Космическая скорость: что это, сколько их, значения, формулы расчета

Космическая скорость — это скорость объекта, позволяющая ему покинуть планету и звездную систему и преодолеть гравитацию. Существует пять типов скоростей, но используются только первые три.

Что мы знаем о космических скоростях?

Если подбросить предмет вверх, через определенное время он упадет на поверхность. Это гравитация планеты. Все крупные космические тела обладают гравитационной силой и притягиваются друг к другу. Именно поэтому люди не «падают» и не летают в космос, луна не удаляется от земли, бывают наводнения и реки, а планета вращается вокруг солнца.

Космическая скорость: что это такое, сколько их, значения, формулы расчета

Луна вращается вокруг земли

Следовательно, чтобы покинуть планету или звездную систему, необходимо развить такую ​​скорость, чтобы преодолеть существующее притяжение. Важно отметить, что каждая планета имеет свои значения космической скорости. На расчет влияет масса планеты, ее радиус и значение ускорения свободного падения (G).

Например, значение первой и второй космических скоростей для Меркурия составляет 3005 м/с и 4300 м/с, для Венеры — 7325 м/с и 10400 м/с, для Луны — 1678 м/с и 2400 м/с с, для Марса — 3546 м/с и 5000 м/с, а для Солнца — 437047 м/с и 618100 м/с.

Сколько существует космических скоростей?

Гравитация Земли и нашего Солнца несопоставима. Поэтому скорость, с которой возможно вылететь на орбиту планеты и покинуть звездную систему, различна.

Астродинамика различает 5 типов космических скоростей:

  • Первый (орбитальный, круговой) — позволяет покинуть планету, но объект будет двигаться по своей круговой траектории, как спутник;
  • Второй (параболический) — позволяет уйти в звездную систему, преодолев гравитацию планеты, объект движется по параболической орбите;
  • Третий (гиперболический) — позволяет покинуть систему, преодолеть гравитацию планеты и звезды;
  • В-четвертых, объект покидает галактику;
  • Пятая — позволяет летать на планеты другой звездной системы вне зависимости от расположения планет в галактике.

Первая космическая скорость позволяет преодолеть гравитацию планеты. Если аппарат будет лететь с меньшей скоростью, то рано или поздно он упадет. Это минимальная скорость, которую должны развивать ракеты при выходе на орбиту. При этом вертикально взлетают только первые 100 км. Затем ракета наклоняется и летит почти горизонтально к планете. И только при преодолении высоты 150-200 км набирает скорость в космосе.

Получается, что ракета летит по круговой траектории. Поэтому второе название первой космической скорости – круговая или орбитальная. Для Земли это 7900 м/с.

Космическая скорость: что это такое, сколько их, значения, формулы расчета

Орбитальная станция

На второй космической скорости объект будет двигаться по параболической траектории, потому что гравитационная сила звезды продолжает действовать, и он уже становится ее спутником. Для Земли и Солнца минимальный порог составляет 11 200 м/с. Впервые такую ​​скорость развил советский аппарат «Луна-1”. 

Вторую космическую еще называют скоростью разгона, потому что объект должен преодолеть максимальный порог первой скорости, иначе он не сможет покинуть орбиту планеты. При этом орбита аппарата будет иметь эллиптическую траекторию с разной степенью вытянутости, как у комет. На третьей космической скорости, чтобы обойти гравитацию звезды, аппарат должен двигаться по гиперболической траектории. Для Земли это 46900 м/с. Впервые он был достигнут космическим аппаратом New Horizons (НАСА, США) в 2006 г., добавив недостающую скорость 4 км/м у Юпитера. В 2015 году он достиг Плутона. К 2021 году аппарат удалился от Солнца на 50 астрономических единиц и продолжает исследовать космос. Четвертая космическая скорость позволяет покинуть галактику. На данный момент невозможно рассчитать скорость Млечного Пути, потому что невозможно рассчитать гравитационный потенциал. Эта величина не постоянна для всех точек галактики и зависит от их расположения, в том числе и в конкретное время. Важно отметить, что также необходимы данные о расположении масс другой галактики, куда будет осуществляться полет. Но ученые предполагают, что значение четвертой космической скорости в районе Солнца составляет около 550 000 м/с.

Космическая скорость: что это такое, сколько их, значения, формулы расчета

Галактика Андромеды

Пятая космическая скорость упоминается реже, потому что пока недоступны межгалактические планетарные полеты. Но если учесть космическую скорость, которую должен развивать самолет с нашей планеты на другую с вертикальной траекторией, то внутри Солнечной системы она составит около 43 600 м/с.

Первая космическая скорость: формула расчета

На объект на околоземной орбите в равной степени действуют центробежная и гравитационная силы ускорения. Если бы какая-либо из этих сил была больше, объект улетел бы с орбиты или упал бы на поверхность планеты. Отсюда можно приравнять формулы и найти, чему равна первая космическая скорость.

Г=В2Р

Где:

  • G — показатель ускорения свободного падения, равный 9,8 м/с2 ;
  • V – желаемая скорость;
  • R — радиус планеты.

Так как Земля имеет плоскую форму и радиусы на полюсах и экваторе разные, используется среднее значение 6371 км.

В итоге для нахождения первой космической скорости формула выглядит следующим образом:

V = GR = 9,8 * 6371000 = 7900 м/с

Важно отметить, что первая космическая скорость – это порог минимальной скорости для преодоления земного притяжения, чтобы пролететь над поверхностью и не упасть.

Поэтому для каждого спутника на орбите начальная космическая скорость различна. Таким образом, высота, на которую поднимается юнит, добавляется к (R + H к радиусу планеты).

Космическая скорость: что это такое, сколько их, значения, формулы расчета

Сила тяжести

При этом ускорение свободного падения также изменяется на первую космическую скорость и находится по формуле:

G’=GR2/(R+H)2

Подставляя значение в основную формулу, находим орбитальную скорость спутника:

V’=GR2/(R+H)2(R+H) = GR2/(R+H)

Интересно, что с увеличением расстояния скорость траектории уменьшается. Это связано с тем, что кинетическая энергия объекта при выходе на орбиту превращается в потенциальную энергию. А для начала нужно развить первую космическую скорость, пытаясь преодолеть гравитацию планеты и сопротивление атмосферы.

Значение первой космической скорости в расчетах

Первая и вторая космические скорости взаимосвязаны. Таким образом, вторая космическая скорость равна удвоенному ньютоновскому потенциалу на поверхности планеты, взятому с обратным знаком. Следовательно, он будет равен:

В2=2В

Первая, вторая и третья космические скорости также связаны между собой:

В3= (2+1)В12+В22

Четвертую и пятую космические скорости рассчитать сложно, так как на значение влияет множество переменных, поэтому никаких формул приводить не будем. При проектировании космических аппаратов часто рассчитывают первые три, в зависимости от миссии.

Оцените статью
kuzyeti.ru
Добавить комментарий

Adblock
detector