Штучні супутники

 

                                                        План

Вступ……………………………………………………………………………….2

1. Штучні супутники ……………...………...……….…………………………4
2. Іонний двигун ……………………………………………….......……………6
3. Принцип дії…………………..…….………………………….......…………..8

Висновки…………………………………………………………………………11

Список використаної літератури……………………………………………….12 
        Вступ

    Ракети споконвічно використовувалися в якості зброї. Сьогодні ці потужні апарати служать для польотів людини в космос і доставки на орбіту штучних супутників і різноманітного встаткування. Однак ракети з боєголовками як і раніше загрожують життю на Землі.

    Перші ракети були запущені близько 800 років тому. На початку XIII ст. їх використовували китайці проти монголів. Як і в сучасному феєрверку, рушійною силою китайських ракет служив пороховий заряд. Прикріплені до списів або стріл ракети являли собою застрашливу зброю. Монголи були настільки вражені, що створили свої власні ракети для війни з арабами. До середини XIII в. ракети були й в арабів. Французькі хрестоносці привезли їх в Європу.

    У 1429 р. французькі війська під командуванням Жанни Д'арк за допомогою ракет відстояли Орлеан у бої проти британців. Але незабаром ракети були витиснуті більш точною зброєю – пушками.

    Починаючи з XVI ст. ракети використовувалися у святкових феєрверках, спочатку в Італії, а потім і в інших європейських країнах. І тільки наприкінці XVIII в. вони знову були застосовані в бойових діях. У 1792 р. британські війська, що воювали в Індії, піддалися обстрілу невеликими металевими ракетами. Їхня ефективність виявилася настільки високою, що полковник Конгрев розв'язав створення ракетної зброї для британських військ. До 1804 р. він перетворив просту ракету у вкрай руйнівну зброю з фугасною або запальною бойовою частиною. Але точність влучення цієї зброї залишалася низькою приблизно до 1844 р., коли англієць Вільям Хейл винайшов метод стабілізації: вигнуті лопатки в соплі змушували ракету обертатися під час польоту, що додало їй стійкості.

    Дальність польоту завжди була слабким місцем ракет. Щоб вона летіла далі, можна збільшити розміри для розміщення більшої кількості пороху або іншого виду палива. Але при цьому зростає вага ракети, її стає складніше приводити в рух, а дальність однаково залишається обмеженою.

    Рішення даної проблеми запропонував француз Фрезье, а здійснив англійський полковник Боксер в 1855 р. Ідея полягала в послідовному з'єднанні двох ракет. Коли задня секція вигорала, пирозаряд відстрелював її й запалював паливо передньої секції. Ця багатоступінчаста конструкція забезпечувала більшу дальність польоту, ніж одноступінчаста ракета тієї ж маси, тому що лише частина вихідного реактивного снаряду повинна була досягти цілі. Росіянин учений Костянтин Ціолковський усвідомив важливість багатоступеневих ракет і вже у 1883 р. довів, що з їхньою допомогою можна здійснювати польоти в космос. Але до польотів у космос було ще далеко, і ракети використовувалися для інших цілей. Під час першої світової війни (1914-18) Англія збивала німецькі дирижаблі некерованими ракетами. Після закінчення війни, у результаті неослабного інтересу до ракетобудування, викликаного роботами Ціолковського, СРСР першим офіційно підтримав розвиток військової ракетної техніки. В 1929 р. дослідницькі роботи почали проводитися в Ленінградській лабораторії газодинаміки. У 1933 р. ця організація разом з московською Групою вивчення реактивного руху (ГВРР) створила ракету з рідинним ракетним двигуном (РРД), що встановила рекорд висоти (5,6 км) в 1936 р. У 1927 р. група німецьких інженерів організувала Суспільство космічних польотів. Під тиском нацистів ця організація була розпущена у 1934 р., але окремі вчені продовжили свої дослідження для військових цілей. Так були закладені основи лідерства Німеччини в ракетній техніці в ході Другої світової війни (1939-45). Найвидатнішим німецьким конструктором ракет у роки війни був Вернер фон Браун, що створив першу у світі балістичну ракету "Фау-1", застосовану для обстрілу Англії у 1944-45 рр.

 

    Американським першопрохідником в області ракетної техніки став фізик Роберт Годдард, що очолив групу ентузіастів. Їм вдалося запустити першу у світі ракету із РРД у 1926 р. Група продовжувала вносити вагомий вклад у ракетобудування аж до смерті Годдарда у 1945 р. У тому ж році Друга світова війна закінчилася поразкою Німеччини, у результаті чого СРСР і США одержали доступ до ракетних технологій і допомогу з боку їх розробників. Крім "Фау-2", під час Другої світової війни застосовувалися невеликі тактичні ракети, що запускаються з борту літака або із землі. Загострення " холодної війни" між США й СРСР в 1950х рр. привело до створення стратегічних ракет - міжконтинентальних носіїв ядерної зброї.

 

                                     1. Штучні супутники

   Такі ракети дозволяли радянським вченим виводити невеликі об'єкти на орбіту Землі. У жовтні 1957 р. переривчасті звукові сигнали з невеликого штучного супутника, запущеного СРСР - "Супутника-1", - повідомили про початок космічної ери.

      Через чотири місяці у США під керівництвом фон Брауна був зроблений відповідний запуск. Вплив ідей цього вченого тривав аж до здійснення програми "Аполлон", у якій була задіяна гігантська триступінчаста ракета "Сатурн-5", що доставила американських астронавтів на місяць у 1969 р.

   Третій закон механіки Ньютона говорить: будь-якій дії завжди відповідає рівна й протилежно спрямована протидія. Це означає, якщо  наприклад стрибати з невеликого човна на берег, енергія стрибка відштовхує човен від берега. У ракетах використовується той же принцип. Вони рухаються за рахунок викиду потоку речовини (звичайно газу). Дія енергії газу викликає протидію щодо ракети й змушує її летіти. На відміну від реактивних двигунів, яким необхідний забір повітря для спалювання палива, у ракетах є все необхідне для руху - це автономні апарати, здатні рухатися в космічному просторі.

     У більшості ракет тверде або рідке пальне спалюється в замкненому обсязі, а гази, що утворюються, випускаються через один або декілька сопів невеликого діаметра. Необхідний для спалювання палива кисень можна одержувати з хімічних сполук - наприклад, калієвої селітри. У сучасних РРД рідкий кисень часто використовується для спалювання таких видів пального, як газ, рідкий водень або гидразин (азотно-водневе з'єднання).

    Ракетні двигуни твердого палива (РДТП) широко застосовуються завдяки своїй простоті й надійності. Вони встановлені на більшості бойових ракет, служать прискорювачами деяких космічних апаратів та іноді використовуються як двигуни частин багатоступеневих ракет. Однак для складних космічних польотів РРД кращі, тому що створювана ними тяга легко регулюється. Крім того, при рівній вазі палива РРД забезпечують більшу тягу й прискорення, ніж РДТП.

    Хоча ракети із РРД використовуються для відносно коротких польотів на Місяць і інші планети Сонячної системи, швидкість, що розвивається ними, недостатня для подорожей в інші зоряні системи. Американський космічний зонд "Вояджер-2" для розвитку високої швидкості використовував силу притяжіння Юпітера й розвив швидкість приблизно 36 000 км/год. Але навіть така швидкість занадто мала для польотів до зірок. Найближча до нас зірка (не вважаючи Сонця) - Проксима Центавра - перебуває на відстані близько 40 млн. км, і космічному кораблю, що летить зі швидкістю "Вояджера-2", знадобиться 126 000 років, щоб дістатися її. Тому вчені намагаються створити більш швидкісні ракетні двигуни.

    Ракети з ядерним двигуном не можна запускати із Землі через радіаційну небезпеку для здоров'я людей, але вони можуть стартувати з космосу. Такі двигуни можуть створювати величезну силу тяги за рахунок серії ядерних вибухів.

     Інші запропоновані варіанти включають перетворення водню в плазму - газоподібний потік заряджених часток. За допомогою магнітного поля плазма витісняється із двигуна й створює тягу. Ще одна ідея полягає у використанні електричного поля для викиду із двигуна іонів (заряджених атомів) ртуті або цезію. Випробування підтвердили працездатність такої системи, хоча створювана при цьому тяга неймовірно мала - лише 1 кг на кожні 4 млн. Вт споживаної електроенергії. Однак при поступовому прискоренні протягом багатьох місяців така ракета, зрештою, може розвити величезну швидкість.

    Раніше розглядалася ще одна можливість, що полюбилася у свій час письменникам-фантастам - фотонний двигун, що створює тягу за рахунок випущення потоку квантів світла. Однак і при гостро сфокусованому пучку світла створювана фотонами тяга не зможе зрівнятися навіть із мінімальною тягою іонного двигуна.

 

                                       2. Іонний двигун

        Основоположник космонавтики К.Е. Ціолковський вперше в 1911 р. висловив думку, що за допомогою електрики можна надавати величезну швидкість частинкам, що викидається з реактивного приладу. Пізніше клас двигунів, заснованих на цьому принципі, стали називати електричними ракетними двигунами. Проте до цих пір не існує загальноприйнятого і цілком однозначного визначення ЕРД.

      У Фізичному енциклопедичному словнику ЕРД - це ракетний двигун, в якому робочим тілом служить іонізований газ (плазма), прискорюваний переважно електромагнітними полями; в енциклопедії «Космонавтика» - це двигун, у якому в якості джерела енергії для створення тяги використовується електрична енергія, що виробляється бортовою енергоустановкою космічного апарату, в Політехнічному словнику наводиться третій варіант визначення ЕРД: це реактивний двигун, в якому робоче тіло розганяється до високих швидкостей з використанням електричної енергії.

      Найбільш логічно електричними ракетними двигунами називати двигуни, в яких для розгону робочого тіла використовується електрична енергія, причому джерело енергії може знаходитися як на борту космічного апарата (КА), так і поза ним. В останньому випадку енергія або безпосередньо підводиться до прискорюючої системи від зовнішнього джерела, або передається на КА з допомогою сфокусованого пучка електромагнітного випромінювання.

    Іонний двигун - різновид електричного ракетного двигуна. Його робочим тілом є іонізований газ ( аргон, ксенон...).

       Принцип іонного двигуна досить давно відомий і широко представлений у фантастичній літературі, комп'ютерних іграх і кінематографі, але для космонавтики став доступний тільки останнім часом.

      В 1960 був побудований перший функціонуючий широко-променевий (broad-beam) іонний електростатичний двигун (створений в США в NASA Lewis Research Center). В 1964 - перша успішна суборбітальна демонстрація іонного двигуна (SERT I), тест на здійснимість нейтралізації іонного променя в космосі.

     В 1970 - випробування на тривалу роботу ртутних іонних електростатичних двигунів в космосі (SERT II). З 1970-х років іонні двигуни на ефекті Холла використовувалися в СРСР як навігаційні двигуни (двигуни SPT-60 використовувалися в 1970-х роках на " Метеорах ", SPT-70 на супутниках" Космос "і" Луч "в 1980-х, SPT-100 в ряді супутників в 1990-х).

     В якості основного ( маршового) двигуна іонний двигун був вперше застосований на космічному апараті Deep Space 1 (перший запуск двигуна 10 листопада1998). Наступними апаратами стали європейський місячний зонд Смарт-1, запущений 28 вересня 2003, і японський апарат Хаябуса, запущений до астероїда в травні 2003.

     Наступним апаратом NASA, що володіє маршовими іонними двигунами, стала (після ряду заморожувань і відновлення робіт) АМС Dawn, яка стартувала 27вересня 2007. Dawn призначається для вивчення Вести і Церери, і несе три двигуни NSTAR, успішно випробуваних на Deep Space 1.

      Європейське Космічне Агентство встановило іонний двигун на борту супутника GOCE, запущеного 17 березня 2009 на над-низьку навколоземну орбіту висотою всього близько 260 км. Іонний двигун створює в постійному режимі імпульс, що компенсує атмосферне тертя та інші негравітаційні впливи на супутник.

                                           3. Принцип дії

      Принцип роботи двигуна полягає в іонізації газу і його розгоні електростатичним полем. При цьому, завдяки високому відношенню заряду до маси, стає можливим розігнати іони до дуже високих швидкостей (аж до 210 км / с  у порівнянні з 3-4,5 км / с у хімічних ракетних двигунів). Таким чином, в іонному двигуні можна досягти дуже великого питомого імпульсу. Це дозволяє значно зменшити витрату реактивної маси іонізованого газу в порівнянні з витратою реактивної маси в хімічних ракетах, але вимагає великих витрат енергії.

      В існуючих зразках для підтримки роботи двигуна використовуються сонячні батареї. Але для роботи в далекому космосі такий спосіб неприйнятний. Тому вже зараз для цих цілей іноді використовуються ядерні установки.

      Джерелом іонів служить газ, як правило це аргон або водень, бак з газом знаходиться на самому початку двигуна, звідти газ подається у відсік іонізації, виходить холодна плазма, яка розігрівається в наступному відсіку за допомогою іонного циклотронного резонансного нагріву. Після нагріву, високоенергетична плазма подається в магнітне сопло, де вона формується в потік за допомогою магнітного поля, розганяється і викидається в навколишнє середовище. Таким чином досягається тяга.

      З тих пір плазмові двигуни пройшли великий шлях і розділилися на кілька основних типів, це електротермічні двигуни, електростатичні двигуни, сільноточні або магнітодинамічні двигуни й імпульсні двигуни. У свою чергу електростатичні двигуни діляться на іонні та плазмові (прискорювачі часток на квазинейтральній плазмі).

      Іонний двигун використовує в якості палива ксенон або ртуть. Перший іонний двигун називався сітчастий електростатичний іонний двигун. В іонізатор подається ксенон, який сам по собі нейтральний, але при бомбардуванні високоенергетичними електронами іонізується. Таким чином в камері утворюється суміш з позитивних іонів і негативних електронів. Для "відфільтровування" електронів в камеру виводиться трубка з катодними сітками, яка притягує до себе електрони.

      Позитивні іони притягуються до системи вилучення, що складається з 2 або 3 сіток. Між сітками підтримується велика різниця електростатичних потенціалів (+1090 вольт на внутрішній проти - 225 на зовнішній). В результаті попадання іонів між сітками, вони розганяються і викидаються в простір, прискорюючи корабель, відповідно до третього закону Ньютона. Електрони, спіймані в катодну трубку викидаються з двигуна під невеликим кутом до сопла і потоку іонів. Це робиться з двох причин:

• щоб корпус корабля залишався нейтрально зарядженим;
• щоб іони "нейтралізовані" таким чином не притягувалися назад до корабля.

      Щоб іонний двигун працював потрібні всього 2 речі - газ і електрика.

      Недолік двигуна в його нинішніх реалізаціях - дуже слабка тяга (порядку 50-100 мілліньютонов). Таким чином, немає можливості використовувати іонний двигун для старту з планети, але, з іншого боку, в умовах невагомості, при досить довгій роботі двигуна є можливість розігнати космічний апарат до швидкостей, недоступних зараз ніяким іншим з існуючих видів двигунів.