чего больше песчинок на земле или звезд во вселенной
Звёзд во Вселенной больше, чем песчинок на пляжах Земли, а атомов в одной песчинке, больше, чем звёзд
Впервые это предположение выдвинул Карл Саган, но действительно ли это так, доподлинно неизвестно. Чтобы ответить на этот вопрос, следует обратиться к математике.
Карл Саган
Мы знаем, что звёзд в нашей галактике Млечный Путь — от 100 до 400 млрд, а во Вселенной более 100 млрд галактик — вполне возможно, что их около 500 млрд. Если умножить звёзды на галактики, то получится минимум десять секстиллионов звёзд — сначала 1, а потом 22 нуля. Максимальное число звёзд, таким образом, 200 секстиллионов.
Диаметр одной песчинки составляет примерно полмиллиметра. Если поставить их в ряд, то в сантиметре уместится 20 песчинок, следовательно, в 1 см³ поместится 8000 песчинок. Если взять десять секстиллионов песчинок и собрать их в шар, то диаметр шара составит 10,6 км, а шар из 200 секстиллионов песчинок будет около 72-х км в диаметре. Если бы Земля имела такой диаметр, то всё было бы проще.
Доктор Джейсон Маршалл подсчитал, что объём песка на пляжах Земли — около 700 триллионов м3, а число песчинок — около пяти секстиллионов. Маршалл отмечает, что его расчёт — приблизителен, и песчинок может быть в два раза меньше, «всего» 2,5 секстиллиона. Тем не менее, на всех пляжах мира десяти секстиллионов песчинок не наберётся. Таким образом, звёзд во Вселенной действительно больше, чем песчинок, примерно в пять-десять раз.
Но давайте вместо песчинок поговорим об атомах. Как вы думаете, какой объём займут десять секстиллионов атомов? Кажется, довольно много. Но если действительно собрать такое количество атомов в плотный шар, то диаметр этого шара будет примерно в четыре раза меньше пылевого клеща. Это означает, что атомов в одной песчинке гораздо больше, чем звёзд во Вселенной.
Звёзд во Вселенной больше, чем песчинок на пляжах
«Звёзд во Вселенной больше, чем песчинок на пляжах Земли, а атомов в одной песчинке, больше, чем звёзд
Впервые это предположение выдвинул Карл Саган, но действительно ли это так, доподлинно неизвестно. Чтобы ответить на этот вопрос, следует обратиться к математике.
Мы знаем, что звёзд в нашей галактике Млечный Путь — от 100 до 400 млрд, а во Вселенной более 100 млрд галактик — вполне возможно, что их около 500 млрд. Если умножить звёзды на галактики, то получится минимум десять секстиллионов звёзд — сначала 1, а потом 22 нуля. Максимальное число звёзд, таким образом, 200 секстиллионов.
Диаметр одной песчинки составляет примерно полмиллиметра. Если поставить их в ряд, то в сантиметре уместится 20 песчинок, следовательно, в 1 см; поместится 8000 песчинок. Если взять десять секстиллионов песчинок и собрать их в шар, то диаметр шара составит 10,6 км, а шар из 200 секстиллионов песчинок будет около 72-х км в диаметре. Если бы Земля имела такой диаметр, то всё было бы проще.
Доктор Джейсон Маршалл подсчитал, что объём песка на пляжах Земли — около 700 триллионов м3, а число песчинок — около пяти секстиллионов. Маршалл отмечает, что его расчёт — приблизителен, и песчинок может быть в два раза меньше, «всего» 2,5 секстиллиона. Тем не менее, на всех пляжах мира десяти секстиллионов песчинок не наберётся. Таким образом, звёзд во Вселенной действительно больше, чем песчинок, примерно в пять-десять раз.
Но давайте вместо песчинок поговорим об атомах. Как вы думаете, какой объём займут десять секстиллионов атомов? Кажется, довольно много. Но если действительно собрать такое количество атомов в плотный шар, то диаметр этого шара будет примерно в четыре раза меньше пылевого клеща. Это означает, что атомов в одной песчинке гораздо больше, чем звёзд во Вселенной.»
15 фактов о размерах Вселенной, которые пополнят ваш багаж знаний
Факты о Вселенной, которые кажутся фейком, но на самом деле на 100% правдивы
Поиск способов представить точные размеры Вселенной — занятие заведомо провальное, да и просто скажем — откровенно глупое. Но невероятные пространства окружающей нас черноты вовсе не означают, что попытки познания космоса проводить не нужно. Еще как нужно!
Знать объемы Вселенной, хотя бы очень и очень приблизительные, полезно даже обычному человеку, а не астрофизику или астрономам. Ведь все познается в сравнении, и это, во-первых, полезно для саморазвития, а во-вторых — просто интересно. Ведь кто бы мог подумать, что такие чудеса могут происходить в мире?!
Имея дело с порядками огромных и невероятно больших чисел, которые определяют Вселенную, легко потеряться в абстрактности, но не понять конкретных масштабов. Чтобы настроиться на нужный лад, можно провести один практический эксперимент. Ответьте на вопрос: сколько дней составляет 1 000 000 секунд? Ответ будет следующий: 11.5 дней. Теперь немного проще понять значение этого относительного числа на рельном временном отрезке.
1. Один световой год равен 9.5 триллиона километров
Это примерно 10 триллионов километров. Вторая ближайшая к Земле звезда, Альфа Центавра, находится от нас на расстоянии 4,4 световых года. То есть, в почти 44 триллионах километрах от нас.
2. Объем Юпитера в 1300 раз больше объема Земли
фото: NASA/Wikimedia Commons
Тем не менее Юпитер — ничто по сравнению с Солнцем, которое более чем в 1000000 раз больше Земли и составляет от 99,8 до 99,9% массы всей Солнечной системы. Каждое утро, когда встает солнце, вспоминайте о масштабах этого небесного объекта, который, между прочим, по сравнению с некоторыми другими известными звездами сам не представляет собой ничего особенного…
3. Мы можем разглядеть лишь 0,000002% всех звезд Млечного Пути
В особенно ясную ночь в месте с очень низким световым загрязнением может показаться, что небо заполнено десятками, а может, и сотнями тысяч звезд. Возможно, в лучшем случае наблюдатель сможет насчитать до 3 000 светил и других объектов из далекого космоса с одного ракурса наблюдения в идеальных условиях.
Учитывая то влияние, которое ночное небо оказало на человеческую культуру, может быть разочарованием, что невооруженный глаз может увидеть с Земли менее 10 000 звезд, и то если побывать на всех частях света Земли.
4. В Солнце поместится более 1 миллиона планет Земля
One million Earths: A visual representation of how many Earths could fit inside the sun pic.twitter.com/Eq3qpl7Log
Если вы считаете, что Солнце не такая уж большая звезда, то узнайте следующий факт: в нашей родной звезде поместилось бы больше 1 миллиона планет Земля. Только вдумайтесь — более 1 миллиона! А ведь когда светило восходит на небосвод, оно не кажется таким уж и большим. Это все потому, что Солнце находится на значительном удалении от нас — от 147 до 152 млн км.
5. На каждого человека на Земле приходится 285 галактик
фото: NASA/ESA/Hubble Heritage Team/nasa.gov
Если взять каждую известную на сегодняшний день галактику и поделить на количество живущих на Земле человек, то получится, что на каждого человека придется по 285 галактик.
Имея дело с такими астрономически большими числами, невозможно вручную подсчитать каждую галактику, и даже очень непросто получить приблизительную оценку. Поэтому до конца 2016 года астрономы считали, что во Вселенной насчитывается около 100-200 миллиардов галактик. Они не просто ошиблись — они ошиблись в десять раз.
Новые исследования показывают, что общее количество галактик составляет около 2 триллионов, или 285 галактик на каждого человека на Земле. Впрочем, следующие поколения ученых лет через 20-30 вполне могут и эту цифру посчитать смехотворно заниженной.
6. Снимки из глубокого космоса, на которых галактики похожи на звезды
Если посмотреть на ночное небо, можно увидеть черный фон, усеянный светящимися точками. Картинка из проекта Hubble Ultra Deep Field может выглядеть на удивление схожей. Разница лишь в том, что точки на ночном небе — это отдельные звезды, а точки на снимках телескопа Хаббл — это галактики, каждая из которых может содержать до 100 миллиардов звезд.
7. При столкновении Млечного Пути и галактики Андромеды ни одна из звезд не столкнется друг с другом
фото: Skeeze / pixabay.com
Галактики Андромеды и Млечный Путь буквально столкнутся одна с другой примерно через 4.5 миллиарда лет. Когда это произойдет, будьте готовы к тому, что ни одна из звезд в галактиках не столкнется друг с другом, ведь в галактиках так много незаполненного пространства, что шансы на физическое столкновение ничтожно малы. То, что не произойдет физического контакта, лишь показывает, насколько обширно пространство даже в таком сосредоточении звезд и планет, как галактика!
8. Ближайшая крупная галактика удалена на 2,5 миллиона световых лет
фото: WikiImages / pixabay.com
Хотя кроме Андромеды есть еще пара небольших галактик, которые находятся ближе к Млечному Пути, Андромеда, как крупнейшее скопление звезд в Местной группе, находится в 2,5 миллиона световых лет от нас. И это ближайшая из крупнейших галактик.
Если бы самого первого человека разумного посадили на космический корабль, летящий со скоростью света к Андромеде, на данный момент он бы прошел менее 20% от общего пути. Само человечество может исчезнуть задолго до того, как этот вымышленный персонаж долетит до границ новой галактики.
9. Даже самым быстрым вымышленным космическим кораблям требуются десятилетия, чтобы пересечь Вселенную
фото: Stevebidmead / pixabay.com
Человеческое воображение даже не может представить, насколько велика Вселенная. Большая часть научной фантастики описывает свои истории с обязательными путешествиями со скоростью, превышающей скорость света, что позволяет киногероям перемещаться между галактиками. Не будь этой возможности, путешествия ограничивались бы горсткой планет.
Тем не менее даже корабли, которые являются основой научной фантастики, недостаточно быстры. Даже самыми быстрыми из этих кораблей, которые могут лететь более чем в 1,3 миллиарда раз быстрее скорости света, все же потребуется большая часть суток на то, чтобы достичь Андромеды. А чтобы пересечь Вселенную (расстояние 93 миллиарда световых лет), потребуются десятилетия.
Все это говорит о том, что даже самые смелые фантазии недооценивают размер того, с чем человечество имеет дело.
10. Диаметр наблюдаемой Вселенной — 93 миллиарда световых лет
фото: Skeeze / pixabay.com
Да, такой диаметр у Вселенной. Но! Это только то, что мы можем видеть при помощи самых мощных приборов. На самом деле реальные масштабы Вселенной мы не можем представить и приблизительно.
Тем не менее, если взглянуть на размер известной Вселенной и представить, что человек мог путешествовать один световой год в секунду, ему потребовалось бы почти 3000 лет, чтобы добраться с одной ее стороны на другую.
11. Во Вселенной звезд больше, чем песчинок на Земле
фото: mcbeaner / pixabay.com
Даже на Земле есть количества веществ, которые находятся за пределами человеческого понимания. Достаточно сложно представить (а еще сложнее понять, как это подсчитали ученые), что на планете находится примерно 7,5 квинтиллионов песчинок (это 7,5 с 18 нулями). Тем не менее видимых звезд еще больше, ГОООРАЗДО больше!
Их примерно в 5-10 раз больше в уже изученной части Вселенной, и это без учета планет и их спутников.
12. Если бы вы позвонили кому-нибудь на Венеру, между ответами проходило бы по 30 минут
фото: WikiImages / pixabay.com
13. Наибольшее расстояние от Земли до человека составляло 1,3 световых секунды
фото: NASA/GSFC/Arizona State University
14. Расстояния во Вселенной настолько велики, что мы видим устаревшие изображения
фото: Nasa / Getty Images
Если мы посмотрим на объект на расстоянии 50 миллионов световых лет, мы увидим, как этот объект выглядел именно 50 миллионов лет назад, потому что именно столько времени потребовалось свету, чтобы пройти от объекта до наших глаз.
15. И напоследок немного теорий
фото: ESA/Hubble and NASA / nasa.gov
В этой пустоте нет никакого вещества (даже, как считается, темной материи), и она в 40 раз больше, чем самая большая пустота, зафиксированная ранее. Но тем не менее даже при помощи мощнейшего телескопа это огромное поле не так-то просто заметить. Просто потому, что оно слишком мало по общим меркам пространства и времени…
Звёзд во Вселенной больше, чем песчинок на пляжах
«Звёзд во Вселенной больше, чем песчинок на пляжах Земли, а атомов в одной песчинке, больше, чем звёзд
Впервые это предположение выдвинул Карл Саган, но действительно ли это так, доподлинно неизвестно. Чтобы ответить на этот вопрос, следует обратиться к математике.
Мы знаем, что звёзд в нашей галактике Млечный Путь — от 100 до 400 млрд, а во Вселенной более 100 млрд галактик — вполне возможно, что их около 500 млрд. Если умножить звёзды на галактики, то получится минимум десять секстиллионов звёзд — сначала 1, а потом 22 нуля. Максимальное число звёзд, таким образом, 200 секстиллионов.
Диаметр одной песчинки составляет примерно полмиллиметра. Если поставить их в ряд, то в сантиметре уместится 20 песчинок, следовательно, в 1 см; поместится 8000 песчинок. Если взять десять секстиллионов песчинок и собрать их в шар, то диаметр шара составит 10,6 км, а шар из 200 секстиллионов песчинок будет около 72-х км в диаметре. Если бы Земля имела такой диаметр, то всё было бы проще.
Доктор Джейсон Маршалл подсчитал, что объём песка на пляжах Земли — около 700 триллионов м3, а число песчинок — около пяти секстиллионов. Маршалл отмечает, что его расчёт — приблизителен, и песчинок может быть в два раза меньше, «всего» 2,5 секстиллиона. Тем не менее, на всех пляжах мира десяти секстиллионов песчинок не наберётся. Таким образом, звёзд во Вселенной действительно больше, чем песчинок, примерно в пять-десять раз.
Но давайте вместо песчинок поговорим об атомах. Как вы думаете, какой объём займут десять секстиллионов атомов? Кажется, довольно много. Но если действительно собрать такое количество атомов в плотный шар, то диаметр этого шара будет примерно в четыре раза меньше пылевого клеща. Это означает, что атомов в одной песчинке гораздо больше, чем звёзд во Вселенной.»
Звёзд во Вселенной больше, чем песчинок на пляжах Земли, а атомов в одной песчинке, больше, чем звёзд
Впервые это предположение выдвинул Карл Саган, но действительно ли это так, доподлинно неизвестно. Чтобы ответить на этот вопрос, следует обратиться к математике.
Карл Саган
Мы знаем, что звёзд в нашей галактике Млечный Путь — от 100 до 400 млрд, а во Вселенной более 100 млрд галактик — вполне возможно, что их около 500 млрд. Если умножить звёзды на галактики, то получится минимум десять секстиллионов звёзд — сначала 1, а потом 22 нуля. Максимальное число звёзд, таким образом, 200 секстиллионов.
Диаметр одной песчинки составляет примерно полмиллиметра. Если поставить их в ряд, то в сантиметре уместится 20 песчинок, следовательно, в 1 см поместится 8000 песчинок. Если взять десять секстиллионов песчинок и собрать их в шар, то диаметр шара составит 10,6 км, а шар из 200 секстиллионов песчинок будет около 72-х км в диаметре. Если бы Земля имела такой диаметр, то всё было бы проще.
Доктор Джейсон Маршалл подсчитал, что объём песка на пляжах Земли — около 700 триллионов м3, а число песчинок — около пяти секстиллионов. Маршалл отмечает, что его расчёт — приблизителен, и песчинок может быть в два раза меньше, «всего» 2,5 секстиллиона. Тем не менее, на всех пляжах мира десяти секстиллионов песчинок не наберётся. Таким образом, звёзд во Вселенной действительно больше, чем песчинок, примерно в пять-десять раз.
Но давайте вместо песчинок поговорим об атомах. Как вы думаете, какой объём займут десять секстиллионов атомов? Кажется, довольно много. Но если действительно собрать такое количество атомов в плотный шар, то диаметр этого шара будет примерно в четыре раза меньше пылевого клеща. Это означает, что атомов в одной песчинке гораздо больше, чем звёзд во Вселенной.
Цефеиды: переменные звёзды сверхгиганты – астрофизик Анатолий Засов
Чем цефеиды отличаются от других звёзд? Почему звёзды-сверхгиганты с массой более 10 Солнц так редки во Вселенной? Какими бывают переменные звёзды-цефеиды? Как они были обнаружены? Рассказывает Анатолий Засов, астрофизик, доктор физико-математических наук, профессор физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова рассказывает, какие бывают звёзды, как они рождаются и умирают и о многом другом.
Интересные факты о космических объектах
Самые дальние галактики, сфотографированные Хабблом, самая большая известная звезда, Супер-Юпитеры, двойные звезды, и другие интересные факты о космических объектах!
Зачем астроному грабли или как я заболел небом
Это случилось в одно прекрасное воскресенье, звучит довольно банально, но это так. До этого тоже были попытки, но осознанный шаг произошел именно тогда, в детском магазине игрушек. Я увидел телескоп, нахлынули воспоминания: мы с Папой на даче, летней ночью лежим на крыше бани и смотрим на звёздное небо. А еще спортивный лагерь: выбежав ночью по малой нужде и случайно подняв взгляд на небо, застыл от изумления. Ни истинная цель моей ночной «прогулки», ни даже голодные комары, не в силах были заставить десятилетнего подростка отвести глаза от прекрасного августовского неба и летящего между скоплениями звезд спутника.
Естественно, телескоп я приобрел! Ну и как многие уже догадались, разочаровался в инструменте очень быстро – игрушка она и в Африке игрушка. Пластиковые линзы, хлипкий штатив. Наблюдать можно, но только, не то, что хочешь.
В последующую неделю, избороздив множество специализированных форумов и сайтов, открыл для себя неизведанный мир, который я не заслуженно обделял вниманием. И конечно же встал на первые “грабли” начинающего любителя астрономии – пошел покупать телескоп с ворохом информации, не определившегося, чего же он хочет. Напоминает жонглера, который орудует различными предметами и одновременно балансирует на паре стульев, пытаясь при этом прыгать на скакалке, держа еe в зубах. Представили? Мне хотелось всего и сразу: и наблюдения, и астрофотографию, и планеты, и объекты глубокого космоса, и все вот это сразу здесь и сейчас, немедленно. Пожалуйста никогда так не поступайте. Лучше сделать небольшую паузу, дайте чувствам успокоиться, перенесите поход в магазин на день. А еще лучше на неделю!
Да каким я был наивным! Вспоминая себя в прошлом, понимаешь: Большое путешествие начинается с первого шага, и ты его сделал, а странствия и открытия продолжаются по сию пору!
Чистого неба и удачных наблюдений!
ЗЫ Рассказ из цикла Записки Звездного Искателя
Все мы в Матрице
Галилеевы спутники Юпитера — удивительные космические тела, пригодные для жизни
Всего у Юпитера, самой крупной планеты Солнечной системы, насчитывается 79 различных спутников. Галилеевыми называют спутники, открытые Галилео Галилеем в 17 веке. От других спутников Юпитера их отличает абсолютно круглая форма и размер — они настолько огромны, что их можно разглядеть в небольшой телескоп. Интересны они еще и тем, что на некоторых из них, предположительно, может существовать внеземная жизнь.
Все изображения — это настоящие фотографии, сделанные космическими аппаратами.
Место под звёздами
Лесная поляна, залитая светом звезд и восходящей за деревьями Луны
Снято 28 сентября 2021 года около озера Сегденского в Рязанской области.
Мозаика из 9 кадров (6 кадров неба с ведением и 3 кадра земли, неподвижно)
Камера Canon 60D, объектив Canon 24-105mm f/4 L, монтировка Sky-Watcher Star Adventurer для компенсации вращения Земли. Сложение мозаики в PTGui Pro и Photoshop.
Больше ночных фотографий и астрофотографий в моём инстаграме и в телеграм-канале.
Как отдохнуть на море без qr кода и дешево
— Доктор! Помогите! У меня завелись подписчики. Что мне делать?
— Ооо, голубчик! Медицина тут бессильна. Пилите посты, принимайте витамины, кофеин. Вы не первый, многие теперь с этим живут и ничего, привыкните. Идите, пилите.
Обещал подписчику снять и показать Сириус. @Veteraniks, лови.
Возраст системы Сириуса, по современным исследованиям, составляет примерно 230 млн лет (оценки варьируют от 200 до 300 млн. лет). Первоначально система Сириуса состояла из двух бело-голубых звёзд спектрального класса В: масса одного компонента (Сириус B) была 5 масс Солнца, второго (Сириус A) — 2 массы Солнца. Затем, около 120 млн. лет назад, более массивный Сириус B прогорел и стал красным гигантом, а затем сбросил внешнюю оболочку и перешёл в своё современное состояние белого карлика. Масса Сириуса B составляет 1,02 массы Солнца, это один из самых тяжелых известных белых карликов (масса типичных белых карликов 0,5–0,6 M).
Сложение: 200 кадров из 485
Созвездие Ориона, туманность Ориона (М42), Бетельгейзе, Сириус, Млечный Путь 06.11.-07.11.2021
Повезло выбраться на выходных подальше от городской засветки. За 240 км от города небо подарило нам с @hellobunny одну очень ясную, но безумно ветреную и холодную ночь. При сильном ветре не спасало даже гидирование. Куча фоток получились смазанными (с треками). Складывать было нечего, поэтому выкладываю одиночные кадры.
Млечный путь + (Андромеда)
— Телескоп SW bkp 2001
-Монтировка SW Heq5pro
-камера Fujifilm ax7
Место съемки: Псковская область
Мультивселенная. Главные научные гипотезы
В древнеегипетском пантеоне богов присутствовала богиня Нут. У древних египтян она символизировала небо. Согласно мифологии, она каждый день проглатывала звезды и рождала их снова, то есть этим объяснялась смена дня и ночи. По ее телу, то есть по небу, плыл на лодке бог солнца Ра – вот так объяснялось перемещение Солнца.
Шли времена, наука развивалась, все описывалось более точно, наблюдения позволяли проверить правильность наших представлений о мире и вот Вселенная какой мы ее знаем:
Сфера, радиусом 46 миллиардов световых лет, заполнена триллионами галактик и еще большим количеством звезд и планет. Она называется «Видимой Вселенной». Почему «Видимой»? Потому, что из-за того, что скорость света конечна, мы не можем увидеть то, что находится за границами (или же за горизонтом событий Видимой Вселенной).
Что находится за горизонтом событий? Ученые не сомневаются, что такие же галактики и звезды, что Видимая Вселенная — это лишь маленькая часть всей Вселенной, которая, возможно, бесконечна или же безгранична, мы этого не знаем, известно только, что вся Вселенная как минимум в 250 раз больше, чем Видимая Вселенная.
А возможно ли, что существуют другие Вселенные? Мы этого тоже не знаем, но некоторые ученые предполагают, что да. Люди догадались, что Солнечная Система — это не весь мир, что другие звезды – это такие же Солнца как наше, что наша Солнечная Система не уникальна, похожих систем миллиарды в нашей галактике. Потом люди догадались и подтвердили, что и галактика наша не уникальна, их триллионы во Вселенной.
Можем ли пойти еще дальше и предположить, что и Вселенная наша не уникальна, что существуют триллионы или даже бесконечность таких Вселенных? Посмотрите на эту гравюру неизвестного автора:
На ней изображен человек, одетый в средневековую одежду пилигрима с посохом в руке. Он добрался до края Земли и сквозь занавес небесного свода рассматривает устройство Вселенной. Можно сделать некоторые выводы о научной парадигме, которая существовала в те времена. У нас ситуация несколько посложнее, мы не можем добраться до края Вселенной и посмотреть, что же за ним находится. Мы даже не знаем, существует ли вообще этот край Вселенной. Но у нас есть развитая физика, математика, космология, наука в целом и вообще, мы вроде как умнее того, кто сделал эту гравюру, правда? В этом фильме я расскажу о научных гипотезах, которые касаются темы Мультивселенной. Сразу стоит подчеркнуть, что это гипотезы и предположения, мы не знаем наверняка существуют ли другие Вселенные, поэтому стоит относится к этому соответственно – как к предположениям и гипотезам и даже если они обоснованы наукой, это не значит, что они верны.
А начнем мы от «Инфляционной модели Вселенной». Эта модель была разработана, чтобы попытаться объяснить некоторые космологические вопросы: однородность и изотропность Вселенной, то есть почему она настолько одинакова, почему пространство плоское, почему она настолько огромная и почему мы не наблюдаем магнитные монополи, то есть частицы с одним магнитным полюсом.
Все известные частицы, имеющие магнитный момент – это магнитные диполи, то есть имеют два магнитных полюса. Согласно инфляционной модели, до Большого взрыва существовало инфлятонное поле с определенным значением потенциальной энергии. Как и все поля, это поле флуктуировало случайным образом и энергии случайной флуктуации хватило, чтобы преодолеть барьер с более высокой потенциальной энергией, после чего оно опустилось на еще более низкий уровень потенциальной энергии и в процессе этого «опускания» произошло экспоненциальное расширение пространства, а лишняя энергия сконденсировалась в виде частиц, которые мы сейчас наблюдаем. Конечно, за этим всем стоит математический формализм и все намного сложнее, чем вышеупомянутое описание.
Хоть и эта гипотеза очень популярна среди космологов, самая популярная на данный момент, но не является до конца подтвержденной, не переведена в статус теории. Проблема в том, что значения потенциальной энергии и других переменных должны быть очень точно подобраны, чтобы получилась именно такая Вселенная, которую мы наблюдаем, если говорить просто, то шанс на это менее чем один из триллионов, триллионов, триллионов… короче чуть ли не один из бесконечности. Как же так получилось, почему тогда Вселенная именно такая? Впервые ответ появился 1983 году в этой статье.
— Где находятся эти гипотетические Вселенные с различными физическими законами?
В разных частях пространства которое недоступно для наблюдения, находится за горизонтом событий нашей Видимой Вселенной, в статье автора гипотезы есть такое изображение:
— Может ли подобное произойти в видимой части Вселенной?
Да, но, судя по всему, расстояния между такими областями намного, на очень много больше, чем размер Видимой Вселенной, так что шанс на это небольшой.
— Можно ли попасть в другие Вселенные?
На этот вопрос ответа я не удалось найти, но даже если и да, то попасть в другую Вселенную с другими законами физики, где, например электрон не имеет массы – это “смертельно” не только для биологических форм жизни, а и для всяких роботов, космических аппаратов и т. д.
— Существуют ли подобные Вселенные вечно?
Зависит от начальных условий, некоторые моментально прекращают свое существование, некоторые – продолжают существовать практически вечно.
— А как все началось? Как запустился подобный процесс, что было до?
Боюсь неправильно интерпретировать ответ автора, поэтому вот скрин статьи с переводом:
Идем дальше. Практически все попытки создать квантовую теорию гравитации оперируют с дополнительными пространствами, большими чем наше трехмерное пространство. Нас интересует теория струн. Из нее следует существование 10^500 вариантов компактификации дополнительных измерений, ну и такое же количество возможных Вселенных, каждая из своими законами физики.
Это называется «ландшафтом теории струн», предложенным Леонардом Сасскиндом. Поэтому я буду ссылаться на его книгу, в которой идет речь об этом. В ней он приводит хорошие примеры того, что вообще значит Вселенная с другими законами физики, с другими константами. Оказывается, не надо представлять себе что-то абстрактное, достаточно заглянуть в рабочий аппарат МРТ. В нем сильные магнитные поля и это создает внутри «минивселенную» с немного другой физикой внутри.
Там можно заметить, что свободные электроны и другие заряженные частицы летают не по прямой, а по спирали, более того, электрон немного тяжелее чем в обычных условиях, так как сильное магнитное поле влияет на спины этих частиц.
Электронные оболочки атомов вытягиваются по силовым линиям поля, изменяются энергетические уровни атомов, что приводит к изменению спектров излучения. Конечно, это не большие изменения, но теоретически все может проявляться намного сильнее, настолько, что никакая биологическая жизнь или существование атомов не будет возможным. Другой пример – поле Хиггса, которое придает массу различным частицам. Если его изменять, так же, как и магнитное поле, то можно изменять массу частиц. Ну или вообще убрать это поле с некоторой области пространства, тогда все частицы будут двигаться в ней со скоростью света.
А теперь о Мультивселенных. Сасскинд сравнивает их с погодой в различных точках мира. Вот в одной стране такая-то температура, такое-то атмосферное давление, скорость и направление ветра и так далее. Похоже и с Вселенными, только вместо погоды – различные состояния вакуума(значения и свойства различных полей). В одной области физические константы одни, где-то – другие, что приводит к различным физическим законам, некоторые Вселенные и законы физики в ней не позволяют ей существовать, поэтому она практически сразу же коллапсирует, другие Вселенные расширяются слишком быстро и в них не могут появиться атомы, в некоторых частицы не имеют массы, а некоторые Вселенные похожи к нашей.
Как можно заметить, эта гипотеза похожа на предыдущую. Многие ученые считают, что такое(10^500) количество возможных Вселенных – это проблема теории струн, называемая «проблемой ландшафта теории струн». Дело обстоит примерно так:
Это по-другому еще называется «антропный принцип». Кто прав и верна ли теория струн сейчас неизвестно и возможно не будет известно еще долгое время.
Подход Сасскинда критикует Ли Смолин. У него свой подход к проблеме, почему у нашей Вселенной именно такие физические константы и законы физики. Он автор так называемой «гипотезы космологического естественного отбора». Согласно этой гипотезе, «по ту сторону» любой чёрной дыры возникает новая Вселенная, в которой фундаментальные физические постоянные могут отличаться от значений для Вселенной, содержащей эту чёрную дыру.
Разумные наблюдатели могут появиться в тех Вселенных, где значения фундаментальных постоянных благоприятствуют появлению жизни. Процесс напоминает мутации в ходе биологического естественного отбора. По мнению Смолина, его модель лучше за антропный принцип объясняет «тонкую настройку Вселенной», необходимую для появления жизни, так как имеет два важных преимущества, цитирую:
1. В отличие от антропного принципа, модель Смолина имеет физические следствия, которые поддаются опытной проверке
2. Жизнь во множественных вселенных возникает не случайным образом, а закономерно: больше «потомков» в ходе отбора имеют те Вселенные, параметры которых приводят к возникновению большего числа чёрных дыр, и эти же параметры, по предположению Смолина, благоприятствуют возможности зарождения жизни.
Спор Смолина и Сасскинда по поводу ландшафта теории струн и Космологического естественного отбора вы можете прочитать по ссылке. Чтения примерно на минут 40-час.
Продолжим. Многомировая интерпретация Хью Эверетта. Это одна из популярных интерпретаций квантовой механики, но я не считаю, что стоит ее включать в список гипотез о Мультивселенной, потому что она не предполагает реального наличия именно других миров, она предлагает лишь один реально существующий мир. Все остальные альтернативные реальности просто бессмысленные для нас.
Космолог Макс Тегмарк высказал предположение, названное «гипотезой математической Вселенной», гласящей, что любому математически непротиворечивому набору физических законов соответствует независимая, но реально существующая Вселенная.
Тегмарк предложил следующую классификацию миров:
Уровень 1: Миры за пределами нашего космологического горизонта (то есть все что находится за Видимой Вселенной).
Уровень 2: Миры с другими физическими константами (это то, что было описано в трех первых гипотезах).
Уровень 3: Миры, возникающие в рамках многомировой интерпретации квантовой механики.
Уровень 4: Конечный ансамбль (включает все Вселенные, реализующие все возможные математические структуры, то есть абсолютно все возможные Вселенные и альтернативные реальности, как в многомировой интерпретации).
Хоть подобная гипотеза описывается и в теории струн в том числе, но гипотезы циклической Вселенной довольно маргинальны в научных кругах. Одну разновидность этой гипотезы активно продвигается нобелевским лауреатом Роджером Пенроузом, называется «конформная циклическая космология», не буду рассказывать детали, суть циклических гипотез кратко описана выше.
Это был краткий обзор научных и не совсем гипотез о Мультивселенной. Считаю ли я, что существует Мультивселенная? Я думаю так. Безусловно, антропный принцип, который был описан в двух первых гипотезах, очень элегантный, простой и логичный. Но все же я отношусь к нему скептически, и вот почему я так думаю. Давайте вспомним историю. Кеплер, который придумал три закона движения планет, который заменил модель эпициклов эллиптической орбитой, задумывался: «Почему планета Земля находится именно на таком расстоянии от Солнца, как так получилось?». Оказалось, ответ очень прост – существуют миллиарды звездных систем подобных до Солнечной, мы просто появились в одной из таких, она не была создана специально для нас, мы просто появились в таких условиях. Вот ответ на вопрос Кеплера. Мы можем продолжить этот ход мышления и ответить на вопрос, почему в нашей Вселенной законы физики именно такие: «Да потому, что наша Вселенная одна из множества Вселенных и законы физики в нашей Вселенной позволяют существовать формы жизни, которая может задавать такие вопросы». Это выглядит логично и просто, но! Но давайте вспомним Коперника. В его время уже полторы тысячи лет существовала парадигма Птоломея – Земля в Центре мира, вокруг которой вращаются Луна, Солнце и другие планеты, а звезды как бы нарисованы на куполе окружавшим этот мир. Коперник заменил Землю в центре Солнцем, что было очень смелым допущением в те времена, все остальное он оставил таким же.
Но был еще такой астроном, Томас Диггес. Диггес убрал из схемы Коперника край Вселенной, заполнив ее звездами вдаль и до бесконечности.
Понимаете, это простейшая идея, объяснить звезды на небе как множество, простирающееся в бесконечность. Он даже не мог предположить, что существуют более сложные структуры – галактики, сверхскопления галактик, черные дыры. В каком-то смысле ученые поступают как Томас Диггес. Он просто заполнил все пространство звездами до бесконечности, современные ученые заполняют все пространство другими Вселенными до бесконечности. Именно поэтому я отношусь скептически. Да, у нас более развита наука чем во времена Диггеса, но возможно структура Вселенной намного более сложная, чем бесконечное число Вселенных с разными физическими законами, настолько сложная, что современная наука и величайшие умы человечества не в состоянии даже приблизится к ее пониманию, возможно это не просто другие Вселенные, а нечто более сложное, неописуемое современным уровнем физики, математики, нашей логикой и даже больной фантазией.
Египтяне (вспоминайте начало статьи), да и другие народы и отдельные личности, описывали наблюдаемое и ненаблюдаемое так, как позволяла их фантазия и уровень науки, если можно это назвать наукой. Можем ли мы быть уверенны, что современная наука, описывая ненаблюдаемое как множество Вселенных не допускает ту же ошибку, что и египтяне и все остальные? Нет. История показывает, что до реальных наблюдений, предположения и гипотезы в той или иной мере почти всегда оказывались ошибочны. Это не значит, что Мультивселенная наверняка не существует. Это значит, что все может быть устроено покруче даже мозговыносящей Мультивселенной…
Ученые обнаружили «цунами» гравитационных волн
Команда международных ученых обнаружила наибольшее количество из когда-либо обнаруженных гравитационных волн.
Об этом говорится в пресс-релизе Австралийского национального университета (ANU).
Открытия, как считается, помогут решить некоторые из самых сложных тайн Вселенной, в частности, относительно строительных блоков материи и функционирования пространства и времени.
Результаты пока что опубликованы на сервере препринтов ArXiv. В исследовании сообщается об обнаружении 35 новых гравитационных волн с помощью обсерваторий LIGO и Virgo в период с ноября 2019 года по март 2020 года.
Таким образом, общее количество обнаруженных волн достигает 90 после трех этапов наблюдений в период с 2015 по 2020 годы.
Новые обнаружения связаны с массивными космическими событиями, большинство из которых удалены от нас на миллиарды световых лет, распространяющие рябь сквозь пространство-время. Они включают слияние 32 пар черных дыр и, вероятно, три столкновения между нейтронными звездами и черными дырами.
ANU, как один из участников международного сотрудничества, участвует в наблюдениях и в разработке сложной технологии для поиска неуловимых гравитационных волн в обширной Вселенной.
Почетный профессор Сьюзан Скотт из Центра гравитационной астрофизики ANU указала, что последние открытия представляют собой «цунами» и являются «важным шагом вперед в нашем стремлении раскрыть тайны эволюции Вселенной».
«Мы обнаружили 35 событий. Это огромное количество! В отличие от этого, мы сделали три обнаружения во время нашего первого этапа наблюдений, который длился четыре месяца в 2015-2016 годах.»
«Это действительно новая эра для обнаружения гравитационных волн, и растущая популяция открытий раскрывает так много информации о жизни и смерти звезд во всей Вселенной.»
«Взгляд на массы и спины черных дыр в этих бинарных системах показывает, как эти системы вообще оказались вместе.»
«Это также поднимает некоторые действительно увлекательные вопросы. Например, была ли эта система сначала образована с двумя звездами, которые вместе прошли через свои жизненные циклы и в конце концов стали черными дырами? Или две черные дыры столкнулись в очень плотной динамической среде, например в центр галактики?»
Сьюзан Скотт, также являющаяся главным исследователем Центра передового опыта ARC по выявлению гравитационных волн (OzGrav), сказала, что постоянное улучшение чувствительности детекторов гравитационных волн помогает увеличить количество обнаружений.
«Мы также исследуем две области разрыва масс черных дыр (*) и проводим дополнительные проверки общей теории относительности Эйнштейна.»
«Другая действительно увлекательная вещь, связанная с постоянным улучшением чувствительности детекторов гравитационных волн заключается в том, что это приведет к появлению целого ряда новых источников гравитационных волн, некоторые из которых будут неожиданными.»
* Области разрыва в массах черных дыр — два диапазона масс черных дыр, приблизительно от 2 до 5 и от 50 до 150 солнечных масс. Некоторые модели звездной эволюции предполагают, что черные дыры с массами в этих двух диапазонах не могут быть образованы непосредственно в результате гравитационного коллапса звезды.
Путь к звездам
С чего начинается космос? На Земле он начинается с ревущих гигантов, сотрясающих грохотом старт и затихающих далёким громом в небе. Унося полезную нагрузку к звездам на своих плечах, ракеты-носители являются самыми мощными и самыми сложными летательными аппаратами, созданными человеком. И одновременно – одними из самых интересных. Как согласованно и сложно выполняют они свою полётную задачу – читайте в обзоре Naked Science.
Роль космической ракеты, или ракеты-носителя – поднять полезную нагрузку с земной поверхности до орбиты. Для этого ракета поднимает груз выше атмосферы и разгоняет его до орбитальной космической скорости. Подъем и разгон происходят в общем процессе выведения полезной нагрузки на орбиту, в результате которого достигается высота около 200-300 км.
Большинство ракет-носителей стартует вертикально с поверхности Земли, постепенно их траектория всё больше наклоняется. В полете происходит отделение ступеней, из которых собрана конструкция ракеты. Последняя ступень заканчивает разгон и отделяется от полезной нагрузки, начинающей свой самостоятельный космический полет. В пуске важна не только достигнутая скорость, высота и наклонение, но и точность выполнения этих параметров.
Его величество двигатель
Ракета разгоняется силой тяги двигательной установки, включающей один или нескольких двигателей. Его величество двигатель – самая важная, сложная и дорогая часть ракеты. Он выполняет две ключевые задачи: сжигает в камере сгорания топливо, в ходе этого процесса получается очень горячий и сильно сжатый газ. И разгоняет газ своим реактивным соплом, создавая силу тяги. От того, насколько правильно решаются обе задачи, зависят эффективность двигателя и совершенство ракеты. В качестве основных двигателей ракет-носителей чаще используют жидкостные ракетные двигатели, или ЖРД.
Жидкостным он называется из-за топлива, состоящего из двух жидких веществ – горючего и окислителя, – образующих топливную пару. Они вступают в химическую реакцию горения, в которой атомы горючего отдают свои электроны принимающим их атомам окислителя и образуют молекулы газов. Для полноты сгорания горючее и окислитель нужно подать в правильном соотношении и как можно лучше перемешать. Это делают форсунки, находящиеся в форсуночной головке в начале камеры сгорания. Оба компонента подаются в них с большим давлением многих десятков и сотен атмосфер, распыляясь в очень тонкую взвесь. Часто горючее и окислитель соединяются в общей форсунке, перемешиваясь в едином плотном факеле. Воспламенение происходит уже в начале факела форсунки, распыляемого в пламя зоны горения. Большое давление камеры сгорания приводит к очень быстрому сгоранию. Химическая энергия топлива переходит в потенциальную энергию продуктов сгорания, в форме высоких температуры и давления газа.
Получившийся сжатый газ устремляется в реактивное сопло, состоящее из двух частей. Камера сгорания переходит в сужающуюся часть сопла, где дозвуковой поток газа ускоряется. В самой узкой части сопла, называемой критическим сечением, поток достигает скорости звука. Дальше он попадает в расширяющуюся часть сопла, становится сверхзвуковым и продолжает разгоняться до самого среза сопла. Давление и температура при этом все время снижаются, зато непрерывно растет скорость потока. Сопло преобразует потенциальную энергию тепла и давления газа в кинетическую энергию струи, являясь тепловой машиной по разгону газа. Истечение струи создает реактивную силу в обратном направлении; эта сила составляет основную часть тяги двигателя. Чем быстрее истечение газа из сопла, тем больше сила тяги. Вот зачем струю разгоняют до высокой скорости, на краю сопла она может быть в три раза больше скорости звука.
Топлива в камеру подается много, сгорание идет с высокими температурами около трех тысяч градусов и под большим давлением. Это делает камеру сгорания и сопло очень нагруженными в силовом и тепловом плане.
Сопло раскаляется добела. Без охлаждения стенок камеры и сопла они неминуемо прогорят, и случится пожар двигателя. Охлаждение стенок камеры и сопла организуется разными путями. В специально проточенных тонких каналах в стенках сопла и камеры текут компоненты топлива, снимая часть тепла со стенок. Кроме этого, в камере сгорания создается пристеночная жидкостно-капельная завеса из горючего. Сама камера изготавливается очень прочной, чтобы держать огромное рабочее давление. Силовая рама передаёт усилие тяги от камеры сгорания на корпус ракеты.
Чем больше топлива сгорит в двигателе, тем больше тяга. Подачу топлива в ЖРД обеспечивает его вторая важнейшая часть – турбонасосный агрегат, или ТНА. Он объединяет главные насосы горючего и окислителя, другие насосы и вращающую их газовую турбину. ТНА работает крайне напряженно. Для создания большого расхода компонентов и высокого давления за насосами турбина совершает огромную работу и имеет очень большую мощность при компактных размерах. Отдельная камера сгорания ТНА сжигает компоненты топлива и направляет полученный газ на лопатки турбины. Отработанный газ за турбиной сбрасывается за борт в двигателях открытого цикла или идет на дожигание в основную камеру сгорания двигателей закрытого цикла.
Недавно появились сверхлегкие ракеты, у которой в ЖРД нет ТНА. Насосы горючего и окислителя вращают электромоторы запасенной в аккумуляторах энергией. Это сверхлегкие ракета-носитель Electron компании Rocket Lab и ракета Rocket компании Astra. Их небольшие двигатели, которые человек может удержать в одной руке, позволяют использовать электрический привод топливных насосов. Питаются электромоторы от литий-полимерных батарей, сбрасываемых в полете по мере их разрядки.
При принципиальной простоте конструкции работа двигателя в реальности весьма сложная. Газодинамические процессы в двигателе непросты и требуют правильной организации и управления. Так же сложна разветвленная гидродинамика жидких компонентов, теплообменные дела – и прочие динамика, физика и химия. Работа двигателя может нарушаться неустойчивыми режимами. Если давление в камере сгорания случайно вырастет больше расчетного, то перепад давления из форсунок в камеру снизится, это уменьшит подачу топлива в камеру. Меньше поступит и сгорит топлива – давление в камере снизится, что увеличит перепад давления на форсунках и приведет к подаче в камеру излишка топлива. Он сгорит и создаст скачок давления в камере – и цикл колебаний давления повторится. Такие пульсации давления могут иметь частоту десятка раз в секунду и приводят к разгону этого колебательного процесса до разрушения камеры сгорания или к неустойчивому горению с падением тяги. Такова низкочастотная неустойчивость двигателя.
Высокочастотная неустойчивость возникает в виде акустических колебаний внутри камеры сгорания, образующих в ее объеме стоячие волновые конфигурации разных форм. Многократно отражаясь от стенок камеры и сливаясь, акустические колебания усиливаются до небольших ударных волн, с ростом давления и температуры во фронте волны. В местах их прилегания к стенкам камеры возникают локальные зоны высокого давления и температуры. В них могут возникать прогары и разрушения. Также высокочастотная неустойчивость способна ухудшать сгорание топлива. Борются с этим видом неустойчивости введением в камеру особых перегородок, расположением форсунок и другими мерами.
Тягой двигателя необходимо управлять. Например, при старте ракеты-носителя «Союз» тяга двигателей РД-107 растет не плавно, а ступенчато. После зажигания начинается режим предварительной ступени тяги. Между прочим, на этом этапе турбонасосный агрегат еще не запущен, насосы неподвижны, а керосин и кислород просто самотеком льются из баков в камеры сгорания, как вода из водонапорной башни. Но в камерах они уже горят вовсю, вырываясь наружу большими клубами огня и освещая низ ракеты яркой протяжной вспышкой. Если горение нормальное и устойчивое, то включается режим первой промежуточной ступени тяги. Запускается и раскручивается ТНА, расход компонентов и тяга вырастают, продолжается контроль работы двигателя. Далее следует вторая промежуточная ступень. Давление в магистралях и подача топлива усиливаются настолько, что тяга превышает вес ракеты, и она поднимается в воздух. И только через шесть секунд подъема ракеты двигатель переводится в режим главной тяги, на полную мощность. У других ракет циклограммы (точные и детальные последовательности действий) выхода двигателей на полную тягу могут различаться, но все они требуют контроля параметров работы двигателя сотни и тысячи раз в секунду. Управляют величиной тяги изменением работы турбины ТНА или клапанами подачи компонентов топлива. Управление направлением тяги производят через подвижный качающийся подвес основных или управляющих камер сгорания, разностью тяги в многокамерных двигательных установках и другими способами.
Выключение двигателя – тоже сложный процесс. Сразу закрыть главные клапаны топлива нельзя: могут возникнуть гидроудары в магистралях. Еще нужно снизить импульс последействия – остаточную тягу после прекращения подачи топлива. Ведь тяга падает до нуля не сразу и резко, а постепенно, расходуя запас давления в камере сгорания с дожиганием уже распыленного форсунками топлива. При выключении двигатель сначала переводят в пониженный режим, снизив подачу топлива и давление в камере. И лишь потом подают команду на выключение, которая прекращает подачу топлива в камеры сгорания.
Часто включение двигателей последней ступени бывает двукратным – в результате первого включения ступень с полезным грузом выходит на опорную орбиту. Позже, когда ступень дошла в нужную точку орбиты, делают второе включение двигателя, переводящее ступень на другую, целевую или переходную орбиту. Запуск двигателя в невесомости требует осаждения расплывшегося по бакам остатка топлива к заборному отверстию. Для этого включают небольшие твердотопливные двигатели – или двигатели ориентации. Они создают небольшую продольную перегрузку для смещения остатков топлива к нижнему днищу бака. Затем делают второе включение главного двигателя ступени с началом следующей фазы выведения.
Топливо – энергия для полета
Топливо к двигателю поступает через трубопроводы – главные магистрали горючего и окислителя, идущие внутри баков и двигательного отсека. Для криогенного топлива магистрали и каналы в двигателе перед стартом нужно охладить слабой подачей этих компонентов. Это называется захолаживанием двигателя. Подача рабочих объемов в неохлажденный двигатель может привести к вскипанию там криогенных компонентов и скачку давления в магистралях, что чревато остановкой подачи и обратным выбросом топлива. Еще в трубопроводах не должно возникать гидроударов и кавитации, а в заборных отверстиях в баках ставят воронкогасители. Для борьбы с вредными эффектами магистрали снабжают буферными бачками, бустерными (предварительными) насосами и другими устройствами.
Виды топлива для ракет-носителей используют разные: криогенные в виде сжиженных газов либо высококипящие, как керосин или несимметричный диметилгидразин. Распространенные топливные пары: «керосин плюс кислород» и «водород плюс кислород». Уходит в прошлое ядовитая топливная пара «азотный тетраоксид плюс несимметричный диметилгидразин», печально известный гептил. Осваивается перспективная пара «кислород плюс метан». Важнейшие показатели топлива – количество энергии, получаемое при сжигании килограмма топлива, плотность компонентов, задающая нужный объем баков, и криогенность, требующая теплозащитных мер. Важна стоимость топлива, экологичность, технологичность производства, транспортировки, хранения, инфраструктуры для заправки, и другие характеристики. Например, пара «азотный тетраоксид плюс несимметричный диметилгидразин» – самовоспламеняющаяся, загорается немедленно при контакте компонентов, и для нее не нужно воспламенительных устройств.
Топлива в ракете много – до 9/10 от ее стартовой массы. Вмещающие его баки – довольно сложные конструкции. Баки с жидкими газами требуют теплозащиты для предотвращения не только нагрева содержимого, но и наружной конденсации воздуха в жидкость: например, на поверхности баков с жидким водородом. Внутри баков есть перегородки, снижающие колебания топлива в полете. Бак должен выдерживать давление наддува для его нормальной работы и многократный вес топлива в условиях перегрузок. Еще в баках есть система термостатирования, постоянно перемешивающая криогенный компонент, и не дающая ему расслаиваться. Иначе вверху может возникнуть нагретый слой с его дальнейшим вскипанием и скачком давления в баке вплоть до его разрушения. А система барботирования продувает через массив компонента массу мелких пузырьков, перемешивающих его на тонком уровне. Есть система одновременного опорожнения баков, согласующая расход горючего и окислителя, сокращающая неиспользуемые остатки топлива. Есть система наддува, обеспечивающая нужное давление в баке и его изменение перед стартом. Системы датчиков, с информационными линиями от них. И всё выше перечисленное – далеко не полный перечень оборудования.
Для запусков в космос широко используются и твердотопливные двигатели. Они служат ускорителями на этапе работы первой ступени, создавая иногда половину или даже 4/5 взлетной тяги. Твердым топливом служит смесь минерального окислителя, обычно перхлората аммония, и алюминиевой пыли в качестве горючего. Эти измельченные компоненты склеены полимерным связующим, синтетической резиной под названием полибутадиенакрилонитрил, или бутадиен-нитрильный каучук (БНК). Он содержит много углерода и водорода, и является тоже горючим. Энергетика твердотопливных двигателей хуже жидкостных. Но они дешевле и проще в эксплуатации. При компактных размерах твердотопливные двигатели выдают большую тягу, крупнейшие из них стали самыми мощными двигателями, созданными человеком. Ракеты-носители используют твердотопливные ускорители в количестве от одного до шести, прикрепленные по бокам первой ступени с ЖРД и сбрасываемые после выгорания топлива. А иногда и сами ракеты-носители бывают полностью твердотопливными, или содержат в своем составе твердотопливные ступени.
Летающая конструкция как динамическая система
Ракета-носитель делится на ступени, обычно на две или три. Это нужно для отбрасывания опустевшей во время полета топливной тары, чтобы не тратить топливо напрасно на её разгон. Деление на ступени бывает разным – поперечным, продольным и комбинированным. Ракета «Союз», поднимающая космонавтов на орбиту, имеет пакетную схему: центральный блок окружен четырьмя боковыми блоками. На старте все работают вместе, а после выработки топлива боковые блоки отделяются. Центральный блок дальше работает в качестве второй ступени, а после выработки топлива он отделяется от третьей ступени, которая завершает вывод на орбиту.
Топливные пары ступеней могут быть одинаковыми или разными. Например, все ступени ракет «Союз» или Falcon 9 – кислородно-керосиновые, а у ракеты Delta-4 Heavy – кислородно-водородные. Напротив, у ракет Saturn-5 и Atlas V первая ступень кислородно-керосиновая, а другие – кислородно-водородные. Ступени соединены переходными отсеками, передающими усилие с нижней ступени на верхнюю. Разделение ступеней должно быть безударным, чтобы нижняя не догнала верхнюю импульсом последействия и не стукнула в нее. Первая ступень всегда самая большая и массивная. Она работает до высот 40-60 километров, пару с лишним минут полета, а после отделения разрушается в районах падения. Вторая ступень выводит полезную нагрузку на орбиту – или повторяет судьбу первой ступени, если есть третья ступень, которая и достигает космической скорости.
Во время полета конструкция ракеты испытывает самые разнообразные нагрузки. Атмосфера создает силы аэродинамического сопротивления, давящие на корпус. При углах атаки с косым обдувом ракеты возникает боковая аэродинамическая сила. Наибольшая нагрузка потоком достигается примерно через минуту полета, сразу после достижения скорости звука, на высоте восьми-девяти километров. Для снижения потерь скорости и защиты полезной нагрузки от встречного потока сверху ракеты ставят обтекатель. С выходом ракеты за атмосферу его сбрасывают. Атмосфера также помогает стабилизировать ракету: для этого на некоторых первых ступенях есть стабилизаторы – например, треугольные крылышки на «Союзе».
Состояние ускорения в технике называется перегрузкой. Величина ускорения сравнивается со средним ускорением силы тяжести на поверхности Земли, так получается числовое выражение перегрузки. Мы с вами живём в непрерывной единичной перегрузке земного тяготения.
Конструкция ракеты со всеми элементами, узлами и агрегатами находится и работает в условиях нарастающей перегрузки, защититься от которой невозможно в принципе. Вес узлов и агрегатов, вес топлива в баках увеличивается пропорционально перегрузке: при двукратной – в два раза, при трехкратной – в три раза. Вырастает и давление топлива в баках и магистралях. Это нужно учитывать, закладывая в конструкцию необходимый запас прочности. Перегрузка плавно растет до трех-четырех единиц к концу работы каждой ступени, а после ее выключения резко падает до нуля, снова вырастая сходным образом при работе следующей ступени.
Элементы ракеты должны быть прочными при наибольшей легкости. Поэтому в ракете широко используют сплавы на основе алюминия и магния, последнее время дополняемые изделиями из углеродных композитных материалов. Впрочем, применяется и сталь, и медь, и золото; и многие другие материалы. Для твердотопливных ускорителей применяются как стальные корпуса, так и композитные, выполненные намоткой прочных нитей с закреплением их полимерными составами. На современной сверхлегкой ракете Electron компании Rocket Lab используется углеродное волокно, на основе которого сделаны баки для керосина и жидкого кислорода.
Ракета представляет собой сложную динамическую систему, в которой одновременно идет огромное множество процессов, действуют разнообразные силовые и тепловые нагрузки.
Топливо меняет свою массу и положение в баке, его поверхность может косо смещаться и раскачиваться. С выработкой топлива меняется центр масс ракеты. Разные вибрации охватывают корпус, в одних местах усиливаясь, в других ослабевая, сменяя друг друга. Различные силы давят на конструкцию, создавая сжимающие, растягивающие и крутящие нагрузки. Длинный корпус работает как изгибающаяся балка – с колебаниями концов относительно друг друга и центра масс ракеты. В совокупности всех воздействий материал конструкции находится в сложном напряженном состоянии, сочетающем многообразные статические и динамические нагрузки.
Первая в мире ракета-носитель, еще только создаваемая межконтинентальная баллистическая ракета 8К71 (как баллистическая ракета она состоялась уже после запуска первого спутника на орбиту), была названа «Спутник» (8К71-ПС) после подтверждения успешного выхода на орбиту первого спутника ПС-1. «Простейший спутник 1» весил всего 83,6 кг. Второй спутник с несчастной Лайкой на борту весил уже полтонны, однако он не имел многих систем, свойственных автономным спутникам, и не отделялся от второй ступени ракеты, образуя с ней одно целое. Третий спутник Д-1, для газетных сообщений называемый «Спутник-3», должен был стать первой полноценной научной станцией в космосе; его научная и измерительная аппаратура составляла почти тонну массы, а сам спутник достигал 1327 кг. Для его запуска потребовалась существенная модернизация ракеты-носителя, с получением нового шифра 8А91.
Пуск обновленной ракеты (№Б1-2) проводился 27 апреля 1958 года. Вначале ракета и ее системы работали нормально. Но в магистрали окислителя центрального блока возникли и усилились под действием растущей полетной перегрузки продольные колебания. Это привело к колебаниям давления жидкого кислорода на входе в двигатель, и к пульсации тяги его двигателя. Из-за возникшей переменной тяги двигателя центрального блока на 88 секунде полета начались резонансные силовые колебания боковых блоков ракеты, которые стали быстро нарастать. Всего через восемь секунд, на 96 секунде полета, боковые блоки оторвались от центрального, и ракета разрушилась в воздухе. Остатки ракеты упали в пределах полигона, примерно в ста километрах от старта. Спутник сразу оторвался от ракеты и падал отдельно, что позволило ему уцелеть, лишь слегка сплющившись при ударе о земную поверхность. Так развилась и произошла первая космическая авария. Ее расследование позволило в итоге успешно запустить «Спутник-3» в виде дублера 15 мая 1958 года.
В ракете-носителе размещают огромное количество различных систем и подсистем, основных и вспомогательных, обеспечивающих выполнение множества задач и бортовых функций. Это всевозможные гидро- и пневмосистемы; разветвленная бортовая электросеть с линиями и контурами питания, распределителями и источниками электроэнергии; различные пироболты и пироклапаны с линиями управления их срабатыванием; линии связи со ступенями. Важные системы дублируются, делаются резервные линии и блоки; наиболее важные троируются.
Полет ракеты требует непрерывного управления. Его осуществляет система управления полетом. Гироскопические датчики измеряют вращение ракеты вокруг ее трех осей и вычисляют текущую ориентацию в пространстве. Акселерометры точно измеряют ускорения вдоль трех пространственных координат. Интегрирование ускорений дает текущие скорости и общую скорость ракеты (скорость центра масс), ее величину и направление. А двукратное интегрирование ускорений дает координаты положения ракеты в пространстве относительно точки старта – удаление (по прямой в пространстве) или ортодромную дальность (по поверхности Земли), высоту и боковое смещение. Так работает инерциальный блок системы управления; он может дополняться астронавигацией, радионавигацией, системой GPS и другими навигационными каналами.
Блоки системы управления постоянно сравнивают положение ракеты и ее скорость с программными значениями, заданными на этот момент полета. Когда отклонения ракеты от расчетной траектории приближаются к предельно допустимым, система управления полетом вырабатывает управляющие команды, поступающие на рабочие органы – основные или управляющие двигатели. Они на рассчитанную величину меняют режим работы или отклоняются на подвижных подвесах. Возникает корректирующее движение ракеты, возвращающее ее ближе к расчетной траектории и регулирующее ее скорость. Ракета «гуляет» вокруг расчетной траектории внутри пространственной трубки, поверхность которой образована предельными допустимыми отклонениями, и не выходит за их пределы благодаря работе системы управления полетом. Алгоритмы управления оптимизируют движение носителя, сокращая количество приближений к границам допустимых отклонений и частоту корректирующих движений.
Система управления полетом постепенно наклоняет ракету, заваливая ее в горизонт и отрабатывая программу изменения угла тангажа (тангаж – это наклон главной, продольной оси ракеты к плоскости текущего горизонта). С ростом высоты и удалением от старта скорость ракеты становится все более горизонтальной. При достижении заданной скорости система управления полетом выключает двигатель последней ступени и отделяет полезную нагрузку в свободный полет. Иногда это происходит после второго включения и перехода на другую орбиту.
Конструкции ракет-носителей и схемы полета развиваются и эволюционируют. Из стандартных схем выделяется двухступенчатая тяжелая ракета Falcon 9 американской компании SpaceХ. Ее первую ступень с девятью двигателями сделали возвращаемой и повторно используемой, на сегодня ее повторное использование достигло шести раз. На высоте 60 километров происходит разделение ступеней, при этом в первой ступени остается запас топлива для посадки. По инерции поднимаясь до 120 километров, ступень начинает управляемый спуск. В верхней части снижения работают двигатели ориентации, на атмосферном участке – решетчатые аэродинамические рули, раскрываемые в верхней части ступени. Скорость гасится несколькими включениями трех из девяти основных двигателей. В итоге управляемого спуска ступень разворачивает траекторию и приземляется на площадку возле старта или садится на посадочную баржу в океане, раскрывая три посадочные опоры перед касанием поверхности. Таким образом, повторно используют и корпус ступени, и девять из десяти двигателей – самые дорогие компоненты ракеты (десятый остается на второй ступени). Возвращаются и две половинки обтекателя для повторного использования, опускающиеся на управляемых парашютах в широкую сетку специального судна, подхватывающего их на ходу. Многоразовое использование первой ступени сегодня отрабатывают и на других ракетах, как летающих, так и проектируемых.
Такие схемы полета требуют наличия отдельных, собственных систем управления полетом для возвращаемых элементов ракеты, переходящих к управляемому полету после работы на основном участке. Первая ступень, выполняющая заданную посадку, должна обладать полноценной системой управления полетом после отделения второй ступени – как и собственным бортовым измерительным комплексом, так и блоком выработки команд, и исполнительной частью. Это же относится и к возвращаемым половинкам обтекателя, поскольку они вводят в действие средство возвращения в виде планирующих парашютов, и через управление ими приходят в заданные точки посадки. По сути, многоразовая ракета-носитель формата «Falcon-9» в процессе полета разделяется на ряд самостоятельных летательных аппаратов, осуществляющих после основной работы в пуске собственные автономные управляемые полеты с задачей посадки заданным образом в заданных точках. Это новая архитектура системы управления полетом ракеты-носителя, и сегодня она уверенно работает в практических пусках, все шире распространяясь в запускающей технике.
Информационные потоки в ракете возникают не только в системе управления полетом. На борту находится множество датчиков, измеряющих самые разные величины. Давление и температуру во всех камерах сгорания, давление в магистралях горючего и окислителя, частоты и амплитуды вибраций в разных частях ракеты, перегрузку и местные ускорения, всевозможные температуры, давления и расходы, электрические напряжения и токи, положение различных переключателей и клапанов, обороты турбины ТНА, а также сотни и тысячи других параметров. Их измерения нужны для контроля состояния ракеты и многих бортовых процессов. Пока ракета стоит на старте, данные передаются через примыкающую к ней кабель-мачту. Это кабельная телеметрия – измерение и передача данных с борта ракеты через кабели. В полете информацию передают по радиоканалам – это радиотелеметрия. Телеметрическое оборудование ракеты обладает большой пропускной способностью и высокой частотой измерений. В современных телеметрических системах датчики опрашиваются несколько тысяч раз в секунду, а число каналов (количество датчиков) достигает тоже нескольких, иногда многих, тысяч.
У ракет, запускающих в космос людей, есть система аварийного спасения, или САС. Она устанавливается над космическим кораблем и представляет собой твердотопливный двигатель с розеткой направленных назад и в стороны сопел. В случае аварийной ситуации на старте и в полете, требующей спасения экипажа, система управления полетом задействует САС, которая уводит корабль с людьми вперед и в сторону от аварийной ракеты-носителя. Если выведение проходит штатно, по плану, то САС отделяется от корабля на этапе работы второй ступени и уводится в сторону другой, маленькой розеткой сопел, чтобы не быть ненужной нагрузкой в разгоне корабля. Новые схемы космических кораблей могут использовать другую организацию САС, интегрированную с кораблем и не отделяющуюся при выведении, как это сделано у Crew Dragon от компании SpaceХ.
Ракеты-носители выводят в орбитальный полет грузы самой разной массы. Орбита орбите рознь, они могут сильно отличаться и требовать для выведения на них разной энергии и разных затрат топлива. Чем выше орбита, тем больше нужно энергии для ее достижения; также важно наклонение орбиты – для полярных орбит затраты энергии выше, потому что запуски на них проводятся поперек вращения Земли и не используют его. Для сравнения грузоподъемности ракет берут низкие опорные орбиты, высотой около 200 км, круговые, с умеренным наклонением к экватору. Ракеты-носители делятся на несколько классов грузоподъемности. Деление это достаточно условно и изменяется со временем и в разных странах, но примерная классификация по грузоподъемности следующая: сверхлегкие – 0,1– 0,3 тонны, легкие – до 1 тонны, средние – 1–20 тонн, тяжелые – 20–100 тонн, сверхтяжелые – свыше 100 тонн.