SATURS
1. Kosmonautikas vēsture 3
2. Kosmisko lidojumu principi 5
2.1. Kosmiskie ātrumi 5
3. Kosmiskie lidojumi 7
3.1. Kosmiskās raķetes 7
3.2. Kosmosa kuģi 10
3.3. Kosmoplāni 12
3.4. Astronauta aprīkojums 14
4. Fizika kosmosā 15
4.1. Gravitācijas spēks 16
4.2. Raķetes jauda 16
5. Kosmonautikas perspektīvas 17
6. Kosmonautikas hronoloģija 18
Izmantotā literatūra 21
1. KOSMONAUTIKAS VĒSTURE
Pirmās ziņas par ceļošanu kosmosā saistās ar 19. gs. beigām, kad tika konstruētas pirmās raķetes. Kosmonautikas teorētiskos pamatus izveidoja krievu zinātnieks K. Ciolkovskis 20. gs. sākumā. Praktiska raķešdzinēju konstruēšana un izmēģināšana sākās 20. gs. 30. gados. Pie šiem pētījumiem paralēli strādāja ASV, Vācijas un Krievijas zinātnieku grupas. 1926. gadā ASV sekmīgi tika palaista pirmā raķete ar šķidrās degvielas dzinēju. To izstrādāja un palaida raķešu tehnikas pētnieks un zinātnieks Roberts Godards. Šīs raķetes lidojums ilga tikai 2,5 sekundes, un tā sasniedza 12,5m augstumu.
Krievijas Reaktīvās kustības pētīšanas grupu sākotnēji vadīja rīdzinieks F. Canders. Vēlāk grupas vadību pārņēma krievu zinātnieks S. Koroļovs, kurš pēc otrā pasaules kara kļuva par PSRS galveno raķešu konstruktoru. ASV ar raķešu konstruēšanu šajā laikaposmā nodarbojās vācu zinātnieks V. Fon Brauns. Sākotnēji kosmisko lidojumu vajadzībām izmantoja pārbūvētas starpkontinentālās ballistiskās raķetes.
Gan ASV, gan PSRS paziņoja, ka palaidīs pavadoņus 1957. Gadā, taču nesaskaņas starp militārajiem un civilajiem inženieriem aizkavēja ASV programmas izpildi, un PSRS kļuva par līderi.
1957. gada 4. oktobrī PSRS ievadīja orbītā pirmo Zemes mākslīgo pavadoni (ZMP) Sputņik-1. Tas bija tērauda lode, kuras diametrs bija 58 cm un tā svēra 84 kg. To ievadīja eliptiskā orbītā, kurā tas riņķoja 92 dienas un raidīja uz Zemi radiosignālus. Pēc mēneša tam sekoja otrais pavadonis, kurā atradās dzīva būtne – suns Laika. Diemžēl kosmiskā aparāta atgriešanās uz Zemes nebija paredzēta, tāpēc pēc lidojuma programmas izpildes suns tika iemidzināts. ASV savu pirmo ZMP Explorer-1 palaida 1958. gadā. Šajā gadā ASV tika nodibināta Nacionālā Aeronautikas un kosmosa aģentūra NASA. Pirmais kosmiskais aparāts, kas sasniedza otro kosmisko ātrumu, bija PSRS automātiskā starpplanētu stacija “Luna-1”, kas 1959. gadā tika sūtīta Mēness virzienā.
1961. gada 12. aprīlī notika pirmais cilvēka lidojums kosmosā, ko veica PSRS kosmonauts Jurijs Gagarins. Viņš lidoja ar kosmosa kuģi Vostok, kuru pacēla orbītā trīspakāpju nesējraķete ar tādu pašu nosaukumu. Lidojums ilga 1 stundu 48 minūtes, šajā laikā kosmiskais kuģis veica vienu apriņķojumu ap Zemi. Pēc lidojuma beigšanas kosmiskā kuģa nolaižamais aparāts lēni nolaidās uz Zemes. Mēnesi vēlāk NASA palaida kosmosa kuģi Mercury-1, kuru pilotēja Alans Šepards, bet tā neveica pilno apriņķojumu, jo nebija pietiekami jaudīga. Pirmais pilotējamais kosmiskais lidojums ASV notika 1962. gadā, un to veica astronauts Dž. Glenns.
Pirmie lidojumi vairāk bija paredzēti kosmiskās tehnikas izmēģināšanai un prioritātes pierādīšanai, bet vēlāk tie ieguva praktisku un zinātnisku ievirzi. Tika palaisti pirmie meteoroloģiskie un astronomiskie, navigācijas un sakaru, arī militārie ZMP. Sākās starpplanētu telpas pētījumi. Uz Mēnesi, Veneru un Marsu tika sūtītas pirmās automātiskās starpplanētu stacijas.
1969. gada 21. jūlijā uz Mēness virsmas izkāpa Nīls Ārmstrongs un Edvins Oldrins. Vēlāk tiem sekoja vēl seši lidojumi. Divus gadus vēlāk PSRS palaida pirmo pilotējamo orbitālo staciju Saļut. 1986. gadā tika palaista orbitālā stacija Mir, kura pēc tam vairākus gadus tika papildināta ar moduļiem, bet 2001. gadā staciju izvadīja no orbītas un nogremdēja Klusajā okeānā.
NASA šajā laikā nodarbojās ar daudzkārt lietojamā kosmoplāna Space Shuttle izstrādi. Diemžēl kosmoplāns, kas beidzot tika palaists 1981. gadā, nesamazināja lidojumu izmaksas tik lielā mērā, kā bija cerēts. Šī iemesla dēļ Eiropā izveidotā raķete Ariane pārņēma lielu daļu pavadoņu palaišanas tirgus. NASA izveidotā Shuttle programma piedzīvoja vēl divas neveiksmes- 1986. gadā, kad kosmoplāns Challenger eksplodēja īsi pēc starta, un 2003. gadā, kad kosmoplāns Columbia, ieejot atmosfēras slāņos, traģiski sadega.
ASV un PSRS kļuva par kosmosa lielvalstīm. Pakāpeniski kosmosa apgūšanā iesaistījās arī citas valstis. Arī Francija palaida pirmo pavadoni 1965. gadā. Desmit gadus vēlāk Eiropas valstis apvienojās kosmiskās telpas izpētei un izveidoja Eiropas kosmonautikas pārvaldi ESA. Tajā ietilpst vienpadsmit valstis. Kosmonautika attīstījās arī Japānā un Ķīnā, kas palaidušas savus ZMP, kā arī Indijā un citas.
Padomju Savienības sabrukšana un NASA nespēja finansēt savas orbitālās stacijas būvi radīja nepieciešamību izveidot starptautisku kooperāciju. Tagad NASA kopā ar Krieviju un citām kosmosa lielvalstīm būvē Starptautisko orbitālo staciju ISS, kam jākļūst par pastāvīgi apdzīvotu kosmisko laboratoriju.
2. KOSMISKO LIDOJUMU PRINCIPI
2.1. Kosmiskie ātrumi
Divdesmitā gadsimta zinātniskie un tehniskie sasniegumi deva iespēju realizēt lidojumus kosmosā. Kosmiskais lidojums balstās uz reaktīvās kustības principu. Gāze vai cita darbviela tiek izsviesta no dzinēja vienā virzienā, bet pati raķete saskaņā ar impulsa nezūdamības likumu kustas pretējā virzienā. Lai raķete nokļūtu kosmosā, tai jāsasniedz pirmais kosmiskais ātrums. Tad tā kustēsies pa riņķveida orbītu un “nekritīs” atpakaļ uz Zemes. Pirmā kosmiskā ātruma vērtība ir 7,91 km/s. Uz citām planētām pirmā kosmiskā ātruma vērtība ir citāda, jo ir atkarīga no debess ķermeņa izmēriem un masas.
Aprēķini rāda, ka sasniegt vajadzīgo ātrumu ar vienpakāpes raķeti ir ļoti sarežģīti. Liela ātruma iegūšanai vajadzīgs liels degvielas daudzums, savukārt šīs degvielas pacelšanai vajadzīga papildus degviela, utt. Tāpēc kosmiskajiem lidojumiem izmanto daudzpakāpju raķetes. Raķete startē no Zemes, ar pirmās pakāpes dzinēja un degvielas krājumu palīdzību sasniedz noteiktu ātrumu, tad pirmā pakāpe tiek nomesta. Tālāk tiek iedarbināts otrās pakāpes dzinējs un tērēti otrās pakāpes degvielas krājumi, utt., līdz raķete nonāk kosmosā. Atkarībā no veicamā uzdevuma, raķetei var būt divas, trīs, vai četras pakāpes. Tikai 20. gadsimta 90. gados tika uzsākti eksperimenti vienpakāpes raķetes radīšanā.
ASV daudzpakāpju raķete Saturn lidojumā. NASA foto
ASV kosmoplāns Space Shuttle dodas uz orbītu. NASA foto
Vienpakāpes kosmosa kuģa prototips X-33. NASA zīmējums
Planētu zonde Voyager-2, kas dodas projām no Saules sistēmas. NASA foto
Par iespēju pārvarēt Zemes pievilkšanas spēku ir “dārgi jāmaksā”. Arī daudzpakāpju raķetē lielāko daļu vietas aizņem degviela. Derīgā krava sastāda tikai 5% no raķetes starta masas. Piemēram, lai nogādātu zemā orbītā kosmisko aparātu, kura masa ir 1 t, jāpatērē aptuveni 20 t degvielas. Kad kosmiskais aparāts ir nonācis orbītā, tas kustas pēc inerces ar izslēgtiem dzinējiem. Šī kustība var turpināties praktiski mūžīgi, ja neņemam vērā bremzēšanos Zemes atmosfēras augšējos slāņos un citus sīkus efektus. Dzinēji vajadzīgi vienīgi tad, ja kosmisko aparātu jāpārvieto uz citu orbītu.
Ja kosmiskā aparāta ātrums sasniedz vai pārsniedz otro kosmisko ātrumu, tad tas aizlido projām no attiecīgā debess ķermeņa un vairs pie tā neatgriežas. Otrais kosmiskais ātrums uz Zemes ir 11,19 km/s. Otro kosmisko ātrumu sasniegušais aparāts neriņķo vairs ap Zemi, bet gan ap Sauli un var veikt lidojumu no vienas planētas uz otru.
Ja kosmiskā aparāta ātrums sasniedz vai pārsniedz trešo kosmisko ātrumu (16,7 km/s), Saules gravitācija vairs nespēj to noturēt un tas uz visiem laikiem aizlido no Saules sistēmas. Trešo kosmisko ātrumu sasniegušas divas Pioneer zondes un divas Voyager zondes, kas pēc milzu planētu izpētes devās tālāk starpzvaigžņu telpā.
3. KOSMISKIE LIDOJUMI
3.1. Kosmiskās raķetes
Kosmiskā lidaparāta nogādāšanai orbītā izmanto nesējraķeti. Nesējraķetei parasti ir vairākas pakāpes, katrai no tām ir savi dzinēji un bākas, kurās iepildīta degviela un oksidētājs. Lidojuma laikā pēc degvielas izlietošanas pakāpes tiek atdalītas un nokrīt atpakaļ uz Zemes. Vairākumā gadījumu otrreizējai izmantošanai tās vairs nav derīgas, atskaitot ASV kosmoplāna Space Shuttle pirmo pakāpi.
Nesējraķetēs lieto gan šķidrās, gan cietās degvielas raķešdzinējus. Cietās degvielas dzinējiem ir vienkārša konstrukcija un liela jauda, taču to darbība ir grūti kontrolējama. Tos biežāk lieto nesējraķešu pirmajās pakāpēs kā starta paātrinātājus. Par cieto raķešu degvielu izmanto dažādu vielu maisījumu, kas spēj sadegt bez gaisa skābekļa klātbūtnes, piemēram, pulverveida alumīniju un amonija perhlorātu.
Šķidrās degvielas raķešdzinējus izmanto dažādās raķešu pakāpēs. To darbības princips ir sekojošs. Dzinēja kamerā padod degvielas un oksidētāja (vielas, kas uztur degšanu) maisījumu. Sadegot rodas gāzes, kas ar lielu ātrumu izlido pa dzinēja sprauslu. Par šķidro raķešu degvielu izmanto petroleju, šķidru ūdeņradi u.c., bet par oksidētāju – šķidru skābekli u.c. Šķidrās degvielas raķešdzinēju var iedarbināt vairākas reizes. Kosmiskajos raķešdzinējos cenšas izmantot tādu degvielu, kas rada vislielāko gāzu izplūdes ātrumu. No šī viedokļa vispiemērotākais ir ūdeņradis, kas rada gāzu izplūdes ātrumu vakuumā 4380 m/s.
Šobrīd kosmiskos startus aktīvi veic ASV, Eiropas kosmiskā aģentūra (European Space Agency, ESA), kas pārstāv Rietumeiropas valstu intereses, Japāna, Krievija un Ķīna.
Eiropas kosmiskā aģentūra, kurā ietilpst 15 Eiropas valstis un kuras galvenais darba virziens ir lietišķas ievirzes pavadoņu izstrādāšana un palaišana kosmosā, izmanto nesējraķetes Ariane modifikācijas (Ariane – 1, 2, 3, 4, 5). Jaudīgākā no tām ir Ariane – 5, kas spēj pacelt pārejas trajektorijā uz ģeostacionāro orbītu, t.i., orbītā ar augstu apogeju aptuveni 7 tonnas smagu pavadoni.
ASV savās kosmiskajās programmās ir lietojusi dažādas nesējraķetes, galvenokārt Atlas, Delta, Saturn un Titan. Kā augšējā pakāpe šajās raķetēs bieži tika izmantota pakāpe Centaur. Tāpat ASV intensīvi izmanto kosmoplānu Space Shuttle, kas sastāv no diviem starta paātrinātājiem, degvielas bākas un dzinējiem, kas uzstādīti orbitālajā lidmašīnā. Pati jaudīgākā nesējraķete pasaulē bija Saturn – 5, ar kuru tika sūtīti kosmiskie kuģi uz Mēnesi. Tā slējās 35 stāvu nama augstumā un tās starta masa bija 3000 tonnas. Raķetes diametrs pie pamatnes sasniedza 10 metrus un tās pirmās pakāpes dzinēji izlietoja 3 tonnas degvielas sekundē. Saturn – 5 varēja pacelt zemā orbītā 140 tonnas kravas. Šobrīd tik jaudīgas nesējraķetes vairs neizmanto.
ESA nesējraķete Ariane –5. ESA foto
ASV nesējraķete Delta. NASA foto
ASV nesējraķete Saturn – 5. NASA foto
ASV kosmoplāns Space Shuttle. NASA foto
Krievijas nesējraķete Ciklon. NASA materiāls
Krievijas nesējraķete Proton. NASA materiāls
Krievijas nesējraķete Zeņit. Boeing foto
Japānas nesējraķete H – 2. NASA materiāls
Ķīnas nesējraķete CZ (Long March).
Krievijas galvenās nesējraķetes ir Sojuz, Proton, Zeņit un Ciklon. Raķetes Zeņit un Ciklon izmanto dažādu pavadoņu palaišanai, bet nesējraķeti Sojuz – tāda paša nosaukuma pilotējamo kosmosa kuģu pacelšanai orbītā. Ar raķeti Proton, kas šobrīd ir jaudīgākā Krievijas nesējraķete, kosmosā nogādā dažādas kravas, tai skaitā Starptautiskās orbitālās stacijas moduļus.
Japāna savu kosmisko aparātu palaišanai izmanto vairākas gan ar šķidro, gan cieto degvielu darbināmas nesējraķetes. Piemēram, 1994. gadā uzsāka lidojumus Japānas nesējraķete H – 2, kas spēj nogādāt pārejas trajektorijā uz ģeostacionāro orbītu 3 tonnas kravas. Ķīna savu pavadoņu palaišanai izmanto nesējraķetes CZ – 1, 2, 3, 4 (Long March) un to modifikācijas. Ķīnas nesējraķetes ir samērā jaudīgas, piemēram, raķete CZ – 2 spēj pacelt zemā orbītā gandrīz 9 tonnas kravas.
Nesējraķetes palaišanai izmanto kosmodromu. To visizdevīgāk iekārtot ekvatora tuvumā, kur vispilnīgāk var izmantot Zemes rotācijas ātrumu (465 m/s), jo kosmiskos lidaparātus parasti palaiž austrumu, t.i., Zemes griešanās virzienā. Savi kosmodromi ir ASV, ESA, Japānai, Kazahijai, Krievijai, Ķīnai un Indijai. No tiem pazīstamākie ir Kanaverala zemesraga kosmodroms Floridā ASV, Baikonuras kosmodroms Kazahijā, kuru izmanto Krievija, un Kuru kosmodroms Franču Gvajānā Dienvidamerikā, kuru izmanto ESA.
Taču raķetei nav obligāti jāstartē no zemes. Kopš 1990. gada ASV nesējraķete Pegasus tiek palaista no lielā augstumā lidojošas speciālas lidmašīnas. Veiksmīgi raķešu starti notiek arī no pārvietojamās platformas Sea Launch, kuru kopīgiem spēkiem izveidojušas vairākas starpautiskas kompānijas. Sea Launch platforma atrodas Klusajā okeānā tieši uz ekvatora. Derīgās kravas nogādāšanai kosmosā tiek izmantota Krievijas nesējraķete Zeņit.
3.2. Kosmosa kuģi
Par kosmosa kuģi sauc pilotējamu kosmisko lidaparātu. Tas var kalpot kosmonautu un kravas nogādāšanai uz orbitālo staciju, vai arī veikt patstāvīgu lidojuma programmu, kā to dara kosmoplāna orbitālā lidmašīna (sk. nākošo nodaļu).
ASV kosmosa kuģa Apollo starts. NASA foto
PSRS kosmosa kuģis Sojuz. Tam ir lodveidīgs orbitālais nodalījums un konusveidīgs nolaižamais aparāts.
Kosmosa kuģa lidojumam piemīt visas raksturīgās kosmiskā lidojuma fāzes. Pacelšanās (aktīvajā) posmā tas kustas ar lielu paātrinājumu, tāpēc kosmonauti izjūt spēcīgu pārslodzi – viņu svars pieaug vairākas reizes. Pēc nonākšanas orbītā dzinējus izslēdz un sākas lidojuma pasīvais posms. Iestājas bezsvara stāvoklis, kas līdzinās brīvajai krišanai. Šajā lidojuma posmā dzinēji vajadzīgi tikai kosmiskā kuģa orientācijai vai orbītas korekcijai. Orbītas korekcijai izmanto vidējas jaudas šķidrās degvielas raķešdzinējus, bet kosmiskā aparāta orientācijai parasti izmanto nelielus raķešdzinējus, kas darbojas ar saspiestu gāzi. Pilotējamo kuģu tipisks lidojuma augstums ir 300 – 500 km.
Kosmosa kuģi Apollo (pa kreisi) un Sojuz.
Bezsvars, tiesa, nevis kosmosā, bet brīvi krītošā treniņlidmašīnā. NASA foto
Tradicionāli kosmosa kuģis sastāv no vairākiem nodalījumiem – orbitālā bloka, kurā kosmonauti uzturas lidojuma laikā, iekārtu un dzinēju nodalījuma, nolaižamā aparāta un sakabināšanās mezgla. Šādi iekārtots, piemēram, Krievijas kosmosa kuģis Sojuz, taču citu kosmosa kuģu konstrukcija var būt atšķirīga. Pēc lidojuma programmas izpildes kosmiskais kuģis ar dzinēja palīdzību tiek bremzēts, noiet no orbītas un uzsāk nolaišanos. Atmosfēras blīvajos slāņos tas strauji bremzējas, līdz ar to rodas liela pārslodze. Berzes dēļ kosmiskā kuģa virsma spēcīgi sakarst, tāpēc to noklāj ar speciālu siltumizolācijas slāni. Nolaišanās pēdējā fāze (piezemēšanās) notiek ar izpletņa palīdzību vai planējot. Uz Zemes atgriežas tikai kosmiskā kuģa nolaižamais aparāts. Izņēmums ir kosmoplāna Space Shuttle orbitālā lidmašīna un projektējamais Starptautiskās orbitālās stacijas apkalpes kuģis CRV, kas sastāv no viena bloka un nolaižas kā viens vesels.
Kosmosa kuģa Apollo nolaišanās okeānā. NASA foto
Uz Apollo nolaižamā aparāta sāniem redzamas apdeguma pēdas, kas radušās, lidojot cauri atmosfērai. NASA foto
Apkalpes kuģis CRV planē atmosfērā izmēģinājumu laikā. NASA foto
3.3. Kosmoplāni
Daudzkārt lietojama kosmiskā transportsistēma atšķiras no parasta kosmosa kuģa un nesējraķetes ar to, ka visa transportsistēma vai vismaz tās lielākā daļa izmantojama atkārtoti. Pēc šāda principa veidots ASV kosmoplāns Space Shuttle. Tas sastāv no diviem pirmās pakāpes blokiem, degvielas tvertnes un orbitālās lidmašīnas. Pirmās pakāpes bloki pēc izmantošanas ar izpletni nolaižas uz zemes. Otrajā pakāpē tiek darbināti orbitālās lidmašīnas dzinēji un tērēta degviela no tvertnes. Tvertne ir vienīgais sistēmas elements, kas netiek izmantots atkārtoti. Pēc iztukšošanas tā atdalās un sadeg atmosfērā. Kosmosā nonāk tikai orbitālā lidmašīna. Kosmoplānam ir plaša kravas telpa, ko izmanto derīgās kravas nogādāšanai orbītā un atpakaļ. Lidojuma beigās orbitālā lidmašīna nolaižas planējot gluži kā parasta lidmašīna.
Kosmoplāna starts. NASA foto
Bākas atdalīšanās no orbitālās lidmašīnas. NASA foto
Orbitālā lidmašīna kosmosā ar atvērtu kravas lūku. NASA foto
Kosmoplāns nolaižas uz skrejceļa. NASA foto
ASV izmanto četras orbitālās lidmašīnas – Atlantis, Columbia, Discovery un Endeavour bojā gājušā Challenger vietā. Pēc orbitālās lidmašīnas vārda attiecīgajā lidojumā dēvē visu kosmoplānu. Kosmoplāns spēj pacelt zemā orbītā 30 t kravas, bet nogādāt atpakaļ uz Zemi – 15 tonnas. Visas sistēmas starta masa ir ap 2000 t, orbitālā lidmašīna sver aptuveni 100 t. Apkalpē ietilpst septiņi vai astoņi cilvēki, daļa no tiem var būt nevis profesionāli kosmonauti, bet derīgās kravas speciālisti. Kosmoplāna parastais lidojuma ilgums ir viena nedēļa.
Kosmoplāns ir sistēma ar plašām iespējām. Ar to var pacelt kosmosā un palaist lidojumā pavadoņus vai starpplanētu zondes. Iespējams tuvoties agrāk palaistiem pavadoņiem un nogādāt tos atpakaļ uz Zemi, vai izdarīt remontu uz vietas. Šāds remonts orbītā jau ir veikts, piemēram, vairākas reizes tika remontēts Habla kosmiskais teleskops. Orbitālās lidmašīnas kravas telpā var novietot autonomu pētniecības platformu, vai kosmisko laboratoriju, kurā strādā apkalpe. Piemēram, kosmoplānā vairākus lidojumus veikusi ESA izstrādātā kosmiskā laboratorija Spacelab.
3.4. Astronauta aprīkojums
Pirmie kosmiskie skafandri bija vienkārši hermētiski kostīmi, kas pasargāja astronautu no pārslodzes pacelšanās un nolaišanās laikā. Tos nevarēja izmantot ārpus kosmosa kuģa. Modernie skafandri, ko izmanto kosmoplāna astronauti, ir aprīkoti ar pilnīgu dzīvības nodrošināšanas sistēmu un atšķirībā no agrākajiem skafandriem nodrošina kustību brīvību, kas nepieciešama montāžas un remonta darbiem kosmosā.
Kosmiskais skafandrs, kuru valkā kosmoplāna astronauti ir kas vairāk nekā vienkāršs aizsargtērps- tam ir sarežģīts aprīkojums, kas nodrošina vēlamo gaisa spiedienu, apgādā ar skābekli, aizsargā pret ātri lidojošiem kosmiskajiem putekļiem, uztur nepieciešamo temperatūru apstākļos, kad āra temperatūra dažu minūšu laikā var mainīties no –1550C līdz +1200C. Agrāk izmantotajos skafandros dzīvības uzturēšanai nepieciešmos krājumus padeva pa cauruli no kosmosa kuģa, bet modernajos skafandros šīs funkcijas veic paša skafandra sistēmas, līdz ar to piešķirot astronautam lielāku kustības brīvību.
Lai gan vairākumā gadījumu, strādājot atklātā kosmosā, astronauti izmanto drošības trosi, kas tos saista ar kuģi, viņi var izmantot arī individuālu reaktīvo lidiekārtu. Šādas lidiekārtas ir pilnveidojušās no vienkāršām raķešpistolēm un neveiklām reaktīvajām mugursomām līdz relatīvi kompaktām iekārtām, kādas izmanto mūsdienās.
Kosmiskais skafandrs, kas sastāv no 18 daļām, ieskaitot 14 slāņu kostīmu, ārpus kosmosa kuģa strādājošam astronautam rada drošu vidi. Skafandra daļas savā starpā sastiprinātas ar slēdžiem, kuru atvēršanai nepieciešamas trīs atsevišķas kustības. Tas ļauj izvairīties no kāda astronauta ķermeņa daļas nejaušas saskares ar atklātu kosmosu.
4. Fizika kosmosā
Galilejs 1632. gadā, pētīdams kustīga ķermeņa dinamiku, konstatēja, ka katrs ķermenis, ja uz to neiedarbojas cits ķermenis, saglabā nemainīgu savu kustības virzienu. Galileja mācības turpināja, ievērojamais zinātnieks I.Ņūtons, atklāja šādu likumsakarību: katrs ķermenis paliek miera vai vienmērīgas taisnvirziena kustības stāvoklī tik ilgi, kamēr citi ķermeņi, iedarbodamies uz to no ārpuses, neizmaina šo stāvokli. Šo postulātu nosauca par pirmo Ņūtona likumu. Galvenā doma, kas izteikta šajā likumā, ir tā, ka tikai ārējie spēki var izmainīt ķermeņa miera vai vienmērīgas kustības stāvokli. Ķermeņa īpašību saglabāt savu kustību (lielumu un virzienu) vai miera stāvokli sauc par inerci.
Inerce – galvenais faktors, kas ietekmē raķetes lidojumu kosmiskajā telpā.
Par kosmisko telpu sauc telpu, kas atrodas aiz Zemes atmosfēras robežas.
Cik ilgi var turpināties kosmiskā kuģa lidojums bez dzinēju darbības?
Presē mēs bieži lasām, ka orbītā ievadītais pavadonis (vai kosmosa kuģis) ieplānoto programmu ir izpildījis, izdarījis atbilstošo apgriezienu skaitu ap planētu, iegājis Zemes atmosfēras blīvajos slānos un sadedzis. Acīmredzot uz kosmosā lidojošo aparātu no ārpuses iedarbojas spēki, kas izmaina tā kustību. Kādi tad ir šie spēki? Un kas liek raķetei mainīt piešķirtās kustības virzienu?
„Tīrs kosmoss”, kur raķete varētu kustēties pēc inerces neierobežoti ilgu laiku, vispār neeksistē. Kosmosā lidojošie aparāti vienmēr ir pakļauti perturbācijai.
Kamēr raķete atrodas Zemes gravitācijas laukā, uz to iedarbojas Zemes gravitācijas spēki un arī Zemes elektriskā un magnētiskā lauka spēki. Raķetei izejot Zemes gravitācijas lauka, tā nonāk Saules un Saules sistēmas planētu gravitācijas laukā. Citā Visuma daļā uz to iedarbosies citas planētas, asteroīdi, komētas, zvaigžņu sakopojumi, t.i., dažādu vielu daļiņas. Tātad visur notiek ķermeņu savstarpējā iedarbība, kuru sauc par vispasaules gravitāciju.
Jebkura ķermeņa (piemēram, raķetes) stāvoklī, ātrumu, trajektorijas veidu vienmēr nosaka tikai attiecībā pret kādu citu ķermeni. Lai aprakstītu kāda ķermeņa kustību, jāvienojas, attiecībā pret kuru ķermeni (vai ķermeņu grupu) tiek apskatīta dotā ķermeņa kustībā.
Ķermeni, attiecībā pret kuru nosaka dotā kustošā ķermeņa stāvokli, sauc par atskaites sistēmu. Lai apskatītu ķermeņu kustību uz Zemes, par atskaites sistēmu parasti izvēlas pašu Zemi vai arī kādu citu ķermeni, kas ir nekustīgs, attiecībā pret to.
Tātad attiecībā pret kuru ķermeni Ņūtona likumā runā par mieru un vienmērīgu kustību? Ja ķermenis uz Zemes atrodas miera stāvoklī, tad attiecībā pret Sauli tas kustas. Ņūtona likums (inerces likums) pats par sevi nenosaka, pret kādu atskaites sistēmu ķermenis, uz kuru iedarbojas ārējie spēki, paliks miera vai vienmērīgas taisnvirziena kustības stāvoklī. Novērojumi un aprēķini rāda, ka pirmais Ņūtona likums ir derīgs attiecībā pret Zemi tikai aptuveni. Par atskaites sistēmu izvēloties Sauli, inerces likums realizējas precīzāk.
4.1. Kā gravitācijas spēks ietekmē raķetes kustību
1678. gadā Ņūtons konstatēja, ka jebkura ķermeņa krišanu izraisa vispārīga rakstura cēlonis. Starp jebkuriem Zemes ķermeņiem, Saules sistēmas ķermeņiem, starp jebkurām daļiņām Visumā eksistē gravitācijas spēki. Likums, kam pakļaujas gravitācijas spēki, skan šādi: jebkuri divi ķermeņi dabā pievelk viens otru ar spēku, kas ir tieši proporcionāls to masām un apgriezti proporcionāls attālumu kvadrātam starp tiem. Šis Ņūtona atrastais likums ieguva vispasaules gravitācijas likuma nosaukumu.
Tātad jebkura ķermeņa krišanu uz Zemi izsauc gravitācijas spēki. Vai vienmēr ķermenis, kas attālināts no Zemes virsmas, kritīs uz to?
Var pastāvēt sakars starp ķermeņa ātrumu un ķermeņa smaguma spēku, tātad ja šis spēks ir lielāks par smaguma spēku tad ķermenis ne katru reizi krīt, kaut arī uz to iedarbojas gravitācijas spēks. Liekot ķermenim ar noteiktu ātrumu kustēties apkārt Zemei, tas nekritīs, bet kļūs par mākslīgo zemes pavadoni.
4.2. Raķetes jauda
Kosmiskās raķetes, kuras izmantoja amerikāni savam lidojumam uz Mēnesi, bija visjaudīgākās mašīnas, kādas jebkad ir radījis cilvēks. To jauda – 175 miljoni zirgspēku. Paceļoties tāds monstrs 1 sekundē patērēja 13,5 tonnas degvielas. Ar tādu degvielas daudzumu, kādu raķešu dzinējs izmanto sekundes laikā, vidējas klases vilciens spētu neapstājoties braukt divus mēnešus.
5. Kosmonautikas perspektīvas
20. gadsimta 70. gados izdotā grāmatā par kosmonautikas perspektīvām tika rakstīts, ka 1995. gadā cilvēcei jau būs kolonijas ne tikai uz Mēness un Marsa, bet arī orbītā ap Saturnu. Šīs prognozes nav piepildījušās, jo sākotnēji straujais kosmonautikas attīstības temps noplaka. Šobrīd kosmonautikas attīstību lielā mērā nosaka valstu ekonomiskās iespējas, tāpēc arvien lielāka nozīme ir starptautiskajai sadarbībai, kas izpaužas, piemēram, Starptautiskās orbitālās stacijas būvē. Starptautiskā orbitālā stacija darbosies orbītā orientējoši līdz 2020. gadam.
Vēl tālākā nākotnē ap Zemi varētu riņķot stacijas, kas ražotu īpašus materiālus vai transportētu uz Zemi Saules enerģiju. Kosmiskajiem lidojumiem Zemes tuvumā acīmredzot sāks izmantot aerokosmiskās lidmašīnas, kas atmosfēras apakšējos slāņos kā oksidētāju izmantos gaisā esošo skābekli. Kļūs vairāk lidojošo kosmodromu, t.i. raķetes tiks palaistas no stratosfērā lidojošas lidmašīnas, kā tas pašlaik ir ar ASV raķeti Pegasus.
Planētu pētījumi un kosmosā veicamie astronomiskie novērojumi jau ir izplānoti aptuveni 20 gadiem uz priekšu. Orbītā ap Zemi tiks palaisti lieli teleskopi, kas sasniegs virszemes optisko teleskopu izmērus. Pirmais kosmiskais teleskops ar 8 metru diametru uzsāks darbu ap 2010. gadu. Salīdzinoši drīz uz Zemes tiks nogādāti Marsa, asteroīdu un komētu vielas paraugi. Notiks kosmisko zondu nolaišanās uz Jupitera un Saturna lielajiem pavadoņiem, kā arī uz Merkura. No pārlidojuma trajektorijas tiks pētīts Plutons un Koipera joslas objekti.
Tā kā Mēness polos ir atklāts ledus, kuru var izmantot ūdens, skābekļa un ūdeņraža iegūšanai, iespējams, ka līdz 21. gadsimta vidum uz Mēness tiks izveidota neliela apdzīvota bāze, kuras tuvumā varētu tikt izvietoti lieli optiskie teleskopi un radioteleskopi. Pirmais pilotējamais lidojums uz Marsu varētu notikt aptuveni 2025. gadā. Plašākai Saules sistēmas apgūšanai un starpzvaigžņu lidojumu veikšanai būs nepieciešami jauni enerģijas avoti. Šķiet, ka kosmiskie kodoldzinēji nav perspektīvi, ja vien neizdosies realizēt vadāmu kodoltermisko reakciju. Toties varētu attīstīties jonu dzinēji. Piemēram, ASV kosmiskā aparāta Deep Space – 1 izmēģinājumu laikā tika sasniegts ātrums 50 km/s. Šķiet, ka 21. gadsimtā realizēt starpzvaigžņu lidojumus vēl neizdosies. Situāciju varētu mainīt uz pilnīgi jauniem fizikāliem principiem balstītas dzinējiekārtas. Simts gadu laikā tādas varētu tikt izgudrotas. Atcerēsimies, ka pirms simts gadiem vēl gandrīz nekas nebija zināms par atomu uzbūvi un kodolenerģiju.
6. Kosmonautikas hronoloģija
1957. 4. X – orbītā ap Zemi ievadīts pasaulē pirmais Zemes mākslīgais pavadonis (PSRS).
1957. 3. XI – palaists pasaulē pirmais kosmiskais aparāts ar dzīvu būtni – suni Laiku (PSRS).
1958. 1. II – ievadīts orbītā pirmais ASV pavadonis Explorer-1.
1959. 14. IX – kosmiskais aparāts Luna-2 (PSRS) pirmo reizi pasaulē sasniedza Mēnesi un veica pirmos tiešos mērījumus tā apkaimē.
1960. 1. IV – palaists pirmais eksperimentālais meteoroloģiskais pavadonis Tiros – 1 (ASV).
1961. 12. IV – pasaulē pirmo orbitālo lidojumu ap Zemi veica kosmonauts Jurijs Gagarins (PSRS).
1961. 22. V – palaists pirmais izlūkpavadonis Midas – 2 (ASV).
1962. 20. II – pirmo pilotējamo orbitālo lidojumu veica amerikāņu astronauts – Džons Glenns.
1962. 7. III – palaists pasaulē pirmais pavadonis astronomisko novērojumu veikšanai – orbitālā Saules observatorija OSO-1(ASV).
1962. 10. VII – palaists pirmais sakaru pavadonis Telstar – 1 (ASV).
1962. 14. XII – starpplanētu zonde Mariner-2 (ASV) pirmo reizi pasaulē pētīja Venēru no maza attāluma.
1963. 16. – 19. VI – pilotējamo orbitālo lidojumu veica pasaulē pirmā kosmonaute Valentīna Tereškova (PSRS).
1964. 19. VIII – palaists pirmais ģeostacionārais pavadonis Syncom – 3 (ASV).
1965. 18. III – no kosmosa kuģa atklātā kosmosā pirmo reizi izgāja kosmonauts Aleksejs Ļeonovs (PSRS).
1965. 15. VII – starpplanētu zonde Mariner-4 (ASV) pirmo reizi pasaulē pētīja Marsu no maza attāluma.
1966. 3. II – kosmiskais aparāts Luna-9 (PSRS) pirmo reizi pasaulē lēni nolaidās uz Mēness virsmas.
1969. 21. VII – amerikāņu astronauti Nīls Ārmstrongs un Edvins Oldrins pirmo reizi pasaulē izkāpa uz cita debess ķermeņa – Mēness.
1970. 22. VII – starpplanētu zonde Venera-7 (PSRS) nolaižamais aparāts pirmo reizi pasaulē nolaidās uz citas planētas (Venēras) virsmas.
1971. 19. IV – palaista pasaulē pirmā orbitālā stacija Saļut (PSRS).
1972. 23. VII – palaists pirmais dabas resursu izpētes pavadonis Landsat – 1 (ASV).
1973. 14. V – palaista vienīgā ASV orbitālā stacija Skylab.
1973. 4. XII – starpplanētu zonde Pioneer-10 (ASV) pirmo reizi pasaulē pētīja Jupiteru no maza attāluma.
1974. 29. III – starpplanētu zonde Mariner-10 (ASV) pirmo reizi pasaulē pētīja Merkuru no maza attāluma.
1978. 26. I – palaista ASV orbitālā observatorija IUE (International Ultraviolet Explorer), kas darbojās orbītā gandrīz 20 gadus.
1979. 1. IX – starpplanētu zonde Pioneer-11 (ASV) pirmo reizi pasaulē pētīja Saturnu no maza attāluma.
1979. 24. XII – orbitālā lidojumā pirmo reizi izmēģināta Rietumeiropas valstu kopīgi izstrādāta nesējraķete Ariane.
1981. 12. IV – izmēģināts pasaulē pirmais daudzkārt izmantojamais kosmosa transportlīdzeklis – kosmoplāns Space Shuttle (ASV).
1984. 7. – 9. II – amerikāņu astronauti Brūss Makendless un Roberts Stjuarts pirmo reizi pasaulē veica brīvu lidojumu atklātā kosmosā.
1986. 24. I – starpplanētu zonde Voyager-2 (ASV) pirmo reizi pasaulē pētīja Urānu no maza attāluma.
1986. 20. II – palaista (PSRS) orbitālā stacija Mir.
1989. 8. VIII – palaists pirmais specializētais astrometriskais pavadonis HIPPARCOS (ASV).
1989. 25. VIII – starpplanētu zonde Voyager-2 (ASV) pirmo reizi pasaulē pētīja Neptūnu no maza attāluma.
1990. 5. IV – nesējraķete Pegasus (ASV) pirmo reizi palaista no stratosfērā lidojošas lidmašīnas.
1990. 24. IV – kosmosā pirmo reizi pacelts liels astronomiskais instruments – Habla kosmiskais teleskops.
1990. 6. X – startēja starpplanētu zonde Ulysses (NASA un Rietumeiropa), kas pirmo reizi veica lidojumu tālu no ekliptikas plaknes.
1991. 29. X – starpplanētu zonde Galileo (ASV) pirmo reizi pasaulē no neliela attāluma pētīja mazo planētu Gaspra.
1994. 25. I – ar starpplanētu zondes Clementine (ASV) lidojumu atsākti Mēness kosmiskie pētījumi.
1995. 22. III – uz Zemes atgriezās kosmonauts Valērijs Poļakovs (Krievija), kurš veicis ilgāko pilotējamo kosmisko lidojumu (437 diennaktis).
1995. 7. XII – starpplanētu zonde Galileo (ASV) kļuva par pirmo Jupitera mākslīgo pavadoni, bet tās nolaižamais aparāts pirmo reizi veica tiešus mērījumus Jupitera atmosfērā.
1996. 4 VI – jaudīgās Rietumeiropas nesējraķetes Ariane–5 pirmais starts.
1997. 25. VI – pirmo reizi notika divu kosmisko aparātu sadursme. Krievijas automātiskais transportkuģis Progres sadūrās ar orbitālās stacijas Mir moduli Spektr.
1997. 4. VII – starpplanētu zonde Mars Pathfinder (ASV) nogādāja uz Marsa pirmo pašgājēju aparātu – Sojourner.
1998. 17. II – starpplanētu zonde Voyager-1 (ASV) kļuva par vistālāk no Saules aizlidojušo kosmisko aparātu.
1998. 28. X – startēja starpplanētu zonde Deep Space–1 (ASV), kas veica pirmos jonu dzinēja izmēģinājumus.
1998. 20. XI – ar Krievijā izgatavotā bloka Zarja palaišanu sākās Starptautiskās orbitālās stacijas būve.
2000. 14. II – kosmiskais aparāts NEAR (ASV) iegāja orbītā ap mazo planētu Eross un kļuva par pirmo mazās planētas pavadoni.
Izmantotā literatūra
1. J.Movčans. Fizika un ceļojums kosmosā. – R.:Liesma, 1975
2. N.Koškins. Elementārās fizikas rokasgrāmata. – R.:Liesma, 1967
3. N.Lencs. 1000 jautājumi – tas ir jāzina
4. Interneta portāls – Google (www.google.lv)
5. Interneta portāls – Liis (www.liis.lv)