Глобальные проблемы мирного освоения космоса - Авиация и космонавтика - Скачать бесплатно
Вступление:
Во второй половине XX в. человечество ступило на порог Вселенной - вышло
в космическое пространство. Дорогу в космос открыла наша Родина. Первый
искусственный спутник Земли, открывший космическую эру, запущен бывшим
Советским Союзом, первый космонавт мира - гражданин бывшего СССР.
Космонавтика - это громадный катализатор современной науки и техники,
ставший за невиданно короткий срок одним из главный рычагов современного
мирового процесса. Она стимулирует развитие электроники, машиностроения,
материаловедения, вычислительной техники, энергетики и многих других
областей народного хозяйства.
В научном плане человечество стремится найти в космосе ответ на такие
принципиальные вопросы, как строение и эволюция Вселенной, образование
Солнечной системы, происхождение и пути развития жизни. От гипотез о
природе планет и строении космоса, люди перешли к всестороннему и
непосредственному изучению небесных тел и межпланетного пространства с
помощью ракетно-космической техники.
В освоении космоса человечеству предстоит изучит различные области
космического пространства: Луну, другие планеты и межпланетное
пространство.
Современный уровень космической техники и прогноз её развития
показывают, что основной целью научных исследований с помощью космических
средств, по-видимому, в ближайшем будущем будет наша Солнечная система.
Главными при этом будут задачи изучения солнечно-земных связей и
пространства Земля - Луна, а так же Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера,
Сатурна и других планет, астрономические исследования , медико-
биологические исследования с целью оценки влияния продолжительности полётов
на организм человека и его работоспособность.
В принципе развитие космической технике должно опережать «Спрос»,
связанный с решением актуальных народнохозяйственных проблем. Главными
задачами здесь являются ракет-носителей, двигательных установок,
космических аппаратов, а так же обеспечивающих средств(командно-
измерительных и стартовых комплексов, аппаратуры и т.д.), обеспечение
прогресса в смежных отраслях техники, прямо или косвенно связанных с
развитием космонавтики.
Фантазия
есть качество
величайшей ценности
В. И. Л е н и н
До полётов в мировое пространство нужно было понять и использовать на
практике принцип реактивного движения, научиться делать ракеты, создать
теорию межпланетных сообщений и т.д.
Ракетная техника - далеко не новое понятие. К созданию мощных
современных ракет-носителей человек шёл через тысячелетия мечтаний ,
фантазий, ошибок, поисков в различных областях науки и техники, накопления
опыта и знаний.
Принцип действия ракеты заключается в её движении под действием силы
отдачи, реакции потока частиц, отбрасываемых от ракеты. В ракете. т.е.
аппарате, снабжённом ракетным двигателем, истекающие газы образуются за
счёт реакции окислителя и горючего, хранящихся в самой ракете. Это
обстоятельство делает работу ракетного двигателя независимой от наличия или
отсутствия газовой среды. Таким образом, ракета представляет из себя
удивительную конструкцию, способную перемещаться в безвоздушном
пространстве, т.е. не опорном, космическом пространстве.
Особое место среди русских проектов применения реактивного принципа
полёта занимает проект Н. И. Кибальчича, известного русского революционера,
оставившего несмотря на короткую жизнь(1853-1881), глубокий след в истории
науки и техники. Имея обширные и глубокие знания по математике, физике и
особенно химии, Кибальчич изготовлял самодельные снаряды и мины для
народовольцев. «Проект воздухоплавательного прибора» был результатом
длительной исследовательской работы Кибальчича над взрывчатыми веществами.
Он, по существу, впервые предложил не ракетный двигатель, приспособленный к
какому-либо существовавшему летательном аппарату, как это делали другие
изобретатели, а совершенно новый(ракетодинамический) аппарат, прообраз
современных пилотируемых космических средств, у которых тяга ракетных
двигателей служит для непосредственного создания подъемной силы,
поддерживающей аппарат в полёте. Летательный аппарат Кибальчича должен был
функционировать по принципу ракеты!
Но т.к. Кибальчича посадили в тюрьму за покушение на Царя Александра II,
то проект его летательного аппарата был обнаружен только в 1917 году в
архиве департамента полиции.
Итак, к концу прошлого века идея применения для полётов реактивных
приборов получила в России большие масштабы. И первым кто решил продолжить
исследования был наш великий соотечественник Константин Эдуардович
Циолковский(1857-1935). Реактивным принципом движения он начал
интересоваться очень рано. Уже в 1883 г. он дал описание корабля с
реактивным двигателем. Уже в 1903 году Циолковский впервые в мире дал
возможность конструировать схему жидкостной ракеты. Идеи Циолковского
получили всеобщее признание ещё в 1920-е годы. И блестящий продолжатель его
дела С. П. Королёв за месяц до запуска первого искусственного спутника
Земли говорил что идеи и труды Константина Эдуардовича будут всё больше и
больше привлекать к себе внимание по мере развития ракетной техники, в чём
оказался абсолютно прав!
Начало космической эры
И так через 40 лет после того как был найден проект летательного
аппарата, созданный Кибальчичем, 4 октября 1957 г. бывший СССР
произвел запуск первого в мире искусственного спутника Земли.
Первый советский спутник позволил впервые измерить плотность верхней
атмосферы, получить данные о распространении радиосигналов в ионосфере,
отработать вопросы выведения на орбиту, тепловой режим и др. Спутник
представлял собой алюминиевую сферу диаметром 58 см и массой 83,6 кг с
четырьмя штыревыми антеннами длинной 2,4-2,9 м. В герметичном корпусе
спутника размещались аппаратура и источники электропитания. Начальные
параметры орбиты составляли: высота перигея 228 км, высота апогея 947 км,
наклонение 65,1 гр. 3 ноября Советский Союз сообщил о выведении на орбиту
второго советского спутника. В отдельной герметической кабине находились
собака Лайка и телеметрическая система для регистрации ее поведении в
невесомости. Спутник был также снабжен научными приборами для исследования
излучения Солнца и космических лучей.
6 декабря 1957 г. в США была предпринята попытка запустить спутник
«Авангард-1» с помощью ракеты-носителя, разработанной Исследовательской
лабораторией ВМФ .После зажигания ракета поднялась над пусковым столом,
однако через секунду двигатели выключились и ракета упала на стол,
взорвавшись от удара.
31 января 1958 г. был выведен на орбиту спутник «Эксплорер-1»,
американский ответ на запуск советских спутников. По размерам и
массе он не был кандидатом в рекордсмены. Будучи длинной менее 1 м и
диаметром только ~15,2 см, он имел массу всего лишь 4,8 кг.
Однако его полезный груз был присоеденен к четвертой, послед-
ней ступени ракеты-носителя «Юнона-1». Спутник вместе с ракетой на орбите
имел длину 205 см и массу 14 кг. На нем были установлены датчики наружной и
внутренней температур, датчики эрозии и ударов для определения потоков
микрометеоритов и счетчик Гейгера-Мюллера для регистрации проникающих
космических лучей.
Важный научный результат полета спутника состоял в открытии окружающих
Земля радиационных поясов. Счетчик Гейгера-Мюллера прекратил счет, когда
аппарат находился в апогее на высоте 2530 км, высота перигея составляла 360
км.
5 февраля 1958 г. в США была предпринята вторая попытка запустить
спутник «Авангард-1», но она также закончилась аварией, как и первая
попытка. Наконец 17 марта спутник был выведен на орбиту. В период с
декабря 1957 г. по сентябрь 1959 г. было предпринято одиннадцать
попыток вывести на орбиту «Авангард-1» только три из них были успешными.
ту. В период с декабря 1957
г. по сентябрь 1959 г. было предпринято одиннадцать попыток вывести на
орбиту «Авангард
Оба спутника внесли много нового в космическую науку и технику
(солнечные батареи, новые данные о плотности верхний атмосферы, точное
картирование островов в Тихом океане и т.д.) 17 августа 1958 г. в США
была предпринята первая попытка послать с мыса Канаверал в окрестности
Луны зонд с научной аппаратурой. Она оказалась неудачной. Ракета
поднялась и пролетела всего 16 км. Первая ступень ракеты взорвалась на
77 с полета. 11 октября 1958 г. была предпринята вторая попытка запуска
лунного зонда «Пионер-1», также оказалась неудачной. Последующие
несколько запусков также оказались неудачными, лишь 3 марта 1959 г.
«Пионер-4», массой 6,1 кг частично выполнил поставленную задачу:
пролетел мимо Луны на расстоянии 60000 км (вместо планируемых 24000 км).
Так же как и при запуске спутника Земли, приоритет в запуске первого
зонда принадлежит СССР, 2 января 1959 г. был запущен первый созданный
руками человека объект, который был выведен на траекторию, проходящую
достаточно близко от Луны, на орбиту
спутника Солнца. Таким образом «Луна-1» впервые достигла второй космической
скорости. «Луна-1» имела массу 361,3 кг и пролетела мимо Луны на расстоянии
5500 км. На расстоянии 113000 км от Земли с ракетной ступени,
пристыкованной к «Луне-1», было выпущено облако паров натрия, образовавшее
искусственную комету. Солнечное излучение вызвало яркое свечение паров
натрия и оптические системы на Земле сфотографировали облако на фоне
созвездия Водолея.
«Луна-2» запущенная 12 сентября 1959 г. совершила первый в мире полет на
другое небесное тело. В 390,2-килограммовой сфере размещались приборы,
показавшие, что Луна не имеет магнитного поля и радиационного пояса.
Автоматическая межпланетная станция (АМС) «Луна-3» была запущена 4
октября 1959 г. Вес станции равнялся 435 кг. Основной целью запуска был
облет Луны и фотографирование ее обратной, невидимой с Земли, стороны.
Фотографирование производилось 7
октября в течение 40 мин с высоты 6200 км над Луной.
Человек в космосе
12 апреля 1961 г. в 9 ч 07 мин по московскому времени в нескольких
десятках километров севернее поселка Тюратам в Казахстане на советском
космодроме Байконур состоялся запуск межконтинентальной баллистической
ракеты Р-7, в носовом отсеке которой размещался пилотируемый космический
корабль «Восток» с майором ВВС Юрием Алексеевичем Гагариным на борту.
Запуск прошел успешно. Космический корабль был выведен на орбиту с
наклонением 65 гр, высотой перигея 181 км и высотой апогея 327 км и
совершил один виток вокруг Земли за 89 мин. На 108-ой мин после запуска он
вернулся на Землю, приземлившись в районе деревни Смеловка Саратовской
области. Таким образом, спустя 4 года после выведения первого
искусственного спутника Земли Советский Союз впервые в мире осуществил
полет человека в космическое пространство.
Космический корабль состоял из двух отсеков. Спускаемый аппарат,
являющийся одновременно кабиной космонавта, представлял собой сферу
диаметром 2,3 м, покрытую абляционным материалом для тепловой защиты при
входе в атмосферу. Управление кораблем осуществлялось автоматически, а
также космонавтом. В полете непрерывно поддерживалась с Землей. Атмосфера
корабля - смесь кислорода с азотом под давлением 1 атм. (760 мм рт. ст.).
«Восток-1» имел массу 4730 кг, а с последней ступенью ракеты-носителя 6170
кг. Космический корабль «Восток» выводился в космос 5 раз, после чего было
объявлено о его безопасности для полета человека.
Через четыре недели после полета Гагарина 5 мая 1961 г. капитан
3-го ранга Алан Шепард стал первым американским астронавтом.
Хотя он и не достиг околоземной орбиты, он поднялся над Землей
на высоту около 186 км. Шепард запущенный с мыса Канаверал в
КК «Меркурий-3» с помощью модифицированной баллистической
ракеты «Редстоун», провел в полете 15 мин 22 с до посадки в Атлантическом
океане. Он доказал, что человек в условиях невесомости может осуществлять
ручное управление космическим кораблем. КК «Меркурий» значительно отличался
от КК «Восток».
Он состоял только из одного модуля - пилотируемой капсулы в
форме усеченного конуса длинной 2,9 м и диаметром основания
1,89 м. Его герметичная оболочка из никелевого сплава имела обшивку из
титана для защиты от нагрева при входе в атмосферу.
Атмосфера внутри «Меркурия» состояла из чистого кислорода
под давлением 0,36 ат.
20 февраля 1962 г. США достигли околоземной орбиты. С мыса
Канаверал был запущен корабль «Меркурий-6», пилотируемый
подполковником ВМФ Джоном Гленном. Гленн пробыл на орбите только 4 ч 55
мин, совершив 3 витка до успешной посадки. Целью полета Гленна было
определение возможности работы человека в КК «Меркурий». Последний раз
«Меркурий» был выведен в космос 15 мая 1963 г.
18 марта 1965 г. был выведен на орбиту КК «Восход» с двумя космонавтами
на борту - командиром корабля полковником Павлом
Иваровичем Беляевым и вторым пилотом подполковником Алексеем Архиповичем
Леоновым. Сразу после выхода на орбиту экипаж очистил себя от азота, вдыхая
чистый кислород. Затем был
развернут шлюзовой отсек : Леонов вошел в шлюзовой отсек, закрыл крышку
люка КК и впервые в мире совершил выход в космическое пространство.
Космонавт с автономной системой жизнеобеспечения находился вне кабины КК в
течении 20 мин, временами отдаляясь от корабля на расстояние до 5 м. Во
время выхода он был соединен с КК только телефонным и телемеметрическим
кабелями. Таким образом, была практически подтверждена возможность
пребывания и работы космонавта вне КК.
3 июня был запущен КК «Джемени-4» с капитанами Джеймсом Макдивиттом и
Эдвардом Уайтом. Во время этого полета, продолжавшегося 97 ч 56 мин Уайт
вышел из КК и провел вне кабины 21 мин, проверяя возможность маневра в
космосе с помощью ручного реактивного пистолета на сжатом газе.
К большому сожалению освоение космоса не обошлось без жертв. 27 января
1967 г. экипаж готовившийся совершить первый
пилотируемый полет по программе «Аполлон» погиб во время
пожара внутри КК сгорев за 15 с в атмосфере чистого кислорода. Вирджил
Гриссом, Эдвард Уайт и Роджер Чаффи стали первыми американскими
астронавтами, погибшими в КК. 23 апреля с Байконура был запущен новый КК
«Союз-1», пилотируемый полковником Владимиром Комаровым. Запуск прошел
успешно.
На 18 витке, через 26 ч 45 мин, после запуска, Комаров начал ориентацию для
входа в атмосферу. Все операции прошли нормально, но после входа в
атмосферу и торможения отказала парашютная система. Космонавт погиб
мгновенно в момент удара «Союза» о Землю со скоростью 644 кмч. В
дальнейшем Космос унес не одну человеческую жизнь, но эти жертвы были
первыми.
Нужно заметить, что в естественнонаучном и производительном планах мир
стоит перед рядом глобальных проблем, решение которых требует объединённых
усилий всех народов. Это проблемы сырьевых ресурсов, энергетики, контроля
за состоянием окружающей среды и сохранения биосферы и другие. Огромную
роль в кардинальном их решении будут играть космические исследования - одно
из важнейших направлений научно-технической революции.
Космонавтика ярко демонстрирует всему миру плодотворность мирного
созидательного труда, выгоды объединения усилий разных стран в решении
научных и народнохозяйственных задач.
С какими же проблемами сталкивается космонавтика и сами космонавты?
Начнём с жизнеобеспечения. Что такое жизнеобеспечение? Жизнеобеспечение
в космическом полёте - это создание и поддержание в течении всего полёта в
жилых и рабочих отсеках К.К. таких условий, которые обеспечили бы экипажу
работоспособность, достаточную для выполнения поставленной задачи, и
минимальную вероятность возникновения патологических изменений в организме
человека. Как это сделать? Необходимо существенно уменьшить степень
воздействия на человека неблагоприятных внешних факторов космического
полёта - вакуума, метеорических тел, проникающей радиации, невесомости,
перегрузок; снабдить экипаж веществами и энергией без которых не возможна
нормальная жизнедеятельность человека, - пищей, водой, кислородом и сетом;
удалить продукты жизнедеятельности организма и вредные для здоровья
вещества, выделяемые при работе систем и оборудования космического корабля;
обеспечить потребности человека в движении, отдыхе, внешней информации и
нормальных условиях труда; организовать медицинский контроль за состоянием
здоровья экипажа и поддержание его на необходимом уровне. Пища и вода
доставляются в космос в соответствующей упаковке, а кислород - в химически
связанном виде. Если не проводить восстановление продуктов
жизнедеятельности, то для экипажа из трёх человек на один год потребуется
11 тонн вышеперечисленных продуктов, что, согласитесь, составляет немалый
вес, объём, да и как это всё будет хранится в течении года?!
В ближайшем будущем системы регенерации позволят почти полностью
воспроизводить кислород и вод на борту станции. Уже давно начали
использовать вода после умывания и душа, очищенную в системе регенерации.
Выдыхаемая влага конденсируется в холодильно-сушильном агрегате, а затем
регенерируется. Кислород для дыхания извлекается из очищенной воды
электролизом, а газообразный водород, реагируя с углекислым газом,
поступающим из концентратора, образует воду, которая питает электролизер.
Использование такой системы позволяет уменьшить в рассмотренном примере
массу запасаемых веществ с 11 до 2т. В последнее время практикуется
выращивание разнообразных видов растений прямо на борту корабля, что
позволяет сократить запас пищи который необходимо брать в космос, об этом
упоминал ещё в своих трудах Циолковский.
Космос науке
Освоение космоса во многом помогает в развитии наук:
18 декабря 1980 года было установлено явление стока частиц радиационных
поясов Земли под отрицательными магнитными аномалиями.
Эксперименты, проведённые на первых спутниках показали, что околоземное
пространство за пределами атмосферы вовсе не «пустое». Оно заполнено
плазмой, пронизано потоками энергетических частиц. В 1958 г. в ближнем
космосе были обнаружены радиационные пояса Земли - гигантские магнитные
ловушки, заполненные заряженными частицами - протонами и электронами
высокой энергии.
Наибольшая интенсивность радиации в поясах наблюдается на высотах в
несколько тысяч км. Теоретические оценки показывали, что ниже 500 км. Не
должно быть повышенной радиации. Поэтому совершенно неожиданным было
обнаружение во время полётов первых К.К. областей интенсивной радиации на
высотах до 200-300 км. Оказалось, что это связано с аномальными зонами
магнитного поля Земли.
Распространилось исследование природных ресурсов Земли космическими
методами, что во многом посодействовало развитию народного хозяйства.
Первая проблема которая стояла в 1980 году перед космическими
исследователями представляла перед собой комплекс научных исследований,
включающих большинство важнейших направлений космического природоведения.
Их целью являлись разработка методов тематического дешифрирования
многозональной видеоинформации и их использование при решении задач наук о
Земле и хозяйственных отраслей. К таким задачам относятся: изучение
глобальных и локальных структур земной коры для познания истории её
развития.
Вторая проблема является одной из основополагающих физико-технических
проблем дистанционного зондирования и имеет своей целью создание каталогов
радиационных характеристик земных объектов и моделей их трансформации,
которые позволят выполнять анализ состояния природных образований на время
съемки и прогнозировать их на динамику.
Отличительной особенностью третей проблемы является ориентация на
излучение радиационных характеристик крупных регионов вплоть до планеты в
целом с привлечением данных о параметрах и аномалиях гравитационного и
геомагнитного полей Земли.
Изучение Земли из космоса
Человек впервые оценил роль спутников для контроля за состоянием
сельскохозяйственных угодий, лесов и других природных ресурсов
Земли лишь спустя несколько лет после наступления космической
эры. Начало было положено в 1960г., когда с помощью метеорологических
спутников «Тирос» были получены подобные карте очертания земного шара,
лежащего под облаками. Эти первые черно-белые ТВ изображения давали
весьма слабое представление о деятельности человека и тем не менее это
было первым шагом. Вскоре были разработаны новые технические средства,
позволившие повысить качество наблюдений . Информация извлекалась из
многоспектральных изображений в видимом и инфракрасном (ИК) областях
спектра. Первыми спутниками, предназначенными для максимального
использования этих возможностей были аппараты типа «Лэндсат». Например
спутник «Лэндсат-D», четвертый из серии, осуществлял наблюдение Земли с
высоты более 640 км с помощью усовершенствованных чувствительных
приборов, что позволило потребителям получать значительно более
детальную и своевременную информацию . Одной из первых областей
применения изображений земной поверхности, была картография. В
доспутниковую эпоху карты многих областей, даже в развитых
районах мира были составлены неточно. Изображения, полученные с
помощью спутника «Лэндсат», позволили скорректировать и обновить
некоторые существующие карты США. В СССР изображения полученные со
станции «Салют», оказались незаменимыми для выверки железнодорожной
трассы БАМ.
В середине 70-х годов НАСА, министерство сельского хозяйства США
приняли решение продемонстрировать возможности спутниковой системы в
прогнозировании важнейшей сельскохозяйственной культуры пшеницы.
Спутниковые наблюдения, оказавшиеся на редкость точными в дальнейшем
были распространены на другие сельскохозяйственные культуры.
Приблизительно в то же время в СССР наблюдения за сельскохозяйственными
культурами проводились со спутников серий «Космос», «Метеор», «Муссон»
и орбитальных станций «Салют».
Использование информации со спутников выявило ее неоспоримые
преимущества при оценке объема строевого леса на обширных территориях
любой страны. Стало возможным управлять процессом вырубки леса и при
необходимости давать рекомендации по изменению
контуров района вырубки с точки зрения наилучшей сохранности леса.
Благодаря изображениям со спутников стало также возможным быстро
оценивать границы лесных пожаров, особенно «коронообразных», характерных
для западных областей Северной Америки , а так
же районов Приморья и южных районов Восточной Сибири в России.
Огромное значение для человечества в целом имеет возможность наблюдения
практически непрерывно за просторами Мирового Океана,
этой «кузницы» погоды. Именно над толщами океанской воды зарождаются
чудовищной силы ураганы и тайфуны, несущие многочисленные жертвы и
разрушения для жителей побережья. Раннее оповещение населения часто
имеет решающее значение для спасения жизней десятков тысяч людей.
Определение запасов рыбы и других морепродуктов также имеет огромное
практическое значение . Океанские течения часто искривляются, меняют
курс и размеры. Например , Эль Нино, теплое течение в южном направлении
у берегов Эквадора в отдельные годы может распространяться вдоль берегов
Перу до 12гр. ю.ш. . Когда это происходит, планктон и рыба гибнут
огромных количествах, нанося непоправимый ущерб рыбным промыслам многих
стран и том числе и России. Большие концентрации одноклеточных морских
организмов повышают смертность рыбы, возможно из-за содержащихся в них
токсинов. Наблюдение со спутников помогает выявить «капризы» таких
течений и дать полезную информацию тем, кто в ней нуждается. По
некоторым оценкам российских и американских ученых экономия топлива в
сочетании с «дополнительным уловом» за счет использования информации со
спутников, полученной в инфракрасном диапазоне, дает ежегодную прибыль в
2,44 млн. долл. Использование спутников для целей обзора облегчило
задачу прокладывания курса морских судов. Так же спутниками
обнаруживаются опасные для судов айсберги, ледники. Точное знание
запасов снега в горах и объема ледников - важная задача научных
исследований, ведь по мере освоения засушливых территорий потребность в
воде резко возрастает.
Неоценима помощь космонавтов в создании крупнейшего картографического
произведения - Атласа снежно-ледовых ресурсов мира.
Также с помощью спутников находят нефтяные загрязнения, загрязнения
воздуха, полезные ископаемые.
Наука о космосе
В течении небольшого периода времени с начала космической эры человек
не только послал автоматические космические станции к другим планетам и
ступил на поверхность Луны, но также произвел революцию в науке о
космосе, равной которой не было за всю историю человечества. Наряду с
большими техническими достижениями, вызванными развитием космонавтики,
были получены новые знания о планете Земля и соседних мирах. Одним из
первых важных открытий, сделанных не традиционным визуальным, а иным
методом наблюдения, было установление факта резкого увеличения с
высотой, начиная с некоторой пороговой высоты интенсивности считавшихся
ранее изотропными космических лучей. Это открытие принадлежит австрийцу
В. Ф. Хессу, запустившему в 1946 г. газовый шар-зонд с аппаратурой на
большие высоты.
В 1952 и 1953 гг. д-р Джеймс Ван Аллен проводил исследования низ-
ко энергетических космических лучей при запусках в районе северного
магнитного полюса Земли небольших ракет на высоту 19-24 км и высотных
шаров - баллонов. Проанализировав результаты проведенных экспериментов,
Ван Аллен
|
