Хилядолетия наред хората са мечтали да летят извън Земята към другите небесни тела. При различните епохи са възникнали много легенди за полети в небето (древногръцката легенда за Дедал и Икар, българската легенда за майстор Манол и други). През 19 век се появяват редица научнофантастични повести и романи, посветени на междупланетни полети (Едгар По, Жул Верн и други).
Огромни заслуги за превръщане на астронавтиката от мечти и фантазии в действителност имат трудодовете на големия руски учен Константин Едуардович Циолковски. Той пръв доказва, че единственото средство за полет в Космоса е ракетата. Преди повече от половин век Циолковски разработва основните проблеми от теорията на космическите полети. Един от най-важните изводи в неговите трудове е този, че за полет извън сферата на земното притегляне ще са необходими многостепенни ракети. В основни линии успехите на руската астронавтика са потвърждение на Циолковски. Така че с право той е наречен баща на астронавтиката. За развитието на астронавтиката и по-конкретно на ракетната техника допринасят трудовете на много учени от Франция (Е. Пелтри), САЩ (Годар) и други.
Космически скорости, изкуствени спътници на Земята и изкуствени планети
Първото изкуствено небесно тяло, създадено от човека е първият изкуствен спътник на Земята (ИСЗ), изстрелян от СССР на 4.10.1957 г. Това изключително в историята на човечеството събитие е резултат от грандиозните успехи на съветската наука и техника и голямата материална мощ на Съветската страна.
Движението на ИСЗ се изучава по физика в някои специализирани училища. Пресметнато е, че за да се движи ИСЗ по кръгова орбита на не много голяма височина от земната повърхност, както е показал още Нютон въз основа на закона на гравитацията той трябва да има скорост около 7.9 км в секунда, наречена първа космическа или кръгова скорост. Практически обаче ИСЗ се движат по елипси, както и планетите.
При увеличаване скоростта до 11,2 км/с космическият летателен апарат (КЛА) преодолява земното притегляне и полетява в междупланетното пространство. 11,2 км/с се нарича втора космическа скорост, или скорост на откъсване. Тя бе достигната за първи път в историята на 2 януари 1959 г. от съветската станция "Луна-1", станала първата изкуствена планета в Слънчевата система. Връзката между първата и втората космическа скорост се пресмята чрез математическа формула.
Както първата, така и втората космическа скорост не зависи от масата на движещото се тяло, а само от масата М на тялото, от което се откъсва, от неговия радиус R и височината на откъсването. Така скоростта на откъсване от повърхността на Луната е 2,4 км/с, а от Юпитер- 61 км/с. От друга страна, ако едно изкуствено тяло се откъсва не от повърхността на Земята, а от голяма височина над повърхността, втората космическа скорост ще бъде значително по-малка (например на височина 35 000 км тя е около 3-4 км/с). Затова създаването на големи обитаеми ИСЗ има голямо значение за космонавтиката в бъдеще. От такива своеобразни орбитални околоземни станции с по-малка начална скорост ще стартират космически кораби към другите планети. Идеята за тези извънземни обитаеми станции принадлежи също на К. Е. Циолковски.
Космически полети
Един от най-важните етапи в развитието на астронавтиката бе полетът в околоземна орбитан а първия космонавт - съветският летец Юрий Алексеевич Гагарин, който бе извършен на 12 април 1961 г. Този полет бе последван от много нови все по-сложни космически полети, между които ще отбележим полета и на първата жена Валентина Терешкова (юни 1963 г.), излизането на Алексей Леонов в откритото космическо пространство (март 1965 г.); многократните групови полети с космически кораби "Союз" и съединяването им в орбитални станции, стъпването на повърхността на Луната от американския космонавт Армстронг (1969 г.) и съвместния полет "Союз - Аполо" 1975 г.
През време на космически полет космонавтите се намират в условия твърде различни от земните. Така активната част на полета (до изключването на ракетните двигатели) трае не повече от 3 до 8 минути. За това време скоростта на кораба трябва да нарасне до около 8 км/с. Ако това време е например 4 мин = 240 секунди, ускорението на кораба се пресмята по формулата a=v/t , което ще е около 3,5 пъти по-голямо от ускорението при свободното падане на телата. Това ускорение се възприема от организма на космонавтите като претоварване. При изключване на ракетните двигатели претоварването изведнъж се сменя с безтегловност.
Привикването на организма на космонавтите към условията на космическия полет и последствията от тях са обект на изучаване на космическата медицина и биология.
Техника и траектории на космически полети
След като посочи ракетата като средство за осъществяване на космическите полети, Циолковски пресметна, че те могат да стават само с многостепенни ракети: след изгаряне на горивото на една ракета (първа степен) тя се отделя, влиза в действие двигателят на следващата втора степен и така нататък. Така след отделянето на всяка степен "ракетния влак" ще остана с все по-малка маса и ще получава все по-голямо ускорение. Крайната скорост, която достигне една ракета, зависи, както посочи Циолковски, от отношението на масата на горивото към тази на останалата част на ракетата от скоростта на изтичане на газовете от дюзите, тоест от калоричността на горивната смес. Мощните ракети, които извеждат в орбита съвременните летателни апарати, имат стартово тегло по-малко от 1000 тона, дължина над 30 метра и диаметър повече от два метра. Те имат мощност от порядъка на десетни милиони конски сили, каквато развиват хиляди леки автомобили.
Траекторията на движение на един космически летателен апарат след изключване на ракетните двигатели се пресмята по законите на небесната механика въз основа на закона за всемирното привличане. При това се взема под внимание привличането на поне три космически тела - тялото, от което космическият летателен апарат стартира, това, към което се насочва и Слънцето. През време на полета се правят корекции на траекторията на движение чрез включване на помощни ракетни двигатели. При наближаване обекта на полета, на който космическият летателен апарат ще кажне или ще стане изкуствен спътник, отново се включват ракетните двигатели, сега за да намалят относителната скорост на движение на космическият летателен апарат спрямо тялото-обект.
Изучаване на Земята и околоземното пространство с космически летателни апарати
Под действието на земното притегляне един ИСЗ обикаля по елипса около нашата планета, така както планетите обикалят около Слънцето. Неговото движение обаче е подложено на смущения от съпротивлението на атмосферата и от това, че формата на Земята не е точно кълбо. Тези смущения изменят непрекъснато орбитата на ИСЗ. По тези изменения се изучава плътността на земната атмосфера на различни височини и нейните изменения, както и точната форма на Земята. По такъв начин бе установено например, че високите слоеве на атмосферата са много по-плътни, отколкото се мислеше преди пускането на ИСЗ. Доста подробно са изучени измененията в плътността и температурата на атмосферата през едно денонощие в зависимост от географската ширина, връзката им със слънчевата активност и прочие. Подробно бе изучена формата на земната повърхност. Бе точно определена сплеснатостта на Земята. Оказа се, че нашата планета има до известна степен "крушовидна форма" - южният земен полюс е с около 30 метра по-близо до центъра на Земята, отколкото северния.
Неочаквано и важно е откритието с помощта на ИСЗ на радиационен пояс около Земята. Той е разположен около екатора +- 30 градуса, простира се на големи разстояния над земната повърхност и се състои от елементарни частици. Те са идващи от Слънцето частици ("слънчев вятър") или космически лъчи, които са захванати от магнитното поле на Земята. Радиационният пояс може да се раздели на няколко части: вътрешен (от 2400 до 5600 км), който се състои о високоенергични (108 електроволта) протони и електрони с по-ниска енергия; външен (12 000 до 20 000 км), който се състои от протони и електрони с по-ниска енергия; трети пояс (50 - 60 000 км), представляващ кръгов поток от електрони, равностоен на електричен ток от няколко милиона ампера. Изобщо една огромна област около Земята, наречена магнитосфера, е запълнена със заредени частици, движещи се в магнитното поле на Земята
Изследване на космоса с космически летателни апарати
Изучаването на Земята и околоземното космическо пространство е първия етап от изследванията с космически летателни апарати. Следващ етап е изучавнето на Луната и планетите със спускаеми апарати или космически летателни апарати, които стават техни изкуствени спътници. Някои резултати от тези изследвания ще разгледаме в следващите уроци.
Развитието на космическата техника дава възможност за изследване и на по-далечните космически обекти. Така с помощта на поставени на борда на космическите летателни апарати приемници на лъчение, което се поглъща от земната атмосфера, сега се изследва рентгеновото и гама-лъчение, както и значителна част от инфрачервеното лъчение на звезди, галактики и Вселената като цяло. Тези изследвания допълват информацията, натрупана в астрономията от оптическите и радионаблюденията на космическите обекти и по такъв начин дават възможност да се разкрие по-пълно тяхната физическа природа и процесите, които протичат в тях.
Така астронавтиката се развива, като, от една страна, ползва като основа редица астрономически знания, но, от друга страна, спомага астрономията да получи една по-пълна картина за Вселената.
Значение на астронавтиката
Развитиеот на астронавтиката се отразява в много области на човешката дейност. Така с помощта на специални ИСЗ или системи от такива спътници се осъществява ефективна и икономична съобщителна връзка между много отдалечени точки от земната повърхност. Известно е например, че с помощта на спътниците от серията "Молния" се осъществява препредаване на програмата на някои телевизии в Източна Европа и в Азия.
Метеорологични ИСЗ (каквито са тези от серията "Метеор") дават възможност бързо да се получи метерологическата обстановка върху огромни площи от Земята, което е необходими за прогноза на времето. Без спътници това става въз основа на огромен брой наблюдения от множество наблюдателни точки. ИСЗ могат да се използват и за целите на морската и въздушната наигация. Наблюдения от борда на ИСЗ спомагат за проучване на земните богатства върху огромни територии.
Развитието на астронавтиката довежда и до много косвени и практически приложения и сусъвършенствания. Ясно е например, че появяването и развитието на космическите летателни апарати доведе до появата и развитието на нови области на техниката. Изискванията за миниатюризация на апаратурата за изследвания, поставяна на ИСЗ, доведе до бързото развитие на микроелектрониката. Изискванията към качествата и свсойствата, които трябва да притежават материалите, употребявани в ракетната техника, доведе до получаването на материали и технологии, които намират широки приложения и в много други области. Астронавтиката играе огромна роля и в съвременните науки. В някои науки тя доведе до преразглеждане на много теории и представи. Появиха се нови научни дисциплини. Тя играе основна роля в по-нататъшното развитие на някои науки, какъвто е и случаят с астрономията.
Изобщо съвременният научно-технически напредък е свързан най-тясно с изследването и използването на космическото пространство.