Ғарыштық аппараттық технология дамуы

Кіріспе 

    Мыңдаған жылдар бұрын адам түнгі аспанға қарап, жұлдыздарға ұшуды армандаған болатын. Ғасырлар өте келе адамзат табиғатты өзіне көптеп бағындыра түсті, бірақ жұлдыздарға ұшу сол бір орындалмас арман түрінде қала берді. Әр түрлі халықтардың аңыздары Айға, Күнге және басқа жұлдыздарға ұшу туралы әңгімелерге толы. Халық қиялындағы ұшуға арналған құралдармен (адам қолдарына бекітілген қанаттар, ұшатын кілем, бүркіттер көтеретін дөңгелекше) ғарышқа ұшу мүмкін емес еді. ХVII ғасырда француз жазушысы Сирано де Бержерактың Айға ұшу туралы аңыз әңгімесі шықты. Бұл әңгіменің кейіпкері Айға темір жазықтықтың үстінде тұрып жетті. Ол үнемі жазықтықтын үстіне күшті магнитті лақтырып тұрды. Темір жазықтық магнитке тартыла Жер бетінен көтеріліп, Айға жетті. Жюли Верннің кейіпкерлері «Зеңбіректен Айға» барды. Ғарыштық ұшуды жүзеге асыру үшін әр түрлі құралдар ұсынылды. Жазушылар зымырандар туралы да жазды. Бірақ бұл зымырандар техникалық негізі жоқ жай арман болды.

    Көптеген ғасырлар бойы жұмыстанса да, ғалымдар, Жердің орасан зор тарту күшін жеңіп, ғарыштық кеңістікке ұшып шығуға мүмкіндік беретін нақты бірден-бір құралды таба алмады.

    Мен футбол ойынын тікелей трансляция арқылы теледидардан көріп отырып, мынадай ойға қаламын: біздің материктен тыс бірнеше мыңдаған километр қашықтықта болып жатқан жаңалықтарды адам қалайша лезде бүкіл жер бетіне таратады? Ал фантастикалық фильмдер қарағанда, адамның өте жоғары жылдамдықты кішігірім манёврлік ғарыштық объектілермен ұшуы, басқа өркениет өкілдерімен байланыс орнатуы сияқты қиялдары жүзеге асады ма екен деп ойлаймын.

    Өз жұмысымның мақсаты ретінде мен мынаны алдым: Ғарыштық объектілердің ұшуының  физикалық негіздерін зерттеп білу. Тек осы мақсатқа жеткеннен кейін ғана менің қойған сұрақтарыма жауап табуға болады. Бұл жұмыста Сіздер зымырандық техниканың құрылысымен, ұшуының физикалық негіздерімен, ғарыштық ақпараттық технологиялардың қолданылуымен, ғарыштық техниканың болашағымен танысасыздар.

Ғарыштық  зымыранның физикалық негіздері

    Реактивтік қозғалыстың принципін 1686 жылы ағылшын физигі Исаак Ньютон ашқан болатын, оны былайша тұжырымдауға болады: әрекет қарсы әрекетке тең және бағыты бойынша қарама-қарсы. Бірақ бұл әмбебап принципті ғарыштық кемелерде ұшу туралы қызықты және күрделі есепті шешуде қолдану Циолковскийдан басқа ешкімнің ойына келмеді. Оқ дәрінің шығарылғанынан және алғашқы фейерверктік зымыранның жасалғанынан бері көптеген ғасырлар өтсе де, тек Калуга қаласының қарапайым мұғалімі К.Э. Циолковский ғана барлығына белгілі оқ дәрі зымыранынан болашақтағы ғарыштық кемелердің алғашқы үлгісін көре білді. Сөйтіп, адамдардың басқа әлемдерге жолын ашу мәртебесі Константин Эдуардович Циолковскийға (1857-1935) бұйырды. К.Э. Циолковский Жер атмосферасының әр жағына шығып, оны мәңгіге тастап кете алатын ұшу аппараты тек қана зымыран екенін көрсетті. К.Э. Циолковскийдің идеялары оның 1903 ж. шыққан «Әлемдік кеңістікті реактивті құралдармен зерттеу» еңбегінде көрініс тапты. Оның идеялары адамзаттың ғарыш кеңістігін игеруінің негізі болып әлі де ұзақ қызмет етеді. Циолковскийдің айтуынша зымыран деп арнайы камерада отынның жануы нәтижесінде пайда болған газ ағысына қарама-қарсы бағытта қозғалатын кез келген реактивті құрал аталады. Ғарыштық зымыранның негізгі бөліктері мыналар болып табылады: қабық, қозғалтқыштар, көмекші құралдары бар отын бактары, басқару жүйесі, тұрақтандырғыштар, кабина. Осы күнгі зымырандар көп сатылы болып жасалады, яғни оның әр сатысының отын қоры, тотықтандырғышы бар. Бірінші сатыдағы отынның барлық қоры түгел жанып біткенде, ол бөлініп қалады. Осыдан кейін екінші және үшінші саты массаларының қосындысына тең зымыран бөлігі қозғалады. Массаның азаюы екінші, одан кейін үшінші сатыдағы отынды үнемдеуге және зымыранның жылдамдығын одан әрі қарай арттыруға себептеседі. Егер зымыранның Жерге қайтып оралуы жоспарланған болса, онда үшінші саты қосылардың алдында ғарыш кемесі 180⁰-қа бұрылады. Үшінші сатыдағы жану өнімдері зымыранның қозғалысы бағытына қарама-қарсы бағытталған импульс береді, ал бұл оның жылдамдығының азаюына, яғни тежелуіне әкеледі.

    Реактивтік қозғалтқыштардың негізгі сипаттамасы тарту күші болып табылады. Ньютонның ІІІ заңына сәйкес  газдардың ағысы кезінде зымыранды қарама-қарсы бағытта итеретін күш пайда болады. Осы күш қозғалтқыштардың тарту күші деп аталады. Техникада көбіне меншікті тарту, яғни 1 кг отын 1 секундта жанғанда қозғалтқыш тудыратын тарту күші ескеріледі. Зымыран қозғалтқышының тарту күші мына формуламен есептеледі:

Мұндағы m_сек. - 1 секундта жанған отынның массасы, яғни отынның секундтық шығыны; - газдар ағысының жылдамдығы;  – газдар ағысының қысымы; - теңіз деңгейінен h биіктіктегі атмосфералық қысым; S – сопло шығысының көлденең қимасының ауданы.                                                                                                    

Формуладан  зымыран қозғалтқышының тарту күшін  әр түрлі жолдармен арттыруға  болатыны көрініп тұр. Мысалы, газдар ағысының жылдамдығын арттыру немесе сопло шығысының көлденең қимасының ауданын үлкейту арқылы. Бірақ практикада тарту күшін арттыру күрделі мәселе болып табылады. Мысалы, сопло шығысының көлденең қимасының ауданын үлкейту ауаның кедергі күшін арттырады да, сәйкесінше тежелуге әкеледі. Газдар ағысының жылдамдығын да шексіз арттыру мүмкін емес. Сондықтан көптеген жәйттарды ескеріп, ең тиімді жолды таңдайды. Бұл шешім әр түрлі атмосфералық және климаттық жағдайларда жүргізілген көптеген эксперименттердің нәтижесінде алынады.

    Ғарыштық зымырандардың көмегімен планетааралық ұшуды жүзеге асырудың басты мәселелерінің бірі отынды дұрыс таңдап алу. Зымырандардың қозғалтқыштары отын түрлерін пайдалануы бойынша сұйық және  қатты отынды болып ажыратылады. Қазіргі уақытта шетелдерде комбинацияланған зымырандар жиі қолданылады, олардың сатыларының бір бөлігі сұйық отынмен, келесі бөлігі қатты отынмен жұмыс істейді. Қатты отынды зымыранда оқ-дәрінің арнайы түрі, ал сұйық отынды зымыранда сұйық көмірсутек қоспалары: керосин, спирт, газойль, гидразин – азот пен сутегінің қоспасы, анилин, сұйық сутегі және т.б. қолданылады. Жануды қамтамасыз ету үшін тотықтандырғыш ретінде сұйық оттегі, азот қышқылы және т.б. қолданылады. Әр түрлі отындар мен тотықтандырғыштардың тиімділігі туралы толық мағлұмат алу үшін Зенгер есептеп шығарған «Газдар ағысының ең үлкен теориялық жылдамдықтары» кестесін ұсынамыз.

  Газдар ағысының ең үлкен жылдамдығын (7310 м/с) таза озон мен таза бериллийдің реакциясы береді, бірақ нақты практикалық жағдайларда көптеген себептермен (жану камерасында реакцияның толық болмауынан, жылу энергиясының шығындалуынан, газдардың теориялық ұлғаю коэффициентіне жетудің мүмкін болмауынан және т.б.) жоғарыда келтірілген газдар ағысының   жылдамдықтары алу мүмкін болмай жүр. Зымыран отындарының құндылығы тек газдар ағысының жылдамдығымен ғана емес, сонымен бірге жарылыс қауіпсіздігімен, меншікті салмағымен, бағасымен және улылығымен анықтамады. Келтірілген кестеден көрініп тұрғандай ең тиімді тотықтандырғыштардың бірі, табиғатта кең таралған фтор болып табылады. Бірақ оның кемшіліктері бар. Фторды қолданудағы қиындық оның улылығымен және тотықтыру белсенділігімен байланысты. Зымыранның екінші және келесі сатыларында фторды тотықтандырғыш ретінде қолдануда оның улылығы ешқандай роль атқармайды. Бұл жағдайда ұшу алаңының маңындағы атмосфера уланбайды. Фтор 180 градус температурада қайнайды, сондықтан оны сақтау үшін екі қабатты ыдыстар қолданылады. Фторды зымыран бактарына құю тек ұшу алдында ғана жасалуы керек. Осы келтірілген аз ғана мысалдардың өзінен отын мен тотықтандырғышты таңдаудың күрделілігі көрініп тұр. Кестеде көрсетілген отындарды қолданып газдар ағысының жылдамдығын 4,8 км/с асыру мүмкін емес. Сондықтан зымырандарда ядролық қозғалтқыштар қолданылады. Атомдық жылулық зымырандардың жұмыс істеу принципі күрделі емес. Бұл зымырандарға ядролық реактор орнатылады. Оның шығаратын жылуы жұмыстық денені: сұйық сутегін, аммиакты немесе суды қыздыруға жұмсалады. Олар қызған газға айналып, соплодан үлкен жылдамдықпен шығып, реактивтік тарту күшін тудырады. Бұл газдар ағысының жылдамдығы 10 км/с шамасында болады. Сондықтан атомдық зымырандардың меншікті тарту күші өте үлкен болады. Соңғы кезде зымырандарға арнап жаңа электрореактивті қозғалтқыштар шығарыла бастады. Онда зымыраннан ағып шығатын иондалған газдардың жылдамдығы электрлік немесе электромагниттік өрістердің көмегімен арттырылады.       

Ғарыштық  ақпараттық технологияның даму және болашағы

    К.Э.Циолковский идеялары орыс конструкторы және академигі Сергей Павлович Королевтің (1906-1966) басшылығымен жүзеге асырылды. Оның басшылығымен жасалған алғашқы жасанды Жер серігі 1957 жылдың 4 қазанында біздің еліміздегі “Байқоныр” ғарыш айлағынан ұшырылып, орбитаға шығарылды. Оның массасы 86,3 кг. Ол 947 км (апогей) биіктікте ұшты. Алғашқы ғарыштық қарлығаш Жер маңындағы кеңістікке ғылыми құралдар мен радиохабарлағыштарды шығарды. Олар Жерді қоршаған ғарыштық кеңістік туралы алғашқы ғылыми ақпараттарды Жерге жіберді. Алғашқы Жер серігінің ұшуы құнды ақпараттар алуға мүмкіндік берді. Ғалымдар серіктің атмосферадағы тежелуі есебінен оның орбитасының біртіндеп өзгеруін мұқият бақылап, оның ұшып өткен барлық биіктіктеріндегі атмосфера тығыздығын есептеп анықтады. Осы ақпараттар бойынша келесі серіктердің орбиталарының өзгеруін алдын ала біліп отырды. Жасанды серіктердің дәл траекторияларын анықтау бірнеше геофизикалық зерттеулер жүргізуге мүмкіндік берді, Жер пішінінің айналу осі бойынша сығылған шар тәріздес екендігі нақтыланды. Бұл дәл географиялық карта жасауға мүмкіндік берді. Ғалымдар Жердің тартылыс өрісі және жер қабатының құрылысы туралы ақпараттарды нақтылады. Серіктен жіберілген  радиотолқындардың ионосфера арқылы өтуін зерттеу Жердің газ қабатының құрылысын нақтылауға мүмкіндік берді. 1957 ж. 3 қарашасында екінші кеңестік серік алғашқыдан да үлкен орбитаға шығарылды. Оның массасы 508,3 кг. Ол 1671 км (апогей) биіктікте ұшты. Үшінші серік бұдан да биігірек көтерілді – 1880 км және ауыр болды – 1327 кг. Осылайша жыл өткен сайын ғарыш кемелері, зерттеу бағдармалары жетілдірілді.

    Сәуірдің 12-сі – Дүниежүзілік  авиация және ғарышкерлер күні. Адамзат баласының ғарыш кеңістігіне  көтерілгеніне 49 жыл толғалы отыр. Қазақстан үшін ғарыш саласының алар орны ерекше. Бізді «Байқоңыр» арқылы да біраз елдер танып білді. Сонау Кеңес үкіметі жылдары да ғарыш айлағының Қазақстан жерінде орын тепкені айтылып жүрді. 1961 жылы сәуірдің 12-сі күні «Байқоңыр» ғарыш айлағынан Юрий Гагарин тұңғыш рет ғарышқа ұшып шыққанда, адамзаттың алғашқы басты арманы орындалғандай болды.

  1991 жылы қазанның 2-сі күні бірінші қазақ ғарышкері Тоқтар Әубәкіров ғарышқа көтеріліп, халқымыздың жүздеген жылдар бойы армандаған биігіне қол жеткізді. Дәл сол сәттен кейін Елбасы қатысушыларға ғарыш агенттігінің құрылуы туралы хабарлаған болатын.

    1994 жылы шілденің 1-і күні екінші қазақ ғарышкері Талғат Мұсабаев ғарышқа көтерілді. Ол ғарышқа мұсылмандардың қасиетті кітабы «Құранды», Қазақстан жерінің топырағын және Қазақстанның мемлекеттік туын көтерді.

    Жасанды серіктердің көмегімен көптеген пайдалы жұмыстар атқарылды, мысалы, Жер төңірегі кеңістігіндегі ғылыми зерттеулер, астрономиялық бақылаулар, байланыс (телефондық, радио, теледидар), ауа райын болжау, Жердің табиғи қорларын зерттеу, ғылыми ақпараттар алу және т.б.  Ғарыштық телерадиобайланыс саласындағы жетістіктер “Орбита” деп аталатын жаңа байланыс жүйесін жасауға жол ашты. “Орбита” ғарыштық байланыс станциясы 1967 жылы Алматыда жұмыс істей бастады. Бұл жүйеде ретрансляцилық байланыс серіктері пайдаланылады.   Қазіргі кезде Жерден 36000 км қашықтықтағы экваторлық орбитаға жаңа байланыс серіктері ұшырылуда. Мұндай серіктердің Жерді айналу периоды 24 сағатқа тең, яғни серік әр уақытта Жер бетінің белгілі бір нүктесінің үстінде болады. Мұндай серіктер телекоммуникацияда (телефондық байланыс, радио, теледидар), дәл уақытты анықтау қызметінде кеңінен қолданылып жүр. Бүгінгі таңда халықаралық серіктік байланыс жүйесі жан-жақты даму үстінде, ол үшін геостационарлық (36000 км) орбитада ұшатын серіктер қолданылады. Ұлттық серіктік байланыс жүйесі жасалынуда. 2006 жылдың 18 маусымында Байқоңыр ғарышайлағынан “Kazsat” бірінші Қазақстандық байланыс серігі ұшырылды.   Франция мен Қазақстан арасындағы келісім шарт бойынша келесі екі Қазақстандық жерсерікті орбитаға дейін жеткізіп, іске қосу жұмыстары Франциялық Astrium компаниясына жүктелді. Қазақстандық екінші жасанды жерсерік 2014 жылдың басында ғарышқа аттандырылмақ. Ол суреттегі жерсерікке ұқсастырылып жасалатын болды:

Үшінші  жерсерік 2014 жылдың соңына қарай ғарышқа  аттандырылады. Оның пішімі едәуір үлкен. Оның бейнесі мына жерсеріктерге ұқсас болады деп күтілуде:

Британдық TopSat

    Біздегі ғарыш саласының да, мемлекет ретінде қалыптасуымыздың да тарихы бір-бірімен тығыз байланысты. Соңғы жылдары әлемнің бірқатар дәулетті мемлекеттері ғарыш саласын игеруге немесе өз ғарышкерлерін ұшыруға белсене кірісіп отыр. Ғарыш орасан зор қаражатты қажет етеді. Әлемдік экономикалық дағдарысқа қарамастан, барлық дерлік ғарыш державалары «жұлдызды» жобаларды қаржыландыруды азайтудың орнына, қайта ұлғайтып отырғандығы соның дәлелі болса керек. Космостық бағдарламалар бюджеті осыдан бір жыл бұрын АҚШ-та – 16,8 млрд, Жапонияда – 5 млрд, Қытайда – 1,5 млрд, Ресейде – 1,2 млрд  долларды құрағандығы өзін-өзі байқатып тұр. Демек, бұл пайдалы. 
 

Қорытынды

Менің бұл жұмысымның ең қызықтысы ғылыми танымал әдебиеттермен жұмыс істеу болды. Мен көптеген жаңа және қызықты мәліметтерді білдім. Маған ең көп ұнағаны ғарыштық зымыранның физикалық негіздері туралы білім. Менің ойымша біздің ел өзінің ғарыштық технологиясын өте жоғары деңгейге дейін дамыта алады. Ол үшін ғылымның кибернетика, ақпараттық технология, ғарыштық физика, биология және медицина салаларын, сонымен бірге техниканы дамыту қажет.