ŰRDINAMIKAREPÜLÉS A FÖLD KÖRÜLI PÁLYÁN, VALAMINT A

BOLYGÓKÖZI TÉRBEN

Dr. Szabó József nyá. vezérőrnagy

c. egyetemi tanár, (DSc.)

Ű R D I N A M I K AStart, pályára állás:— A start (nem kilövés) feltételei: meghatározott tolóerőfeles-leg (Saturn V-nél – 1,21; Szojuznál – 1,35);— Pályára állításnál két alapvető követelmény: * az első kozmikus sebesség elérése, * a helyi függőlegessel bezárt szög = 90°.1 m/s hiba 180°-kal elolent;tes oldalon kb. 2 km magasságelté-rést, 1’ eltérés 90°megtétele után ugyancsak mintegy 2 km ma-gasságeltérést okoz. A vízszintes helyzet beállításánál ±1°40’hiba, 200 km-es pályára állítási magasság esetén az űrobjek-tum egyetlen kört sem tesz meg, „+” eltérés esetén ugyanis 400 km-re emelkedik, majd visszatér, ha a szög „–”, azonnal visszaindul és becsapódik a Föld felszínébe.

AZ ŰRDINAMIKA FOGALMA

Dinamika — a mechanikának (a kinematika és a sta-tika mellett), az űrdinamika pedig az űrmechanikának egyik fő területe, az űr viszonyai között létrehozott, ill.fellépő erők és mozgások tana, amely összefüggéseket hoz létre erő, út és idő között, miközben az erőhatáso-kat és a hozzájuk tartozó sebességváltozásokat is fi-gyelembe veszi.

KOZMIKUS SEBESSÉGEK (1.)

— I. kozmikus sebesség (körpályasebesség): Meghatározhatjuk: – az adott égitest gravitációs mutatója (K) és a pályamagas-ság (r, amikoris az r = R+H) alapján: v = K/r ; – a centripetális ellenerő és a nehézségi erő (F) képleteinekfelhasználásával: mv /r = mg.Az első esetben a keresett sebesség értékét km/s-ban, a máso-dikban pedig m/s-ban kapjuk.— A KF = 398 603 km /s . Pl.: v = 398 603/6571 = = 7,79 km/s. KN = 1,32718×10 km /s ; KH = 4903 km /s

2

F3 2

11 3 2 3 2

AZ EGYETEMES TÖMEGVONZÁS

F

r

A KOZMIKUS SEBESSÉGEKRŐL (1)

Az első kozmikus sebesség (körpályasebesség):

MÁSODIK KOZMIKUS SEBESSÉGA II. kozmikus vagy parabolasebesség az a sebesség, amelyre felgyorsítva az űrobjektumot, kijutathatjuk a Föld hatásszfé-rájának a határára (930 000 km).

Mit ír erre egy 1914-es kiadványban Ciolkovszkíj: „Tételez-zük fel, hogy a Föld vonzereje a távolodással nem változik, tételezzük fel, hogy a magasság, amelyre a testet emeljük, egyenlő a Föld sugarával. Ebben az esetben a munka, amelyet elvégeztünk egyenlő azzal, amely szükséges az adott bolygótólvaló végleges elszakadáshoz.”Vagyis:

v = 2gR = 11 186 m/s .mv 2

2 = mg ;

A KOZMIKUS SEBESSÉGEKRŐL (2)

A második kozmikus sebesség (parabolasebesség vagyszökési sebesség):

HARMADIK KOZMIKUS SEBESSÉGA harmadik kozmikus sebesség az a sebesség, amelyre ha fel-gyorsítjuk az űrobjektumot, az kijut a Nap hatásszférájának a határára (60 000 CSE). Ugyanakkor, ez a sebesség a Napra vo-natkoztatott II. kozmikus sebesség. A Napra vonatkoztatott I.kozmikus sebesség a Föld pályasebessége, amely a Naptól 150 millió km-re kis kerekítéssek 29,8 km/s , s ha megszorozzuk 2 -vel, megkapjuk, hogy ez 42,1 km/s. Ha ebből kivonjuk aFöld pályasebességét, megkapjuk, hogy a Föld hatásszférájá-nak a határán 12,3 km/s távolodási sebességet kell biztosítani.De kérdés: mekkora indítási sebesség biztosítja ezt a távolodá-si sebességet? Az indítási sebességet megkapjuk:

Vind. = Vp + Vtáv. = 16,666 km/s

A KOZMIKUS SEBESSÉGEKRŐL (5)

Földi logikával azt mondanánk, hogy akkor 23,5 km/ssebességgel kell indítani azt az űrobjektumot, amelyet a Naphatásszférájának a határára szándékozunk juttatni. Ez azon-ban megint tévút lenne. Az indítási sebességet, amellyel aFöld hatásszférájának a határán biztosíthatjuk a megfelelőtávolodási sebességet, az alábbi képlettel számíthatjuk ki:

–

MANŐVEREZÉS AZ ERŐCENTRUM KÖRÜL

— Az erőcentrum körüli pályán a manőver végrehajtása tkp. a tömegközéppont irányítása. Ez lehet: navigáció vagy ráve-zetés. Ezen kívül van a tömegközéppont körüli irányítás vagy tájolás. Mindkettőre szükség lehet a startnál, a pályára állás-nál, az erőcentrum körüli repülésnél és a visszatérésnél is.(Kereszttengely körüli mozgás a start után!)— Repülés során szükség lehet: gyorsításra, fékezésre, vala-mint oldal irányú mozgásra. ,Pl. 200 km magasságon: – ±1 m/s létrehozása az ellentétes oldalon ± 2 km magas-ságváltozást eredményez, – ±1’ (szögperc) eltérés a helyi vizszintestől a pályára álláspillanatában ugyancsak mintegy 2 km eltérést okoz, – 1 m/s oldalirányú impulzus 90°-nál és 270°-nál 0,9 km el-térést eredményez.

MANŐVEREZÉS AZ ERŐCENTRUM KÖRÜLMANŐVER A VILÁGŰRBEN (1)

A világűrben a manőver lehet gyorsítás, lassítás vagyoldalirányú gyorsulás eredménye.

Az első kettő magasságnövekedéstvagy csökkenést eredményez, míga harmadik a pályasíkot változtat-ja meg (ábra). Az első kettő eseté-ben 1 m/s gyorsulás Föld közelitartományban (200–1000 km)3,7 km magasságváltozást jelent.

MANŐVER KÉT IMPULZUSSAL

MANŐVER A VILÁGŰRBEN (2)A SZOJUZ-SZALJUT ÖSSZEKAPCSOLÁSA

A KOZMIKUS SEBESSÉGEKRŐL (8)

A jellemző sebesség értéke a Földről való indításkorkiegészül még a vonzerő és a levegő ellenállásánaka legyőzéséhez szükséges 1,3 km/s értékkel.

HELYZETJELENTÉS AZ ŰRBŐL1980. máj. 27-én: (máj. 19-én) V km/s Szaljut–6: Hmax.= 360,48 km, (368,46 km) 7,691097 Hmin. = 340,85 km, (348,73 km) 7,702381 t = 91,36 perc, (91,49 perc) i = 51,6 fok.

Szojuz–36: Hmax. = 319,06 km, Hmin. = 263,07 km, t = 90,08 perc, i = 51,6 fok.

1 fordulat alatt a magas-ság csökkenése kb. 20 m,

1 nap alatt 350-400 m,1 hónap alatt 15–25 km.

HELYZETJELENTÉS AZ ŰRBŐLAz űrűllomás megközelítése:— 8500 m — 11,5 m/s;— 1102 m — 4,06 m/s,— 755 m — 2,99 m/s,— 398 m — 1,75 m/s,— 268 m — 1,23 m/s,— 242 m — 1,15 m/s,— 206 m — 1,00 m/s,— 167 m — 0,87 m/s,— 143 m — 0,80 m/s, — 100 m — 0,56 m/s,— 86 m — 0,49 m/s,— 67 m — 0,42 m/s,— 47 m — 0,55 m/s,— 34 m — 0,49 m/s— 20 m — 0,40 m/s,— 15 m — 0,31 m/s.

A megközelítés befejező szaka-szában a megközelítési sebesség

0,30 m/s alatt kell legyen, s általában 0,20 és 0,10 m/s között van.

Ez a követelmény azzal kapcsolatos, hogy az űrhajó a súlytalanság állapo-

tában van ugyan, de tömege (kb.5-6 tonna) megvan és a se-besség e tömegnek nagy

erőt kölcsönöz.

REPÜLÉS A NAPRENDSZER HATÁRAIN BELÜL

A Naprendszer határain belüli, vagyis a bolygóközi repüléskorlényegében a harmadik kozmikus sebesség meghatározásakoralkalmazott módszert használjuk, amely három lépésből áll:— Eőször meghatározzuk, hogy a célbolygó eléréséhez milyenpályasebességet kell az úrobjektumnak biztosítani. Ehhez — mivel itt nem a Napra vonatkoztatott II. kozmikus sebességről van szó — az alábbi képlet szolgál:

REPÜLÉS A NAPRENDSZER HATÁRAIN BELÜL

— Második lépésként a kapott eredményből kivonjuk a Föld közepes pályasebességét,— A harmadik lépésben meghatározzuk a már ismert képletalapján, hogy a Föld körüli pályáról milyen indítási sebessé-get kell biztosítani, hogy a hatásszféra határán még megma-radjon a szükséges távolodási sebesség.Ha a Marsra kívánjuk az űrobjektumot eljuttatni, akkor az elő-ző oldalon megadott képlet alapján Vhelioc. = 32,7 km/s, s ha ebből kivonjuk a 29,8 km/s-ot marad Vtáv. = 2,9 km/s. Az in-dítási sebesség pedig: V ind. = Vp + V táv. = 11,569 km/s.

2 2

A MARSUTAZÁS ENERGIAIGÉNYE— Indulás 200 km magasságú pályáról — 11,590 km/s;— A Föld forgási sebessége — – 0,300 km/s;— Gravitációs és ellenállási veszteség — 1,300 km/s;— Start utáni helyesbítés — 0,050 km/s;— Helyesbítés az út felénél — 0,400 km/s;— Helyesbítés a Mars közelében — 0,200 km/s;— Start és visszaindulás a Marsról — 5,640 km/s;— A Mars forgási sebessége — 0,150 km/s;— Gravitációs és ellenállási veszteség — 0,500 km/s;— Helyesbítés a start után és félúton — 0,500 km/s; Összesen — 22,930 km/s.

Ha csak oda küldünk pl. űrszondát, a szükséges jellemző sebesség értéke 13,24 km/s.

VISSZATÉRÉS A VILÁGŰRBŐLA bolygóközi térből történő visszatérés során a Föld hatásszfé-rájába való belépéstől az űrobjektum sebessége növekszik és elérheti vagy meghaladhatja a II. kozmikus sebesség értékét.Ezért minden esetben jelentős sebességcsökkentéssel kell szá-molni. A sebesség meghatározásánál ugyanúgy járunk el, mint a bolygóközi térbe való repülésnél az indítási sebesség kiszámítása esetén. E számítás eredményeként tudjuk eghatá-rozni, mennyi lesz a sebességcsökkentés értéke. Ha a belépési sebesség 2 km, akkor a végsebesség 11,377 km/s lesz.A visszatérés során a körpálya-sebességet csökkentve hozzák létre a sűrű légrétegbe való behatoláshoz szükséges feltétele-ket. Ezt követően a legnagyobb veszélyt a súrlódási hőmér-séklet igen magas értéke jelenti. Meghatározása:

Ts = T0 (1 + 0,18 M ) képlettel történhet.

2

AZ ŰRREPÜLÉS BIZTONSÁGI PROBLÉMÁI

A CHALLANGER-KATASZTRÓFA

Az előzmények: 1985. dec. 25 volt a start első időpontja, de a rossz idő miatt azt áttették 1986. jan. 21-re, azután 22-re, majd 25-re. Az időjárás ismét elromlott, a start új időpontja jan. 26.Sajnos, ez sem volt megfelelő, új időpont: jan. 27.

27-én reggel 05.07-kor volt az ébresztő. A személyzet: a pk. – Francis Scobee; a másodpilóta – Michael Smith; továbbá – Ellison Onizuka, Judith Resnik, Ronald McNoir kutató űrha-jósok; Gregory Jervis műholdszakértő és Christa McAuliffetanárnő (az első átlagamerikai).

07.50-kor beszálltak az űrrepülőgépbe, 09.10-kor megkezdő-dött a visszaszámlálás, amelyet egy ajtókilincs meghibásodása miatt leállítottak. Mire kijavították, az időjárás a tartalék-leszállóhelyen elromlott. 12.35-kor a startot áttették másnapra.

A CHALLANGER KATASZTRÓFA

Éjjel fagyott. A komplexumot átvizsgálták, majd a start előtt 3 órával ismét ellenőrizték. Újabb halasztás.Másnap 07.32-kor halasztás, 08.32-kor beszállás, de aberendezésen talált jégréteg miatt a 09.38-as startot

kétórával eltolták. Jan. 28-án 11.38,0010-kor start. 57 másodperccel később Scobee jelenti: Minden rendben, teljes sebes-séggel haladunk!A 73.618. Másodpercben a komplexum felrobbant. Sajnos, ezt nem a műszerek jelezték, hanem a tévékamerák mutatták.

A CHALLANGER-KATASZTRÓFA

A karasztrófa kivizsgálása (Rogers Bizottság): — az SZHR részeinek összeillesztése és az O-gyűrűk;— a hideg idő szerepe és hatása az O-gyűrűk viselkedésére;21 indítás 17 °C fölött, mégis sok sérülés volt az O-gy.-nél.— Hiba volt az indítás mellett dönteni. A gyártó cég eredeti előírása szerint az indítás 11 °C alatt nem javasolt! A mérnö- kök véleménye és a gyártó cég „érdeke”. Az O-gyűrűkkel kapcsolatos negatív szakmai vélemények (22 levél ellene!).— A bizottság megállapítása: „A Thiokol igazgatósága megváltoztatta az álláspontját és az űrközpont sürgetéséreaz 51–L misszió indításához hozzájárult. Ez ellentétes volt mérnökeinek a véleményével, célja pedig az volt, hogy egynagy megrendelő kedvére tegyen.”