèæåííî îöåíèòü ñëåäóþùèì îáðàçîì:Lñ ≈FñL ã,M0 g(4.56)ãäå Fc õàðàêòåðíîå çíà÷åíèå ñèëû ñîïðîòèâëåíèÿ.Îöåíèì âåðõíèé ïðåäåë L c, ïîäñòàâëÿÿ â (4.56) ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå Fc.
Äëÿýòîãî îïðåäåëèì ýêñòðåìóì âûðàæåíèÿ (4.55). Óñëîâèå ýêñòðåìóìà ïðèâîäèò ê óðàâíåíèþ îòíîñèòåëüíî θ:θ = −βãäå θ =μFòt; α =; β=M0M0 gα− 1 − α ln(1 − θ),1− θ(4.57)2h0 μ.g M0Ïðè çíà÷åíèÿõ ïàðàìåòðîâ Ì0 = 2,95⋅106 êã, μ = 1,3 ⋅ 104 êã/ñ, Fò = 3,385 ⋅ 107 Í èçóðàâíåíèÿ (4.57) ñëåäóåò, ÷òî θ ≈ 0,36, à t ≈ 81 ñ.
Çà ýòî âðåìÿ ðàêåòà äîñòèãàåò ñêîðîñòè L (t) ≈ 361 ì/ñ, ïîäíèìàÿñü íà âûñîòó h (t) ≈ 11 êì, ãäå ïëîòíîñòü âîçäóõà ðàâíàρ(h) ≈ 0,3 êã/ì3. Ìàêñèìàëüíàÿ ñèëà ñîïðîòèâëåíèÿ íà ýòîé âûñîòå Fc ≈ 0,036M0 g,ïîýòîìó ïîòåðè ñêîðîñòè ñîñòàâëÿþò L c ≈ 0,036L ã ≈ −0,06 êì/ñ. Âèäíî, ÷òî ýòî äåéñòâèòåëüíî ìàëàÿ âåëè÷èíà, è ñëåäîâàòåëüíî, ïðèáëèæåííûé ìåòîä åå ïîëó÷åíèÿ âïîëíåîïðàâäàí. Ðàñ÷åòíîå çíà÷åíèå L c ≈ −0,06 êì/ñ â ïðåäåëàõ ïîãðåøíîñòè âû÷èñëåíèéñîâïàäàåò ñ îïóáëèêîâàííûì â ëèòåðàòóðå çíà÷åíèåì −0,05 êì/ñ. ×òî êàñàåòñÿ ïîòåðüñêîðîñòè, ñâÿçàííûõ ñ îòêëîíåíèåì âåêòîðà òÿãè îò íàïðàâëåíèÿ âåêòîðà ñêîðîñòè,òî, ñîãëàñíî ëèòåðàòóðíûì äàííûì, îíè ñîñòàâëÿþò L í ≈ −0,17 êì/ñ.Íà ðèñ. 4.12 è 4.13 ïðèâåäåíû çàâèñèìîñòè ñêîðîñòè è òàíãåíöèàëüíîãî óñêîðåíèÿ ðàêåòû ïðè åå äâèæåíèè ïî òðàåêòîðèè ñ óãëîì íàêëîíà ê ïîâåðõíîñòè Çåìëè,77Ðèñ.
4.12Ðèñ. 4.13îïðåäåëÿåìûì ôîðìóëîé (4.48). Âåðòèêàëüíûìè øòðèõîâûìè ëèíèÿìè îáîçíà÷åíûìîìåíòû îòäåëåíèÿ ïåðâîé è âòîðîé ñòóïåíåé. Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî âûñîòà îðáèòûñîñòàâëÿåò h ≈ 200 êì, à ðàññòîÿíèå îò ìåñòà ñòàðòà äî òî÷êè âûâîäà íà îðáèòó ðàâíîs ≈ 2700 êì.Êðàòêî îïèøåì äàëüíåéøèé ïîëåò òðåòüåé ñòóïåíè ðàêåòû «Ñàòóðí-5» âìåñòå ñêîñìè÷åñêèì êîðàáëåì «Àïîëëîí».  ïîäõîäÿùèé ìîìåíò ïîâòîðíî âêëþ÷àåòñÿ äâèãàòåëü 3-é ñòóïåíè, êîòîðûé ñîîáùàåò êîñìè÷åñêîìó êîðàáëþ «Àïîëëîí» äîïîëíèòåëüíóþ õàðàêòåðèñòè÷åñêóþ ñêîðîñòü L g ≈ 3,04 êì/ñ è âûâîäèò åãî íà òðàåêòîðèþ ïîëåòà êËóíå (ðèñ. 4.14).
Òðàåêòîðèÿ âûáèðàåòñÿ òàêîé, ÷òîáû âñåãäà ñóùåñòâîâàëà âîçìîæíîñòüâåðíóòüñÿ ïîñëå îáëåòà Ëóíû íà Çåìëþ, ïðàêòè÷åñêè íå èñïîëüçóÿ äâèãàòåëè. Ýòîòâûáîð ñòðàõóåò êîñìîíàâòîâ â ñëó÷àå êàêîé-ëèáî àâàðèè. Êîãäà â 1970 ã. âî âðåìÿ ïîëåòà êîñìè÷åñêîãî êîðàáëÿ «Àïîëëîí-13» íà ðàññòîÿíèè : 300 000 êì îò Çåìëè ïðîèçîøåë âçðûâ êèñëîðîäíîãî áàêà, êîòîðûé âûâåë èç ñòðîÿ âñå äâèãàòåëè ñëóæåáíîãî îòñåêà, êîñìîíàâòû ñóìåëè îáëåòåòü Ëóíó è âåðíóòüñÿ íà Çåìëþ, èñïîëüçóÿ äëÿ îðèåíòàöèè è êîððåêöèè òðàåêòîðèè äâèãàòåëè ëóííîãî îòñåêà (ñì.
íèæå). Ñëåäóåò îòìåòèòü,÷òî êîñìè÷åñêèé êîðàáëü âõîäèò â ñôåðó ïðèòÿæåíèÿ Ëóíû ñî ñêîðîñòüþ L≈ 0,6 êì/c,â òî âðåìÿ êàê Ëóíà äâèæåòñÿ ïî ñâîåé îðáèòå ñ áîëüøåé ñêîðîñòüþ L ë ≈ 1 êì/c.Ïîñêîëüêó êîðàáëü «äîãíàòü» Ëóíó íå ìîæåò, òðàåêòîðèþ âûáèðàþò òàêîé, ÷òîáû Ëóíàïðèáëèæàëàñü ê êîðàáëþ (ñì. ðèñ. 4.14).Êîñìè÷åñêèé êîðàáëü «Àïîëëîí» ñîñòîÿë èç òðåõ îòñåêîâ: êîìàíäíîãî, âîçâðàùàåìîãî íà Çåìëþ, ñëóæåáíîãî, äâèãàòåëè êîòîðîãî èñïîëüçîâàëèñü êàê äëÿ âûâîäà íàîðáèòó âîêðóã Ëóíû ëóííîãî êîðàáëÿ, òàê è äëÿ ïîñëåäóþùåãî âîçâðàùåíèÿ ñ îðáèòûíà òðàåêòîðèþ äâèæåíèÿ ê Çåìëå, è, íàêîíåö, ëóííîãî,êîòîðûé, â ñâîþ î÷åðåäü, ñîñòîÿë èç ïîñàäî÷íîé è âçëåòíîé ñòóïåíåé.
Äâà ïåðâûõ îòñåêà íàçûâàëèñü îñíîâíûìáëîêîì. Íà÷àëüíàÿ ìàññà êîñìè÷åñêîãî êîðàáëÿ «Àïîëëîí-11» ñîñòàâëÿëà 43,9 ⋅ 103 êã. Òàê êàê êîðàáëü âõîäèë âñôåðó ïðèòÿæåíèÿ Ëóíû ñ îòëè÷íîé îò íóëÿ ñêîðîñòüþ,äâèãàëñÿ îí âîêðóã Ëóíû ïî ãèïåðáîëè÷åñêîé òðàåêòîðèè (ñì. ëåêöèþ 5), à åãî ñêîðîñòü âáëèçè ïîâåðõíîñòèËóíû ñîñòàâëÿëà ïðèìåðíî 2,5 êì/c (âòîðàÿ êîñìè÷åñêàÿñêîðîñòü äëÿ Ëóíû). áëèæàéøåé ê Ëóíå òî÷êå òðàåêòîðèè íàä åå îáðàòíîéñòîðîíîé ñ ïîìîùüþ äâèãàòåëåé ñëóæåáíîãî îòñåêà ñêîðîñòü êîðàáëÿ îòíîñèòåëüíî Ëóíû óìåíüøàëàñü äî 1,7 êì/ñ(ïåðâàÿ êîñìè÷åñêàÿ ñêîðîñòü äëÿ Ëóíû) è êîðàáëü ïåðåÐèñ.
4.1478õîäèë íà ýëëèïòè÷åñêóþ îðáèòó âîêðóã Ëóíû. Ïðè ýòîì ñæèãàëîñü ïðèìåðíî 10,3 ⋅ 103êã òîïëèâà. Çàòåì êîðàáëü ïåðåõîäèë íà êðóãîâóþ îðáèòó ñ âûñîòîé îêîëî 111 êì. Ñýòîé êðóãîâîé îðáèòû îòäåëèâøèéñÿ îò îñíîâíîãî áëîêà ëóííûé êîðàáëü äâèãàëñÿâíà÷àëå ïî ýëëèïòè÷åñêîé îðáèòå ñ ìèíèìàëüíîé âûñîòîé ≈ 15 êì, à çàòåì ñîâåðøàëìÿãêóþ ïîñàäêó. Îòìåòèì, ÷òî âïåðâûå ïðåäëîæåíèÿ î âûâîäå êîñìè÷åñêèõ êîðàáëåéíà îðáèòû âîêðóã íåáåñíûõ òåë ïåðåä ïîñàäêîé íà íèõ áûëè âûñêàçàíû èçâåñòíûìðóññêèì ó÷åíûì Þ.
Â. Êîíäðàòþêîì â 1919 ã.Ìàññà ëóííîãî êîðàáëÿ áûëà ðàâíà ïðèìåðíî 15,1 ⋅ 103 êã (âêëþ÷àÿ ìàññó òîïëèâàïîñàäî÷íîé ñòóïåíè îêîëî 8,2 ⋅ 103 êã). Ïðè ýòèõ çíà÷åíèÿõ ìàññû è ïðè ñêîðîñòè èñòå÷åíèÿ îêîëî 3 êì/c õàðàêòåðèñòè÷åñêàÿ ñêîðîñòü, îïðåäåëÿåìàÿ ïî ôîðìóëå Öèîëêîâñêîãî, ïîëó÷àåòñÿ ðàâíîé ïðèìåðíî 2,4 êì/c, ÷òî âïîëíå äîñòàòî÷íî êàê äëÿ ïîãàøåíèÿ äî íóëÿ îðáèòàëüíîé ñêîðîñòè îêîëî 1,7 êì/c, òàê è äëÿ ðàçëè÷íûõ ìàíåâðîâ(íàïðèìåð, âûáîðà ìåñòà ïðèëóíåíèÿ è êîððåêöèè òðàåêòîðèè).×àñòü ëóííîãî êîðàáëÿ âçëåòíàÿ ñòóïåíü èìåëà ìàññó îêîëî 4,7 ⋅ 103 êã (â òîì÷èñëå ≈ 2,4 ⋅ 103 êã òîïëèâà). Ïðè òîé æå ñêîðîñòè èñòå÷åíèÿ 3 êì/c ýòè ïàðàìåòðûîáåñïå÷èâàëè õàðàêòåðèñòè÷åñêóþ ñêîðîñòü îêîëî 2 êì/c, ÷òî áûëî äîñòàòî÷íî äëÿâûâîäà âçëåòíîé ñòóïåíè íà îðáèòó âîêðóã Ëóíû è ïîñëåäóþùèõ ìàíåâðîâ.
Ïîñëå ñòûêîâêè ñ îñíîâíûì áëîêîì, ìàññà êîòîðîãî óæå óìåíüøèëàñü ïðèìåðíî äî 18,6 ⋅ 103 êã(â òîì ÷èñëå îêîëî 8,2 ⋅ 103 êã òîïëèâà), ïîñëåäíèé ïåðåâîäèëñÿ íà òðàåêòîðèþ ïîëåòàê Çåìëå, äëÿ ÷åãî íàäî áûëî óâåëè÷èòü ñêîðîñòü îòíîñèòåëüíî Ëóíû íà ≈ 1 êì/c. Äëÿòîé æå ñêîðîñòè èñòå÷åíèÿ, êîòîðàÿ èñïîëüçîâàëàñü âûøå, õàðàêòåðèñòè÷åñêàÿ ñêîðîñòü îñíîâíîãî áëîêà íà ýòîì ýòàïå ðàâíÿëàñü ïðèìåðíî 1,7 êì/c, ÷òî âïîëíå äîñòàòî÷íî êàê äëÿ ìàíåâðîâ, òàê è äëÿ âûõîäà íà òðàåêòîðèþ ïîëåòà ê Çåìëå.
Âáëèçè Çåìëè, êîãäà ñêîðîñòü âîçðàñòàëà äî ≈ 11 êì/c, îòäåëÿëñÿ êîìàíäíûé îòñåê ñ êîñìîíàâòàìè (ìàññà îòñåêà îêîëî 5,5 ⋅ 103 êã) è òîðìîçèëñÿ â àòìîñôåðå Çåìëè. Ïîëåò çàâåðøàëñÿïðèâîäíåíèåì â Òèõîì îêåàíå, ïðè÷åì íà ïîñëåäíåì ýòàïå äëÿ ïîãàøåíèÿ ñêîðîñòèèñïîëüçîâàëèñü ïàðàøþòû. Ìàññà ïðèâîäíÿåìîãî àïïàðàòà ñîñòàâëÿëà ïðèìåðíî 1/500÷àñòü îò ñòàðòîâîé ìàññû ðàêåòû.Òàêèì îáðàçîì, ôîðìóëà Öèîëêîâñêîãî ïîçâîëÿåò îöåíèòü âàæíåéøèå ïàðàìåòðûïîëåòà äàæå â ñëó÷àå òàêîé î÷åíü ñëîæíîé ýêñïåäèöèè, êàê ñ Çåìëè íà Ëóíó, èîáðàòíî.Ìîìåíò êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ (èìïóëüñà) ìàòåðèàëüíîé òî÷êè. Ìîìåíò êîëè÷åñòâà äâèæåíèÿ (ìîìåíò èìïóëüñà) ÷àñòèöû ñ ìàññîé m îòíîñèòåëüíî òî÷êèO îïðåäåëÿåòñÿ êàê âåêòîðíîå ïðîèçâåäåíèå ðàäèóñà-âåêòîðà r ÷àñòèöû íà ååèìïóëüñ p (ðèñ.