Космонавтика (від космос і греч . nautikе мистецтво мореплавання, кораблеводіння), польоти в космічному просторі; сукупність галузей науки і техніки, що забезпечують освоєння космосу і позаземних об'єктів для потреб людства з використанням різного роду космічних літальних апаратів включає проблеми: теорії космічних польотів — розрахунки траєкторії і др.; науково-технічні — конструювання космічних ракет, двигунів, бортових систем управління, пускових споруді, автоматичних станцій і пілотованих кораблів, наукових приладів, наземних систем управління польотами, служб траєкторних вимірі, телеметрії, організація і постачання орбітальних станції і прочие; медико-біологічні — створення бортових систем життєзабезпечення, компенсація несприятливих явищі в людському організмі, пов'язаних з перевантаженням, невагомістю, радіацією і др.; юрідічесько-международно-правовоє регулювання питань використання космічного простору і планет і т. п.

  Історична довідка. В своїх мріях, втілених в казках, легендах, фантастичних романах, людство вже давно прагнуло в космос, про це свідчать і багаточисельні (як правило, нездійсненні) винаходи минулого. Розповіді про політ в піднебіння вже зустрічаються в ассиро-вавілонському епосі, в старокитайських і іранських легендах. У староіндійській поемі «Махабхарата» містяться повчання для польоту на Луну. Широко відомий грецький міф про політ до Сонця Ікара на крилах, що скріпляють воском. Політ до Луне на крилах описав Лукиан Самосатський (2 ст н.е.(наша ера)).

  Теоретичне обгрунтування можливості польотів в космічному просторі вперше було дане російським ученим До. Е. Циолковським в кінці 19 ст У своїй праці «Дослідження світових просторів реактивними приладами» (1903) і подальших роботах Циолковський показав реальність технічного здійснення космічних польотів і дав принципове вирішення ряду основних проблем К. Помімо праць Циолковського, питанням До. були присвячені роботи І. У. Мещерського (з 1897), Ю. Ст Кондратюка (1919—29), Ф. А. Цандера (1924—32), Н. А. Риніна (1928—32) і ін. росіян учених. За кордоном ранні праці по До. були опубліковані Р. Ено-Пельтрі (Франція, 1913), Р. Годдардом (США, 1919), Р. Обертом (Німеччина, 1923). У 20-х рр. 20 ст було засновано перші суспільства К.: в СРСР (1924), Австрії (1926), Німеччині (1927), Великобританії і США (1930). Метою цих суспільств була пропаганда ідей До. і сприяння вирішенню практичних проблем в цій області. У СРСР роботи в області ракетної техніки початі в 1921; в цей час була організована Газодинамічна лабораторія (ГДЛ). З 1928 під керівництвом Н. І. Тіхомірова (засновника ГДЛ) проводилися льотні випробування ракет на бездимному шашковому поросі. З 1929 в ГДЛ Ст П. Глушко почав розробку ракет з електричними (ЕРД) і рідинними (ЖРД) ракетними двигунами. Перші випробування ЕРД проведені в 1929, ЖРД — в 1931. У 1932 в Москві була створена виробнича Група вивчення реактивного руху (ГИРД), що здійснила під керівництвом С. П. Королева в 1933 перші пуски радянських рідинних ракет конструкції М. До. Тіхонравова і Ф. А. Цандера. В кінці 1933 на базі ГДЛ і ГИРД був заснований Реактивний науково-дослідний інститут (РНІЇ). Ці три організації внесли основоположний внесок у розвиток радянського ракетобудування. Що виросло з ГДЛ дослідно-конструкторське бюро (ГДЛ — ОКБ) по розробці ЖРД спільно з ін. ОКБ, інститутами і заводами забезпечили подальший розвиток ракетної і космічної техніки в СРСР.

  В США експериментальні роботи з ЖРД були початі Р. Годдардом в 1921, а пуски рідинних ракет вироблялися з 1926. У Германії стендові випробування двигунів цього класу початі Г. Обертом в 1929, а льотні випробування рідинних ракет — І. Вінклером в 1931. Під час 2-ої світової війни 1939—1945 Німеччина використовувала рідинні ракети з дальністю польоту 250—300 км. (ракета V-2 конструкції Ст фон Брауна ) Потенційні можливості нової зброї спонукали багато країн форсувати роботи по ракетній техніці після війни, внаслідок чого були створені міжконтинентальні і ін. балістичні ракети забезпечені ядерними боєголовками. Ці роботи непрямим чином сприяли створенню необхідної технічної бази До.

  Космічна ера. Початок космічної ери — 4 жовтня 1957, дата запуску в СРСР першого штучного супутника Землі (ІСЗ). Друга найважливіша дата космічної ери —12 квітня 1961 — день першого космічного польоту Ю. А. Гагаріна початок епохи безпосереднього проникнення людини в космос. Третя історична подія До. — перша місячна експедиція 16—24 іюля1969, виконана Н. Армстронгом, Е. Олдріном і М. Коллінзом (США).

  Космічні апарати створені і використовуються у ряді країн: у СРСР з 1957, в США з 1958, у Франції з 1965, в Японії і КНР(Китайська Народна Республіка) з 1970, у Великобританії з 1971. Про масштаби робіт, що ведуться по До., можна судити по кількості, наприклад, радянських штучних супутників Землі, Сонця, Луни і Марса, число яких на 1 липня 1973 складало 742 при масі 2233 т, або 4388 т разом з кінцевим рівнем ракет-носіїв; 2-я космічна швидкість повідомлена 41 об'єкту масою 110 т, а разом з кінцевим рівнем ракети 167 т. Аналогічний масштаб придбали роботи по До. у США. На 1 травня 1973 космічні польоти зробили 25 радянських космонавтів на 18 кораблях і орбітальній станції «Салют», 38 американських космонавтів на 27 орбітальних кораблях; число ІСЗ(штучний супутник Землі), виведених на орбіти ін. країнами: 7 — Франція, 4 — Японія, 2 — КНР(Китайська Народна Республіка), 1 — Великобританія.

  Основоположником практичної До. є С. П. Королев. До 1957 під його керівництвом був створений ракетно-космічний комплекс, що дозволив запустити перший штучний супутник Землі, а потім був здійснений вивід на навколоземні орбіти ряду автоматично керованих космічних апаратів; до 1961 був відпрацьований і запущений космічний корабель «Схід», на якому зробив перший політ Ю. А. Гагарін. Королев керував розробкою автоматичних міжпланетних станцій для дослідження Луни (аж до «Луни-9», що зробила першу м'яку посадку на Луну), перших екземплярів космічних апаратів «Зонд» і «Венера», космічного корабля «Схід» (перший багатомісний корабель, з якого здійснений перший вихід людини в космічний простір) і т. д. Не обмежуючи свою діяльність створенням ракет-носіїв і космічних апаратів, Королев здійснював загальне технічне керівництво роботами по забезпеченню перших космічних програм. Важливий внесок у розвиток радянською ракетно-космічне техніка зроблений також конструкторськими бюро, очолюваними М. До. Янгелем, Р. Н. Бабакиним, А. М. Ісаєвим, С. А. Косбергом і ін. Під керівництвом В. П. Глушко (засновник і керівник ГДЛ — ОКБ) розроблені потужні ЖРД, встановлені на всіх радянських ракетах-носіях, що літали в космос (1957—73).

  Сучасна теорія космічних польотів заснована на небесній механіці і теорії управління рухом літальних апаратів. На відміну від класичної небесної механіки, новий напрям називається астродинамікою . До. зажадала розробки оптимальних траєкторій космічних літальних апаратів (вибір часу старту і вигляду траєкторії, виходячи з вимоги мінімальних витрат палива ракети-носія) з врахуванням еволюції цих траєкторій під дією обурюючих сил (особливо гравітаційних полів, ефекту аеродинамічного гальмування від взаємодії космічного апарату з розрідженими верхніми шарами атмосфери для штучних супутників планет і під дією сонячного тиску для міжпланетних перельотів). Вимога оптимальності приводить інколи до досить складних траєкторій — з тривалими перервами в роботі ракетних двигунів носія (наприклад, при старті до Луне, Марсу і Венері здійснюється виведення космічного апарату на траєкторію ІСЗ(штучний супутник Землі) і лише потім до планети) і з використанням гравітаційного поля небесних тіл (наприклад, при польоті до Луне з метою вигину траєкторії, необхідного для повернення до Землі без запуску ракетного двигуна).

  Важливий розділ астродинаміки — теорія корекцій траєкторій польоту. Відхилення фактичної траєкторії від розрахункової пов'язане з двома чинниками: спотворенням траєкторії обурюючими силами, які неможливо врахувати заздалегідь (наприклад, гальмування ІСЗ(штучний супутник Землі) атмосферою, щільність її змінюється нерегулярний), і неминучими при технічній реалізації малими помилками в швидкості і напрямі польоту космічного апарату у момент виключення двигунів носія (ефект помилок поступово наростає при міжпланетних польотах). Корекція полягає в короткочасному включенні ракетного двигуна для виправлення траєкторії. У теорії корекції розглядаються питання оптимальності коректувального маневру (наївигоднейшєє число, розташування точок корекцій на траєкторії і т. п.). Для виконання корекцій і маневрів необхідне знання фактичної траєкторії польоту космічного апарату. Якщо визначення фактичної орбіти виробляється на борту апарату, що летить, то воно є складовою частиною автономної навігації і складається з виміру кутів між зірками і планетами, відстаней до планет, часу заходу і сходу Сонця і зірок відносно краю планет і т. п. і обробки виміряних даних по методах небесної механіки на бортовій обчислювальній машині.

  Створення ракетно-космічних комплексів — складна науково-технічна проблема, Великі ракети-носії досягають стартової маси до 3000 т і мають довжину понад 100 м. Для розміщення в них необхідних запасів палива (90% повної маси) конструкція ракет має бути надзвичайно легкою, що досягається раціональними конструктивними рішеннями і розумним зниженням вимог до запасів міцності і жорсткості. У польоті, у міру витрачання палива, випорожнені частини баків стають зайвими, їх подальший розгін вимагає невиправданої витрати палива, і тому виявляється доцільним створювати багатоступінчасті конструкції носіїв (звичайні від 2 до 4 рівнів); рівні ракети відкидаються послідовно, по мірі спорожнення баків, Сучасна ракетою є складний комплекс пристроїв, з яких найбільш важливі рухова установка і система управління. Зазвичай застосовують хімічні рідинні ракетні двигуни, рідше на твердому паливі; двигуни, засновані на вжитку ядерної енергії, знаходяться (1973) ще в стадії експериментальних досліджень, проте, поза сумнівом, що використання в майбутніх космічних експедиціях ядерної енергетики сповна реально. Пілотовані польоти до Марсу з висадкою людини на його поверхню і ін. аналогічні космічні програми вимагають величезних енергетичних витрат, які можливо реалізувати лише при використанні ядерних джерел енергії спільно з хімічними. Потужність рухових установок ракет-носіїв вимірюється десятками млн. квт. Розробка потужних і економних ракетних ЖРД для носіїв направлена на вибір енергетично оптимальних палив і забезпечення вистачає повного спалювання їх в камері згорання при високому тиску і температурах. При цьому доводиться вирішувати важкі завдання охолоджування працюючого двигуна, створювати стійкість процесу горіння в нім палива і багато що ін.

  Рухові установки носіїв, як правило, складаються з декількох двигунів, синхронізація роботи яких ведеться системою управління. Системи управління рухом зазвичай автономні, тобто що працюють без втручання наземних пунктів. Вони складаються з гіроскопічних і ін. датчиків первинної інформації, що вимірюють миттєве кутове положення носія і прискорення, що діють на нього. Обчислювальна машина визначає за цією інформацією фактичну траєкторію і веде управління так, щоб до моменту виключення ракетних двигунів отримати потрібну комбінацію координат ракети і її вектора швидкості. Управління кутовим положенням носія ускладнюється малою жорсткістю його конструкції і великий долею рідких мас в нім. Тому воно ведеться з врахуванням вигинистих коливань корпусу і коливального руху рідких мас в баках.

  Готовність ракети-носія до пуску перевіряють на технічній позиції космодрому в монтажно-випробувальному корпусі, потім вона транспортується на стартовий майданчик, де встановлюється на пускову систему, проходіт передстартові випробування, заправку баків паливом і виробляється її пуск. Закінченням виведення космічного апарату на орбіту вважається перевищення першої космічної швидкості (близько 7,91 км/сек ) для ІСЗ(штучний супутник Землі) і досягнення швидкості порядку другою космічною (11,19 км/сек ) для апаратів, що летять до Луне, Марсу або Венері (для польоту до далеких планет або Сонця необхідно розвинути швидкість, другу космічну, що помітно перевищує). При цьому ракета відділяється від космічного літального апарату, що продовжує подальший орбітальний політ, що відбувається головним чином за інерцією, згідно із законами небесної механіки. Космічні літальні апарати, що виводяться на орбіти, можна розбити на 2 групи: для польоту поблизу Землі (ІСЗ) і в далекий космос, наприклад до Місяця або планет. Ці апарати можуть містити більш менш потужні ракетні рівні, якщо передбачається помітним чином змінювати швидкість польоту — для гальмування при підльоті до планети призначення, якщо необхідно перейти на орбіту штучного супутника планети, для м'якої посадки на планету, позбавлену атмосфери, для зльоту з неї і для розгону космічного апарату до швидкості, що забезпечує повернення до Землі. В майбутньому для розгону космічного літального апарату від першої космічної швидкості до вищих передбачається використання економічних електричних ракетних двигунів. Недоліком їх є мала тяга, внаслідок чого розгін від першої до другої космічної швидкості (або гальмування від другої до першої) може тривати декілька місяців. Для здобуття потрібної тяги необхідні потужні джерела електроенергії, що використовують ядерну енергію, що створює додаткові труднощі при створенні космічних апаратів у зв'язку з необхідністю захисту приладів, а на пілотованих апаратах і екіпажа від шкідливих випромінювань.

  Космічні апарати повинні володіти здібністю до тривалого самостійного функціонування в умовах космічного простору. Для цього необхідно мати на них ряд систем: систему, що підтримує заданий температурний режим; енергоживлення, що використовує для здобуття електричної енергії сонячне випромінювання (наприклад, сонячні батареї ) , паливо (наприклад, електрохімічні генератори струму) або ядерну енергію; систему зв'язку із Землею і космічними літальними апаратами, управління рухом і ін. Крім того, на борту встановлюється вельми всіляка наукова апаратура — від невеликих приладів для вивчення властивостей космічного простору до крупних телескопів. Ці прилади і системи об'єднуються системою управління бортовим комплексом, що погоджує їх роботу.

  Управління рухом зводиться до вирішення ряду завдань: управлінню орієнтацією космічного апарату, управлінню при корекції і роботі ракетних блоків при м'якій посадці і зльоті, при зближенні і ін. взаємному маневруванні космічних апаратів. Особливий випадок управління — спуск на поверхню планети, що має атмосферу. Розрізняють спуск в атмосфері з використанням її для гальмування швидкості польоту — некерований (балістичний) і керований. Останній характеризується високою точністю посадки в заданому районі і нижчими перевантаженнями при гальмуванні в атмосфері. Для захисту апарату, що спускається, від тепла, що виділяється при гальмуванні в атмосфері, застосовуються теплозахисні покриття.

  Для пілотованого космічного апарату (космічного корабля) виникає ряд додаткових медико-біологічних проблем. Космічний корабель повинен забезпечувати екіпажу захист від космічного середовища (вакуум, шкідливі випромінювання і т. п.) і мати систему життєзабезпечення. Ця система підтримує потрібний склад атмосфери усередині корабля, її температуру, вологість і тиск; при короткочасних польотах передбачаються запаси їжі, води і пр., при тривалих — виробництво харчових продуктів, регенерація води і кисню повинні відбуватися на борту. Політ в космосі пред'являє підвищені вимоги до людського організму (вплив невагомості, перевантажень при зльоті і посадці і ін.), тому необхідний медичний відбір космонавтів. Питання про допустимість тривалого перебування людини в умовах невагомості ще не вирішене.

  При спуску на поверхню небесних тіл повинні вирішуватися завдання установки наукової апаратури, виконання експериментів стаціонарними і мобільними автоматами, а надалі — здійснення експедицій і будівництво тимчасових або постійних баз для поселення космонавтів.

  Забезпечення польоту космічного літального апарату вимагає, як правило, широкої мережі наземних служб управління. По всій території Землі розташовані пункти космічному зв'язку, а там, де це неможливо, в океані, знаходяться обладнані кораблі (наприклад, кораблі «Юрій Гагарін» і «Космонавт Володимир Комаров»). При посадці космічного літального апарату на Землю включається в роботу служба порятунку і евакуації, в завдання якої входить відшукання апарату, що спускається, і його евакуація, а при пілотованих польотах і евакуація екіпажа, надання йому у випадку необхідності медичної допомоги, карантинні заходи (при поверненні екіпажів з небесних тіл) і т. п. Для спрощення пошуку апарату, що спускається, він забезпечується радіопередавачем, по сигналах якого рухаються судна, літаки і вертольоти служби порятунку і евакуації. Управління польотом від старту до посадки вимагає залучення великого числа різних служб. Організація взаємодії бортових систем управління і багаточисельних наземних служб виробляється технічним керівництвом польоту.

  Завдання освоєння космічного простору для потреб людства підрозділяються на 2 групи: наукові дослідження і практичне використання. Окрім непрямого впливу космічних досліджень на практичну діяльність людства через фундаментальні наукові відкриття, До. робить можливим безпосереднє використання космічних апаратів в народно-господарській практиці. ІСЗ(штучний супутник Землі), рухомі по високих орбітах і обладнані ретрансляторами, приймають сигнали з наземного пункту і після відповідного посилення цього сигналу повертають його на Землю, де він приймається пунктом, віддаленим від першого на тисячі км. Такі супутники зв'язку ретранслюють телепередачі, а також здійснюють телефонний і телеграфний зв'язок. У метеорології ІСЗ(штучний супутник Землі) застосовуються для здобуття карт розподілу хмарності, теплового випромінювання Землі, спостереження за рухом циклонів і т. п. Ця інформація безперервно передається в світові метеорологічні центри і використовується при складанні прогнозів погоди. Для морської і авіаційної навігаційної служби застосовуються ІСЗ(штучний супутник Землі), орбіти яких визначаються з високою точністю; під час сеансів радіозв'язку з кораблями і літаками вони передають їм свої поточні координати. Визначаючи положення відносно навігаційного супутника, будь-який об'єкт в змозі встановити свої координати.

  Все зростаючу роль грають ІСЗ(штучний супутник Землі) для розвідки природних ресурсів Землі і безперервного спостереження за їх станом. Фотографування поверхні Землі через різні світлофільтри і ін. методи дослідження дозволяють судити про розподіл рослинності, зміни снігового покриву, розлив річок, стан посівів і лісів, стежити за ходом польових робіт, оцінювати очікувану врожайність, реєструвати лісові пожежі і т. п. З супутників можна вести океанологічні і гідрологічні дослідження. Особливу цінність представляє використання супутників в геодезії і топографії — для точної взаємної прив'язки далеко розташованих пунктів і швидкого оновлення топографічних карт шляхом фотографувань з космосу, а також для складання опорних геодезичних мереж шляхом спостереження супутників (координати яких для кожної миті відомі) з різних пунктів, розташованих на Землі (див. Космічна геодезія ) . Специфічні особливості космічного польоту (невагомість, вакуум і т. п.) можуть бути використані для деяких особливо тонких технологічних процесів. В цьому випадку на ІСЗ(штучний супутник Землі) розташовуватимуться відповідні промислові установки, а транспортні космічні апарати забезпечуватимуть їх сировиною і доставляти на Землю продукцію, що виготовляється. Для вирішення завдань, що стоять перед До. у навколоземному просторі, потрібне значне число спеціалізованих автоматичних ІСЗ(штучний супутник Землі) (астрономічні, сонячні, геофизичні, геодезичні, метеорологічні, зв'язкові і т. п.), а також необхідні пілотовані довготривалі багатоцільові орбітальні станції. Зміна екіпажа у міру потреби здійснюватиметься транспортними космічними кораблями що регулярно пов'язують орбітальну станцію з космодромами.

  Найближча мета До. при вивченні Місяця і планет — здобуття нових наукових даних. Планується продовження вивчення Луни як автоматичними, так і пілотованими космічними літальними апаратами, потім організація на ній наукових баз. Польоти до Меркурія, Венери, Марса і Юпітера здійснюються автоматами, а в 80—90-і рр. 20 ст мисляться пілотовані польоти з висадкою людини на Марсе (тривалість експедиції близько 3 років). Вивчення далеких планет, виліт за межі Сонячної системи і польоти до Сонця тривалий час можливі лише для автоматів і характеризуються дуже великою тривалістю, що вимагає нового кроку в розвитку технології для створення апаратури виключно високої надійності. В майбутньому До. відкриє людству можливість освоєння матеріальних і енергетичних багатств Всесвітом.

  По своїй суті До. — область загальнолюдської діяльності, і, що проводиться навіть в національних рамках, вона зачіпає одночасно інтереси багатьох країн (див. Космічне право ) . Про основні події космічної ери див.(дивися) таблицю.

Основні події космічної ери4