На каком расстоянии от земли начинается невесомость: что такое космос и на какой высоте от земли он начинается

Проект 4. На Луну в комфортных условиях

Невесомость

Некоторые далекие от космонавтики люди считают, что невесомость — это легкое и приятное состояние, испытать которое — одно удовольствие. У космонавтов на сей счет другое мнение: невесомость — штука очень неприятная: человек, находящийся в состоянии невесомости, испытывает примерно такие же ощущения, как человек, провисевший минут пять на турнике вниз головой. А находиться в таком состоянии несколько часов и уж тем более суток под силу только очень здоровым и специально тренированным людям. Не случайно в космонавты отбирают только очень крепких физически людей.

При длительном пребывании на орбите космонавтам необходимы постоянные тщательно разработанные физические упражнения. Если их не делать или делать недостаточно, то при возвращении на Землю космонавту может стать очень плохо.

В первые годы освоения околоземного пространства, когда влияние невесомости на человеческий организм было еще недостаточно изучено, космонавты после двухнедельного полета чувствовали себя ужасно: они не могли ни стоять, ни сидеть, ни даже спать. Весь день они лежали во взвешенном состоянии в специальном бассейне с теплой водой — только в таком состоянии они чувствовали себя нормально. Даже просто лежать на очень мягком матрасе им было тяжело. На полное восстановление организма после полета уходило несколько месяцев.

А теперь давайте разберемся, почему же в космическом полете возникает невесомость?

Рассмотрим космонавта, находящегося в кабине космического корабля, который движется с выключенными двигателями недалеко от Земли (рис. 4.1).

На космонавта действует сила тяжести , где  — ускорение свободного падения на высоте h. Предположим, что на космонавта еще действует сила реакции . Под действием этих двух сил и космонавт (вместе с кораблем) движется с ускорением , как и всякое свободно падающее тело. Тогда по второму закону Ньютона:

То есть сила реакции опоры равна нулю, а значит, по третьему закону Ньютона равен нулю и вес космонавта.

И, заметьте, наши рассуждения никак не зависят от направления и величины скорости спутника, поэтому космонавты, летящие в направлении Луны в корабле с выключенными двигателями, будут находиться именно в таком состоянии.

Как избежать невесомости?

Инженер убежден, что невесомость в космическом полете неизбежна. Так ли это? На самом деле невесомости легко избежать. Надо просто двигаться с постоянной скоростью относительно Земли, и всё! Тогда ситуация внутри корабля будет такая же, как в лифте, поднимающемся (опускающемся) с постоянной скоростью: вес будет равен силе тяжести. Правда, величина силы тяжести по мере удаления от Земли будет постепенно убывать, то есть все тела будут становиться всё менее и менее «весомыми».

Каким же образом можно обеспечить равномерное движение ракеты?

Тут наш Профессор не ошибся: дело, конечно, в двигателе. Всё очень просто: надо иметь постоянно работающий реактивный двигатель. Причем реактивная сила должна в точности равняться по величине результирующей силе гравитационного притяжения со стороны Земли и Луны, поэтому по мере удаления от Земли силу тяги надо постепенно уменьшать.

Когда до Луны останется примерно одна десятая часть пути, двигатель можно на короткое время выключить, так как в этой точке сила земного тяготения уравновешивается силой лунного тяготения. На мгновение наступит невесомость. Но вскоре после этого лунное тяготение начнет преобладать над земным. Чтобы сохранить скорость постоянной, нужно будет развернуть ракету соплом к Луне и тормозить. Сила тяги должна быть равна силе притяжения Луны (за вычетом остатков земного тяготения). По мере приближения к Луне будет увеличиваться сила притяжения к Луне, а значит, придется увеличивать и силу тяги; все тела в корабле снова постепенно будут обретать вес. Вблизи поверхности Луны этот вес будет равен примерно одной шестой части земного веса.

Итак, барон Мюнхаузен прав: полет до Луны можно осуществить с комфортом без больших перегрузок и почти без невесомости. Такие условия может выдержать любой нетренированный человек.

Почему же современные корабли летают иначе?

А именно: с сильной перегрузкой на активном участке полета (когда работают двигатели) и с полной невесомостью на орбите? Только из-за необходимости экономить топливо. Самый неэкономичный вариант движения к Луне — это движение с малой постоянной скоростью. Эту ситуацию можно вообще довести до абсурда: пусть ракета зависнет над Землей неподвижно: в этом случае расход топлива налицо, а продвижение к Луне — нуль!

Наиболее экономичный способ полета — это пушечный выстрел: в этом случае вся энергия, запасенная в топливе, сразу передается кораблю, и не приходится тратить энергию на подъем над Землей еще не сгоревшего топлива. Но это другая крайность: при выстреле из пушки ускорение снаряда будет столь велико, что никакой космонавт, находящийся внутри, не сможет остаться живым.

Сейчас в космонавтике применяется компромиссный вариант: на активном участке полета космонавт подвергается большим перегрузкам, но в пределах допустимых, а затем наступает невесомость до того момента, когда ракета начнет торможение.

Оценим время полета

Теперь остановимся на вопросе о времени полета, который так заинтересовал нашего Бизнесмена. Теоретически это время можно сделать почти любым: от нескольких секунд до нескольких лет. Всё зависит, с одной стороны, от возможностей ракетного двигателя, а с другой стороны, от предельно допустимых перегрузок космонавтов.

Сделаем небольшой оценочный расчет для времени движения по маршруту «Земля—Луна» в комфортных условиях. Расстояние от Земли до Луны — примерно 384 400 км. Допустим, мы будем разгонять нашу ракету на старте с ускорением 4 м/c2 (это совсем небольшая перегрузка: вес каждого пассажира на старте увеличится всего на 40%). Тогда для разгона до скорости 10 км в секунду нам понадобится всего 42 минуты. Затем в течение примерно 9 часов последует полет с постоянной скоростью и еще примерно 40 мин на торможение с таким же ускорением (для более точного расчета надо еще учитывать скорость движения Луны по орбите вокруг Земли).

Общее время на это увлекательное путешествие составит около 11 часов — примерно столько же, сколько требуется на беспосадочный перелет по маршруту «Москва — Владивосток» на самолете Ил-86!

Далее: Проект 5. Скоростной спутник Земли

Космос начинается на Земле

Рисунок зоны действий наземных станций.

64 года назад, 4 октября 1957 года, началась космическая эра в истории человечества. В этот день запущен на орбиту первый искусственный спутник Земли, который летал 92 дня, сделав 1440 оборотов вокруг Земли (почти 60 миллионов километров), а его радиопередатчики функционировали в течение двух недель после старта. Специалисты, трудившиеся над разработкой — С. Королев, М. Келдыш, М. Тихонравов, Н. Лидоренко, В. Лапко, — наблюдали за историческим запуском с командного пункта. После успешного старта они поехали на мобильную радиостанцию, чтобы послушать радиосигналы, которые передавал спутник.


Награждение военнослужащих.

Сейчас на разных орбитах Земли находится 4870 действующих космических аппаратов разного назначения, и информация, которую они передают, поступает в разветвленную наземную систему. Без наземного комплекса, без тех специалистов, которые обеспечивают полет здесь, на Земле, пилотированных и не пилотированных спутников, космическая миссия неосуществима. В Украине эту миссию выполняет Национальный центр управления и испытаний космических средств (НЦУИКС).

До недавнего времени Национальный центр располагался в Евпатории, где 4 октября 1957 года с приема сигнала первого искусственного спутника Земли начал свою работу Центр управления полетами космических аппаратов. НЦУИКС — это единственная не только в нашей стране, но и во всей Восточной Европе организация, которая обеспечивает полный цикл мер по эксплуатации космических систем разного назначения. Центр имеет уникальные наземные станции управления космическими аппаратами и приемные станции, способные работать с огромными потоками данных почти от всех действующих на орбите спутников дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

К сожалению, большинство наших соотечественников даже не представляют, что такое космическая система. Все знают о спутнике (КА), однако в космической системе это очень маленький элемент. Частью космической системы является ракетно-космический комплекс, который состоит из многих компонентов: ракетоносителя (РН), космического аппарата (КА), технического комплекса, где проводят испытания и стыковку, стартового комплекса, где запускают ракету с космическим аппаратом и полигонно-измерительного комплекса, который обеспечивает измерение на активном участке полета. И вот когда ракета уже отработала на активном участке полета — отделила КА и вывела его в космос, с ним начинает работать наземный комплекс управления, специалисты которого управляют КА. Мы — водители космического аппарата. И если добавить к этому перечню еще и наземный специальный комплекс, станции которого принимают информацию с КА, а потом ее распространяют, то все это в совокупности и является космической системой.

Миссия наземного комплекса

Роль наземного комплекса огромна, без него спутник свою функцию не выполнит. Представьте себе, КА взлетел да и летает себе на орбите: информация не поступает, не обрабатывается и, конечно же, не передается в государственные и частные организации и ведомства. Так вот Национальный центр и является тем сегментом, который объединяет в себе наземный комплекс управления и наземный специальный комплекс и обеспечивает функционирование КА по назначению. Если учитывать общую стоимость всей космической системы, то 40 процентов — это стоимость наземной системы. Космические системы бывают разными, а именно: дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), связи, метеорологические, научные, навигации, пилотированные, и каждая система имеет в себе такую составляющую, как наземный комплекс. Специалисты НЦУИКС могут управлять любой системой: навигации, ДЗЗ, связи и т. п. Это и является достижением Украины. Нам удалось сохранить наземный комплекс после развала Советского Союза, а в 2014 году восстановить и развить структуру в Киеве и разных регионах Украины после аннексии Крыма. После модернизации и обновления центра у нас есть возможность управлять любыми космическими системами, работать со всеми типами КА, которые имеются в мире. Чем мы интересны для иностранных партнеров? Скажем, если они планируют запускать свои спутники на орбиту, не имея своей наземной космической инфраструктуры, им не нужно тратить еще 40 процентов средств на ее создание, они могут обратиться к Украине. И мы на договорной основе сможем управлять их КА, принимать информацию, если нужно, обработать ее и передавать по высокоскоростным каналам интернет-пользователям. Ведь мы имеем большой парк восстановленных и новых станций приема информации, в частности, универсальную командно-измерительную станцию СКТРЛ-М1 управления КА, которая работает с любыми спутниками.

Управление аппаратами и прием информации

Сейчас мы снимаем информацию с шести спутников и передаем ее отечественным пользователям. Некоторые скептики говорят, зачем Украине свой спутник? Хочу отметить, что большую часть задач мы выполняем в интересах национальной безопасности. И если наши специалисты принимают такую информацию на свою станцию — это одно, а если брать информацию у дилеров — это другое. Лучше, конечно, и надежнее получать информацию со своих космических аппаратов. Например, Украина будет покупать снимки и программные комплексы за границей, а где гарантия, что мы не приобретем фальсификат? Снимок могут заретушировать, что-то добавить или убрать, то есть 100-процентной гарантии нет. Если принимаем информацию на свою станцию, даже с иностранных спутников, такого быть не может. Тем не менее здесь тоже есть определенные проблемы и неудобства. Иностранный оператор, который предоставляет нам такую возможность, может поставить украинских заказчиков в очередь на съемку. И это в то время, когда нам нужна оперативная информация, скажем, относительно пожара или наводнения, взрывов на складах вооружения. Ведь борт имеет ограничение на заказ — кто-то заказал съемки раньше, а остальные будут стоять в очереди не-
сколько дней и ждать, пока на станцию сбросят информацию. Будет у нас свой спутник, будем быстро, надежно и оперативно получать информацию, так как устаревшая уже никому не нужна. В Украине пока нет КА, имеющих разрозненную способность сверхвысокую, от 30 сантиметров проекции пикселя до метра, но «Сич 2-30», запуск которого планируется в конце года, позволит получать информацию более оперативно и на широком фронте, имея широкий захват. Наш спутник проходит зону более 40 километров.

Сегодня продолжаются испытания спутника «Сич 2-30» на предприятии производителя. Что касается наземного комплекса управления и наземного специального комплекса, могу отметить, что технические средства все готовы. Однако некоторые программы, которые нужны для управления КА, а также центр управления полетом еще находятся на стадии адаптации к операторам. Время еще есть, мы работаем согласно графику подготовки, а он не то что на сутки, ни на час не отстает. А по некоторым направлениям опережает, и мы планируем согласно этому графику выполнить все задачи.

На Хмельнитчине, неподалеку от города Дунаевцы, создан Центр управления полетом (ЦУП). Есть подготовленный персонал, усиленный в этом году, в том числе выпускниками Житомирского военного института имени С.П. Королева. Дублирующим ЦУПом будет командный зал, расположенный в Киеве, в НЦУИКС.

В первую очередь — оперативность

НЦУИКС сотрудничает с разными организациями и ведомствами, государственными и частными, а также ответственными пользователями. Больше всего их интересуют данные ДЗЗ. Сейчас мы выполняем задачу, которую поставил перед нами Президент, относительно мониторинга высокоразрозненными КА ДЗЗ территории Украины. Мониторинг происходит в рамках программы продажи земли и обновления Земельного кадастра. Представители разных регионов обращаются к нам не только за информацией, но и за дополнительными услугами, к примеру, изготовлением ортофотопланов масштабом 1 к 10000, составлением разнообразных прогнозов. Например, на Черноморском побережье Одесского региона есть проблемы сдвига. В городе Черноморск море подбирается к жилым массивам, смывая дома. Наши специалисты анализируют ситуацию, наблюдают за динамикой, вычисляют опасные места и выдают прогноз с точностью до миллиметра. Местные власти Черноморска заинтересованы в сотрудничестве, и мы помогаем им в решении проблемных вопросов. Также к нам поступает немало запросов по экологическим направлениям, это как раз связано с состоянием рек и морей — Черного и Азовского, загрязнением водоемов, вырубкой лесов, незаконной добычей янтаря.

Этим летом в разных странах мира пылали пожары — горели леса в РФ, США, Греции, Турции, на Кипре. В Украине, к счастью, таких масштабных пожаров нет, есть кое-где локальные загорания. В прошлом году горел Чернобыльский лес, мы подавали информацию в Государственную службу Украины по чрезвычайным ситуациям и другие ведомства, помогая локализовать пожар. Благодаря специалистам НЦУИКС решен вопрос быстрого предоставления информации государственным и частным организациям, оперативность составляет до 30 минут с момента получения нами информации. Мы сообщаем, в каком районе возникла термальная аномалия, разработали программные комплексы, которые позволяют извещать сразу председателя ОТГ и пожарных, а также полицию. Информация сразу поступает на смартфон пользователя, где указано, в каком квадрате термальная аномалия, и туда выезжает ГСЧС. Самое главное — на начальном этапе погасить пожар, не допустив распространения огня. Такой оперативности даже в Европе нет, там оповещение довели до двух часов, а мы вышли на 30 минут. Планируем и в дальнейшем развивать наши территориальные структуры, оснащать их средствами, которые будут принимать информацию с КА, определяющими природные и техногенно опасные зоны. Это такие КА, в которых полоса прохода сразу 400 километров, а таких спутников в системе несколько.

То есть происходит постоянный мониторинг территории Украины, и это очень важная работа, которую осуществляют специалисты НЦУИКС.

Высокоточная радионавигация

Нынче особое значение приобретают глобальные навигационные системы, данные которых используются в GPC в первую очередь. Мы предоставляем информацию относительно дифференционных поправок к измерениям данных GPC, которые выдают потом координаты с точностью до 1—2 сантиметров. Навигационные системы используются в точном земледелии, в строительстве и т. п. На сегодняшний день наша главная задача — покрыть Украину контрольно-корректирующими станциями, которые обеспечивают повышение точности нахождения местоположения пользователя согласно сигналам глобальных навигационных спутниковых систем. Уже есть 43 станции, до конца года будет введено в действие еще восемь станций. Мы уже покрыли большую половину Украины и планируем продолжить это направление, ведь оно весьма актуально и перспективно, работает как в интересах сектора безопасности, так и для экономики, особенно для аграрного сектора.


Радиотелескоп РТ-32.

Сейсмический контроль и геофизические наблюдения

Одна из задач нашего Центра — фиксация ядерных взрывов в мире и получение информации о разнообразных природных и техногенных явлениях — это землетрясения, взрывы. Имеем сетку разветвленных датчиков в разных регионах Украины, которые работают в сфере геофизического мониторинга и включены в европейские и мировые аналогичные структуры. Так вот мы можем в системе реального времени предоставлять информацию по Украине. Наши датчики установлены также на атомных электростанциях, чтобы фиксировать колебания и разрушения, такая уникальная аппаратура может контролировать все взрывы в Украине на карьерах. Иногда заявители хитрят — показывают одно количество, на самом деле взрывают больше, мы предоставляем эти данные в полицию, СБУ, Генпрокуратуру по запросам. Вся информация, которая обрабатывается для силового блока, поступает также в Совет национальной безопасности и обороны Украины. Засекреченной информации на самом деле передаем немало — это касается войны на востоке страны, расследований, которые проводят полиция, СБУ (вся она закрытая).

Специалисты нашего Центра работают также на Украинской антарктической станции «Академик Вернадский»: оттуда поступает информация, связанная с космической погодой. У нас, кстати, создан Центр космической погоды, который размещается под Киевом, признанный Национальной академией наук Украины. Он передает данные в европейские и американские центры. Данные с антарктической станции используются как с научной целью, так и для извещения о космической погоде и землетрясениях.

Специфика нашего Центра заключается еще и в том, что здесь работают гражданские специалисты и военнослужащие, откомандированные из Министерства обороны для выполнения задач в интересах национальной безопасности. 80 процентов информации, которую мы предоставляем потребителям, связано с сектором национальной безопасности и обороны. Поэтому здесь и служат военнослужащие. В НЦУИКС ведется мощная научная деятельность, у нас работают 10 докторов наук и более 30 кандидатов наук.

Предупреждение потерь

Есть такое понятие в экономике, как предупреждение потерь. По нашим данным Украина за год сохранила 7,5 миллиарда гривен. Мы предупредили огромные потери, осуществляя извещения относительно пожаров, предупреждая о вырубке лесов, добыче янтаря, намыве песка в разных регионах страны, проконтролировали и предоставили информацию относительно карьерных незаконных взрывов. Благодаря нашим информациям открыто очень много уголовных дел. А это уже результативность работы.

Через некоторое время мы будем получать данные с отечественного спутника «Сич 2-30», а сейчас продолжаем работать с группой европейских спутников. Европейская комиссия предоставила нам доступ к шести КА системы «Copernicus».

Также мы имеем возможность получать информацию с более чем 20 КА с открытым доступом: это метеорологические спутники, которые контролируют выбросы СО, СО2 и другие вредные вещества. Все это мы принимаем, обрабатываем и предоставляем потребителям.

Новые возможности и задачи

Для того, чтобы работать на достаточно высоком уровне, необходимо финансирование. Мы осуществили бюджетный запрос на следующий год, и если Верховная Рада поддержит нас во время утверждения бюджета, мы сможем нарастить свою мощность. Нынче наши специалисты принимают снимки со спутников оптического диапазона, но Украина располагается в таком регионе, где с ноября-декабря — снегопады, дожди и облачность. При таких климатических условиях нет возможности получать снимки — из-за постоянной облачности ничего не видно. В марте тоже мало погожих безоблачных дней. Наши специалисты отработали обработку данных радиолокационных снимков, их можно получать, несмотря на время года и период суток. Необходимое финансирование позволит принимать на наши станции информацию из радиолокационных спутников. Конечно, нужно иметь еще и программные комплексы, которые будут обрабатывать эту информацию. Это весьма актуально и перспективно, на сегодняшний день лишь несколько стран имеют такую возможность — это США, Франция, Германия, Япония, РФ, Италия, Канада, Китай. Украина тоже будет иметь такую возможность, если народные депутаты поддержат наши предложения.

Мы стараемся не отставать от ведущих европейских стран и даже идти на шаг впереди. Рассматриваем вопрос относительно создания станции приема информации с современных космических аппаратов не только в Х-диапазоне, но и в Ка-диапазоне, это более 20 Ггц, диапазон — более информативный и высокоскоростной. Такие имеют США, а вот в странах Европы, наверное, пока нет. Разница тут существенная: если спутник, который работает в Х-диапазоне, пролетая над Украиной, информацию снимает за 7—8 минут, то в Ка-диапазоне он будет ее снимать за 7—8 секунд. Мы настраиваем наших специалистов на работу с такими системами.

К нам обращаются ведущие страны мира с просьбой подстраховать их космические системы, ведь зона радиовидения наших станций позволяет принимать информацию в масштабе времени от Атлантики, если спутник проходит эту зону, до Урала, мы ее расширяем. Недавно станцию поставили в Харькове, еще на 700 километров продвинули за Урал, на Ближний Восток, Север, поэтому к нашим станциям проявляют интерес, особенно те страны, которые далеко от Украины, — это Китай, Южная Корея, Япония, с западного континента — это США, страны Южной Америки. Предоставление услуг иностранным операторам способствует дополнительным поступлениям на развитие инфраструктуры НЦУИКС.

Плодотворно работаем и в направлении международной деятельности, продолжается сотрудничество со многими странами, в частности, с Польшей и Китаем у нас есть общие проекты.

Научные исследования

В начале прошлого года в нашем Центре космических исследований и связи (город Золочев Львовской области) заработал радиотелескоп РТ-32, благодаря которому получены научные данные исследований дальнего космоса. Национальная академия наук Украины признала РТ-32 одним из 10 крупнейших достижений отечественной науки за 2020 год. В следующем году завершится его создание. Мне приятно отметить, что наш радиотелескоп считается одним из лучших в мире, его использование в космических программах усилит научно-экспериментальную базу отечественной науки, будет способствовать повышению имиджа Украины.

Пространство под контролем

Мы стали развивать направление, которое весьма актуально в мире, — это контроль космического пространства. Поскольку нынче запускается большое количество КА, они могут создавать опасность для других КА, например, только компания Space Х Илона Маска планирует запустить и развернуть масштабную, высокоскоростную систему Интернета, а это более двух тысяч аппаратов. Каждый из них может столкнуться с действующим аппаратом, что чрезвычайно опасно, так как станет причиной потери средств и аппарата. Дабы избежать неприятностей, нужно контролировать все космическое пространство, как ближнее, так и дальнее. Уже в ближайшее время полететь в ближний космос на геостационарную орбиту или в дальний космос будет проблематично. Когда ракета будет проходить слои ближнего космоса, может столкнуть с каким-то объектом, вот для этого нам нужно контролировать все космическое пространство. Есть подобная система только в США, РФ, Китае, создают ее Индия и группа ведущих стран Европейского Союза. На сегодняшний день мы развернули такую систему, имеем Центр контроля космического пространства, располагающийся в Житомире. Кстати, в этом центре работают офицеры, вышедшие из Крыма, которые вывезли с собой программные комплексы, восстановили их и успешно работают, обеспечивают информацией силовой блок, ученых и других пользователей.

Очень нам содействует Министерство образования и науки. Полесский национальный университет, Одесская академия пищевых технологий, Харьковский авиационный институт, Львовская политехника, Государственная экологическая академия последипломного образования и управления, Ужгородский национальный университет своими средствами, методиками, своими учеными помогают нам контролировать космическое пространство. У нас есть два радара — один радар метрового диапазона, который размещен в Мукачево. Он работает и модернизируется одновременно, так как там устаревшая техника еще 60-х годов, но мы ее реанимируем и даем новый толчок, переводим на цифру, на более экономичные устройства, чтобы снизить энергозатраты. Создаем новый радар дециметрового диапазона, который теперь находится в стадии испытаний, уже закончился первый этап. Этот радар уже более современный: если Мукачевский радар видит футбольный мяч на расстоянии 5—6 тысяч километров, то этот видит кубик 10 сантиметров, расстояние менее 600—700 километров, но точность определения координат этого объекта на несколько порядков выше 5—50 метров, то есть очень точный радар. Планируем построить радар сантиметрового диапазона, который будет видеть в космосе даже самые маленькие гаечки. Представьте себе, скорость в космосе — более семи километров за секунду, если такой предмет встретится с космическим аппаратом, он прошьет его как пуля, что очень опасно.

В скором времени наша страна будет иметь собственный спутник на орбите, будет управлять им и использовать наземную космическую инфраструктуру НЦУИКС. Мы надеемся, что статус Украины как космического государства будет утверждаться и расти.


Владимир ПРИСЯЖНЫЙ, начальник Национального центра управления и испытаний космических средств Государственного космического агентства Украины, кандидат технических наук.

Разве я не мог избежать гравитации Земли, путешествуя со скоростью всего 1 миля в час (0,45 м/с)?

спросил

Изменено
1 год, 11 месяцев назад

Просмотрено
179 тысяч раз

$\begingroup$

Говорят, что для того, чтобы объект или снаряд покинул гравитационное притяжение Земли, он должен достичь космической скорости Земли, то есть достичь скорости 7 миль в секунду (~ 11 км в секунду). Ну, насколько я понимаю, вы можете легко избежать земного притяжения даже на скорости 1 миля в час (0,45 м/с) — направленной от поверхности, и вы в конечном итоге достигнете космоса. Так почему же скорость убегания равна 7 милям/с (11 км/с)?

Причина в том, что объект должен набрать определенную скорость после достижения орбиты, чтобы поддерживать эту высоту? Или это потому, что практически объект не может нести бесконечное количество топлива, и поэтому он должен достичь определенной скорости, чтобы поддерживать свою орбиту, прежде чем все топливо будет израсходовано?

  • сила тяжести
  • скорость убегания

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Сила гравитации уменьшается с расстоянием. Это следует обратно-квадратичному отношению … важно знать, когда вы работаете с математикой, но не важно для концептуального понимания.

Тот факт, что гравитация уменьшается с расстоянием, означает, что на некотором расстоянии ею можно пренебречь; можно считать, что объект, достаточно удаленный от Земли, «избежал» земного притяжения. На самом деле сила тяжести не имеет предела расстояния; два объекта должны находиться на бесконечном расстоянии друг от друга, чтобы не было гравитационного взаимодействия, но для практических целей можно думать о конечных расстояниях, на которых силы гравитации становятся достаточно малыми, чтобы их можно было игнорировать.

Рассмотрим объект на большом расстоянии от Земли… прямо на краю того, что мы бы назвали гравитационной «сферой влияния» Земли. Небольшое движение к Земле увеличит гравитационное притяжение, ускоряя объект по направлению к Земле. Процесс будет усиливаться по мере увеличения скорости и ускорения объекта. Если мы проигнорируем влияние земной атмосферы, объект будет продолжать ускоряться до тех пор, пока не столкнется с поверхностью Земли с некоторой скоростью.

Теперь давайте все перевернем. Объект волшебным образом взлетает с поверхности Земли точно с той же скоростью, что и наш падающий объект в момент удара. Когда он поднимается вверх, на него действует гравитация, и он замедляется. По мере того, как он удаляется, гравитация уменьшается, поэтому он замедляется медленнее. В конце концов, он добирается до некоторого расстояния, где останавливается, но гравитация Земли больше не оказывает на него никакого влияния.

Скорость нашего объекта на поверхности Земли равна космической скорости Земли. Точнее говоря, скорость убегания тела — это скорость, которую должен иметь объект в «свободном падении», чтобы избежать гравитационного влияния этого тела — не больше и не меньше. Технически скорость убегания может быть указана для любого расстояния от центра тела, и значение будет уменьшаться с расстоянием, но когда указывается скорость убегания планеты, это обычно для поверхности планеты. Математически он рассчитывается как интеграл гравитационного ускорения тела от некоторого заданного расстояния до бесконечности.

Объект не должен двигаться с космической скоростью, чтобы избежать гравитации планеты, но такое же количество энергии, необходимое для ускорения объекта до космической скорости, должно быть приложено к объекту (придавая ему потенциальную энергию), чтобы поднять его из гравитационная сфера влияния планеты. Разница в том, что при скорости убегания объект не нуждается во внешнем влиянии, чтобы убежать; при чем-то меньшем, чем скорость убегания, должна быть приложена некоторая внешняя сила.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Скорость убегания уменьшается по мере удаления от Земли. Если вы продолжите движение вверх с постоянной скоростью 1 миля в час (что, как уже отмечалось, потребует постоянной тяги для противодействия гравитации), вы в конечном итоге достигнете расстояния, на котором скорость убегания будет равна 1 миле в час . Тогда вы достигнете космической скорости и больше не будете гравитационно связаны с Землей.

Это расстояние чрезвычайно велико; около 4×10 12 км или 26000 а.е. На практике эффекты третьих тел (луны, солнца, других планет) будут преобладать, когда вы уйдете дальше 10 5 км от Земли.

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Суммируя ответы: скорость убегания — это скорость, которая на данном расстоянии достаточна для выхода из гравитационного поля, так что дополнительная энергия (= ускорение) не требуется .

То есть, если вы находитесь в 26000 а.е. от Земли, вам не нужно больше топлива для противодействия земной гравитации, вы просто уплываете. Однако, когда вы находитесь на поверхности Земли, вам потребуется дополнительное ускорение, чтобы поддерживать скорость в 1 милю в час, иначе вы просто упадете обратно, как брошенный мяч.

$\endgroup$

4

$\begingroup$

Вы путаете скорость и ускорение. Если бы вы прыгали, стоя на поверхности Земли, вы могли бы испытать скорость 8 м/с, что соответствует скорости 17 миль/ч вверх, но ускорение силы тяжести затормозило бы ваше движение, замедляя вашу скорость. Если у вас достаточно высокая скорость, эффект (де)ускорения не сможет вас замедлить, пока вы не уйдете достаточно далеко от источника гравитации.

Итак, если бы вы могли поддерживать постоянную скорость 1 миль в час, вы определенно смогли бы покинуть Землю. Проблема в том, что потребуется постоянная тяга. Если вы едете со скоростью 11 км/с, вы можете просто расслабиться и наблюдать, как мир сжимается в зеркало заднего вида.

$\endgroup$

14

$\begingroup$

Я думаю, что если у вас есть двигатель (ракета/мотор), вы можете двигаться на любой скорости и избежать гравитации. Скорость убегания есть только у брошенных (проецируемых в космос) объектов, имеющих начальную скорость и не приводящихся в действие.

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Скорость убегания – это скорость, с которой вы покинете Землю и не вернетесь , если не продолжите движение своего корабля . Ниже этой скорости гравитация будет тянуть вас вниз.

Если вы хотите, чтобы ваша ракета двигалась вертикально со скоростью 1 м/с в течение 100 000 секунд, вам потребуется неописуемо огромное количество топлива, потому что вы должны поддерживать достаточную тягу, чтобы компенсировать земное притяжение все это время .

Кроме того, просто пребывания в космосе недостаточно, чтобы удержать вас от падения на Землю, как обсуждалось во многих других вопросах и ответах здесь. У XKCD есть одно из наиболее доступных объяснений.

$\endgroup$

10

$\begingroup$

Ключевое отличие состоит в том, что «скорость убегания» — это скорость, с которой вам нужно подбросить камень прямо с поверхности Земли (без учета сопротивления воздуха), чтобы он вырвался из-под гравитационного влияния Земли. Это будет , движущийся по инерции на всем пути, всегда теряя скорость из-за гравитационного притяжения Земли.

Если, с другой стороны, у вас есть ракетный двигатель с достаточным количеством топлива, вы можете просто продолжать медленно подниматься (1 миля в час), что почти зависает, пока вы не выйдете в космос и гравитация Земли не будет подавлена Солнце, Юпитер и т. д. Вы можете продолжать дросселировать, чтобы поддерживать ту же скорость восхождения (гравитация уменьшается с расстоянием, и ракета несет меньше топлива), если хотите, или позволить ракете увеличить скорость.

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Если вы не находитесь очень далеко от Земли, если вы удаляетесь только со скоростью 1 миля в час, гравитация Земли притянет вас обратно к Земле ( при условии, что у вас нет бесконечного запаса топлива для поддержания тяги в 1 милю в час ) . Так что вы правы, когда говорите

.

Это потому, что объект должен набрать определенную скорость, как только он достигнет орбиты, чтобы поддерживать эту высоту.

Представьте себе мяч, подброшенный в воздух, он начинает двигаться быстро, но когда он поднимается выше, он движется медленнее, чем останавливается и падает обратно. В какой-то момент он удаляется от Земли со скоростью 1 миля в час, но гравитация преодолевает этот импульс. Сопротивление воздуха оказывает некоторое влияние на мяч, но вы можете бросить его горизонтально гораздо дальше, чем вверх.

Гравитация действует почти так же на поверхности Земли, как и на высоте 1000 миль. Когда вы бросаете что-то горизонтально, оно падает на землю по дуге, притягиваемое гравитацией Земли. Если он движется достаточно быстро, кривизна Земли будет соответствовать дуге падающего объекта, это называется орбитальной скоростью, и объект не ударится о землю.

Редактировать 4 года спустя, чтобы подумать о солнечном парусе

Если бы у вас был почти бесконечный запас топлива, и вы продолжали бы удаляться от Земли со скоростью 1 миля в час, да, вы могли бы убежать. Вы можете сделать это с солнечным парусом. Есть несколько проблем с использованием паруса вблизи Земли, но если вы начнете с высокой стабильной орбиты, вы можете легко расширяться до побега. Следует отметить, что при использовании солнечного паруса по мере удаления от Земли ваша скорость будет увеличиваться, если только вы не понизите эффективность паруса. Другими словами, если вы начали с солнечного паруса, чтобы получить тягу 1 миля в час, вам нужно было бы работать, чтобы поддерживать эту скорость, иначе вы вскоре будете двигаться быстрее.

$\endgroup$

0

$\begingroup$

Глядя на это с другой стороны, рассмотрим концепцию гравитационных колодцев. Гравитационный колодец, конечно, не является «настоящим», физическим колодцем, но это часто используемая метафора для описания того, сколько энергии требуется, чтобы уйти от гравитационного эффекта тела, и она обеспечивает достаточно прямой способ отвечая на ваш вопрос. (Любители космоса, потерпите меня ниже; это задумано как объяснение, а не лекция по физике и астрономии университетского уровня.)

Если вы находитесь на дне или около дна гравитационного колодца (скажем, на поверхности Земли) и хотите выбраться из него, у вас есть два варианта. Либо очень быстро поднимайтесь на короткое расстояние (это подход, используемый для отрыва от поверхности Земли по причинам, указанным в других ответах), либо медленно поднимайтесь на гораздо большее расстояние (это работает, когда вы находитесь достаточно далеко от тела, образующего гравитацию, так что преобладающие гравитационные силы, действующие на вас, малы или пренебрежимо малы). Каждый взгляд на это представляет одно и то же: вы предоставляете некоторый вид энергии, обычно в виде топлива, которое используется, чтобы подняться на «бок» гравитационного колодца. Энергия, поступающая на вход, становится потенциальной по мере того, как вы поднимаетесь дальше от поверхности, и в какой-то момент ваша потенциальная энергия превышает гравитационное притяжение в той точке тела, которая образует гравитационный колодец; вы «продолжаете движение по касательной» и двигаетесь прямо от этой точки вперед, а не по кривой гравитационного колодца. Как только это произойдет, вы достигнете скорости убегания от этого тела.

Если вы не поднимаетесь достаточно далеко для своей скорости набора высоты в момент прекращения активного набора высоты, то, когда вы прекращаете набор высоты (допустим, вы не можете ни за что ухватиться, потому что в космосе не за что держаться) вы упадет обратно к телу, образующему гравитационный колодец, из которого вы пытаетесь выбраться; вы не достигли космической скорости.

Конечно, в любой точке обычно приходится бороться с несколькими гравитационными силами. Однако один из них проецирует на вас более сильную силу, чем другие; это концепция сферы влияния. Рядом с Землей (да, это определенно включает в себя низкую околоземную орбиту) доминирует земная гравитация; совершите путешествие к Луне, и ее гравитация будет проявлять большую силу, как только вы пройдете точку Лагранжа L1 системы Земля-Луна.

«Глубина» самотечной скважины часто определяется как ее выходная скорость в км/с или каким-либо другим удобным способом измерения скорости, измеренной на дне скважины. Следовательно, глубина земного гравитационного колодца составляет приблизительно 11,2 км/с, что является скоростью убегания на поверхности Земли. Википедия дает скорость убегания на высоте 9000 км над поверхностью Земли как 7,1 км / с, но, как мы видели в других ответах, достижение высоты 9000 км над самой поверхностью требует много энергии, что сводит на нет выигрыш от более низкой «абсолютной» скорость, необходимая для освобождения от земного притяжения.

$\endgroup$

$\begingroup$

, чтобы поддерживать скорость 1 миля в час достаточно долго, чтобы убежать, человек ускоряется примерно на 34 фута в секунду в секунду (1,46 фута в секунду над гравитацией) прямо вверх. Чтобы выбраться за пределы сферы холма (и в «солнечное пространство», а не в «земное пространство»), вам потребуется 107 лет непрерывного ускорения 1,05G.

Так что в теории да, но на практике delta-V делает это безумно дорого.

$\endgroup$

5

$\begingroup$

То, что каждый, кто привык думать о ракетах, считает само собой разумеющимся, но может быть интуитивно непонятно: Каждый грамм топлива, сожженного для противодействия гравитации, — это грамм топлива, потраченного впустую. Подумайте о худшем случае: парите над работающим ракетным двигателем, мощности которого достаточно, чтобы удержать вас на плаву. Вы сжигаете топливо, никуда не уходя. Ваше предложение идти куда-то со скоростью 1 м/с немного лучше, но ненамного.

Это приводит непосредственно к основным критериям эффективной стартовой траектории: Минимизируйте время разгона против силы тяжести, потому что вы можете достичь такого же ускорения плюс 9,81 м/с 2 с тем же топливом при боковом ускорении! Как только у стартующей ракеты появится хоть какая-то скорость, она начнет максимально наклоняться вбок. В идеале он с самого начала ускорял бы перпендикулярно гравитации , т.е. после подъема на самолете-носителе или на магнитной подушке на небесном теле без атмосферы.

Теперь, если вы не хотите противодействовать гравитации по причинам, изложенным выше, вам нужна скорость, чтобы выйти из гравитации. Направление не имеет значения, если только оно не приведет вас к встречному курсу. Теоретически, когда вы находитесь в космосе (без сопротивления), вы можете двигаться по спирали с небольшим, но непрерывным тангенциальным ускорением и медленно покидать гравитацию Земли, никогда не достигая скорости 11,2 км/с. Я предполагаю, что это был бы жизнеспособный вариант для зонда, оборудованного фотонным двигателем, уже находящегося в космосе, если он изначально медленнее, чем скорость убегания. (Фотонный привод может работать долго, потому что энергия может транспортироваться или передаваться легче, чем реакционная масса .)

$\endgroup$

$\begingroup$

Да, можно. Именно так будет работать космический лифт — при условии, что вы используете систему отсчета с вращением Земли.

Подползая по тросу до геостационарной высоты, затем продолжая двигаться от Земли (но уже вниз по тросу), человек достигает точки, где его можно отпустить, а центробежная сила сделает все остальное.

$\endgroup$

Британика

  • Развлечения и поп-культура
  • География и путешествия
  • Здоровье и медицина
  • Образ жизни и социальные вопросы
  • Литература
  • Философия и религия
  • Политика, право и правительство
  • Наука
  • Спорт и отдых
  • Технология
  • Изобразительное искусство
  • Всемирная история
  • В этот день в истории
  • Викторины
  • Подкасты
  • Словарь
  • Биографии
  • Резюме
  • Популярные вопросы
  • Обзор недели
  • Инфографика
  • Демистификация
  • Списки
  • #WTFact
  • Товарищи
  • Галереи изображений
  • Прожектор
  • Форум
  • Один хороший факт
  • Развлечения и поп-культура
  • География и путешествия
  • Здоровье и медицина
  • Образ жизни и социальные вопросы
  • Литература
  • Философия и религия
  • Политика, право и правительство
  • Наука
  • Спорт и отдых
  • Технология
  • Изобразительное искусство
  • Всемирная история
  • Britannica Classics
    Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
  • Демистифицированные видео
    В «Демистификации» у «Британники» есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
  • #WTFact Видео
    В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
  • На этот раз в истории
    В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
  • Britannica объясняет
    В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
  • Студенческий портал
    Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
  • Портал COVID-19
    Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
  • 100 женщин
    Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.