Номер 5, страница 273 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Вопросы. Параграф 3.17. Примеры решения задач. Глава 3. Силы в механике. Динамика - номер 5, страница 273.

Условие.

5. Известно, что на астероидах сила притяжения практически отсутствует. Разработайте проект, как «приземлить» какой-либо объект на астероид.

Решение.

Проблема «приземления» объекта на астероид заключается в его крайне малой массе и, как следствие, очень слабой силе гравитационного притяжения. Сила всемирного тяготения описывается формулой $F = G \frac{M m}{r^2}$, где $M$ – масса астероида, $m$ – масса объекта, $r$ – расстояние между их центрами, а $G$ – гравитационная постоянная. Так как масса астероида $M$ очень мала, сила притяжения $F$ будет недостаточной, чтобы удержать на поверхности объект, который даже с небольшой скоростью коснется поверхности. Любой толчок или касание приведет к тому, что объект отскочит и улетит обратно в космос.

Поэтому проект посадки должен включать не только этап сближения и касания, но и, что самое главное, этап активного закрепления (анкеровки) на поверхности.

Проект: Система мягкой посадки и анкеровки на астероиде

Цель проекта: Разработать надежный метод для посадки и фиксации исследовательского зонда или другого объекта на поверхности астероида с пренебрежимо малой гравитацией.

Проект можно разделить на три основных этапа:

Этап 1: Сближение и синхронизация скорости.
Космический аппарат, доставивший объект (например, посадочный модуль), должен сначала выйти на орбиту вокруг астероида или, если это невозможно из-за слабой гравитации, совершить маневр сближения. Ключевая задача этого этапа — полностью уравнять скорость аппарата со скоростью астероида. Относительная скорость между модулем и поверхностью астероида должна стать близкой к нулю. Это достигается с помощью маневровых двигателей аппарата.

Этап 2: Контролируемый спуск.
После синхронизации скоростей посадочный модуль начинает медленное, контролируемое снижение к выбранной точке на поверхности астероида. Спуск осуществляется с помощью двигателей малой тяги (системы ориентации). Скорость спуска должна быть очень низкой, порядка нескольких сантиметров в секунду, чтобы минимизировать энергию удара при контакте и избежать неконтролируемого отскока.

Этап 3: Контакт и активная анкеровка.
Это самый важный этап. В момент касания поверхности посадочный модуль должен немедленно закрепиться. Для этого можно использовать несколько методов, которые могут применяться как по отдельности, так и в комбинации для большей надежности.

Вариант А: Гарпунная система.
В момент контакта датчики на опорах модуля подают сигнал, и из корпуса модуля выстреливаются один или несколько гарпунов. Гарпуны проникают в поверхность астероида (состоящую из камней и реголита — рыхлого грунта) и застревают в ней благодаря зазубринам. Затем лебедки, соединенные с гарпунами тросами, подтягивают модуль плотно к поверхности. Подобная система использовалась, например, на посадочном модуле «Филы» (миссия «Розетта»).

Вариант Б: Буровая система.
Посадочные опоры модуля оснащаются бурами или винтовыми сваями. Сразу после касания опоры начинают ввинчиваться или вбуриваться в поверхность, обеспечивая жесткое крепление аппарата. Этот метод хорошо подходит для поверхностей разной твердости.

Вариант В: Использование прижимных двигателей.
В момент касания и во время процесса анкеровки могут включаться небольшие двигатели, направленные "вниз", которые создают реактивную силу, прижимающую аппарат к поверхности. Это помогает предотвратить отскок в первые секунды после контакта и обеспечивает необходимое давление для работы буровой или гарпунной системы. Этот метод требует расхода топлива, поэтому он обычно используется как вспомогательный.

После успешной анкеровки аппарат считается «приземлившимся» и может приступать к выполнению своей миссии.

Ответ: Для «приземления» объекта на астероид, где практически отсутствует сила притяжения, необходимо разработать проект, включающий три ключевых этапа. Во-первых, космический аппарат должен сблизиться с астероидом и полностью синхронизировать свою скорость с ним. Во-вторых, необходимо осуществить очень медленный и контролируемый спуск к поверхности с помощью двигателей малой тяги. В-третьих, в момент касания необходимо использовать систему активной анкеровки для немедленного закрепления на поверхности, чтобы избежать отскока. В качестве систем анкеровки могут использоваться выстреливаемые гарпуны, ввинчивающиеся в грунт буры на посадочных опорах или прижимные реактивные двигатели.