Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

A tantárgy célja az űrmérnök szak hallgatói számára szükséges alapozó fizikai ismeretek átadása, összefoglalása, és az alapvető fizikai számítások készségszintű elsajátítása. A tárgyban két fő terület jelenik meg: a bolygómozgás és űreszközök pályaszámításához szükséges mechanikai ismeretek alapjai, és az űrkörnyezet megismerésének alapjait jelentő sugárzás- és plazmafizikai alapismeretek. A tárgy a Világegyetem alapvető felépítésével kapcsolatos ismereteink vázlatos összefoglalásával indul, majd az űr megismerésének alapvető méréstechnikai alapjait ismerteti. Ez után a Naprendszerre fókuszálva és a mechanika alapjaitól felépítve alkalmazható tudást nyújt alapvető égi mechanikai számítások és speciálisan az űreszközök irányításával kapcsolatos számítások kivitelezéséhez. Az űreszközök működési környezetét átvezetésül használva az űrre jellemző sugárzásos és anyagi környezet fizikai alapjait mutatja be. Ennek hangsúlyos részét képezi a plazmafizikai alapok elsajátítása egészen a magnetohidrodinamika alapjainak megértéséig. A plazmafizikai fogalmak tárgyalásához kapcsolódóan az űreszközök tervezése szempontjából releváns fizikai fogalmak is átismétlésre kerülnek, mint az anyagok mágnesezhetősége, a hőtranszportfolyamatok és a dózisfogalmak. A tárgy elősegíti, hogy a hallgatók a képzés során később elhangzó speciális szakmai ismereteket egy egységes rendszerbe tudják foglalni, és alapvető számításokat el tudjanak végezni.

1. A Világegyetem felépítése
A Világegyetem szerkezeti felépítése és kialakulásának mai elmélete: Ősrobbanás, táguló világegyetem, Hubble-törvény, vöröseltolódás, kozmikus háttérsugárzás, részecskefizikai korszakok, atomok kialakulása, csillagok és galaxisok létrejötte és fejlődése, bolygók, fekete lyukak, kémiai elemek keletkezése. Sötét anyag és sötét energia.

2. A Világegyetem megismerésének eszközei
Sugárzások és sugárforrások az űrben. A kozmosz kutatásának eszközei: távcsövek, rádió- és röntgencsillagászat, műholdas és űrszondás megfigyelések (Hubble, Chandra, Voyager, New Horizons, NuSTAR, Planck), földi megfigyelő eszközök és módszerek (Auger-, Cserenkov, IceCube, Solar neutrínó kísérletek). Meteoritok, holdi és marsi kőzetek elemzése, annak eszközei. A kozmikus sugárzás földi észlelése.

3. A Föld helye a Világegyetemben
Az univerzum, a Tejútrendszer, a Naprendszer, a Föld űrrepülés szempontjából történő bemutatása, Föld alakja, légköre.

4. Koordinátarendszerek
Inerciarendszerek, forgó koordináta-rendszerek, Galilei-transzformáció, speciális relativitáselmélet, tömeg-energia ekvivalencia, Lorentz-transzformáció, időmérés.
Általános relativitás elve, a gravitáció hatása a tér görbületére, a gravitáció hatása az idő mérésére

5. Koordinátarendszerek alkalmazása
Példák koordinátarendszerek használatára, koordináta-transzformációk.

6. A mechanika alapjai
Tömegpontok és szilárd testek és folyadékok mechanikájának alapjai. Rakétamozgás kinematikája, pozíció, orientáció, sebességkomponensek.

7. Pályák
Kepleri pályák, kéttest probléma, pályaháborgások alapjai. Jellegzetes Föld körüli pályák. Többtestprobléma alapjai, kaotikus pályák, kezdeti feltételekre érzékenység.

8. Számítások tömegpontokkal
Hajítások, rakétamozgás, bolygó pályák.

9. Forgómozgás
Tehetetlenség, főtengelyek, erőmentes pörgettyű, precesszió, nutáció.

10. Forgómozgás számítások
Gyorsuló forgómozgás, pörgettyűk.

11. Űreszközök irányítása
Űreszközök irányítása a tömegközépponthoz viszonyítva: tájolás, stabilizálás, giroszkópok. Űrrandevú létrehozása hagyományos és alacsony tolóerejű manőverekkel, űreszközök kötelékben.

12. Űreszközök üzemi körülményei
Az űreszközök indítási és űrbeli fizikai környezete. Röviden az indításkor fellépő statikus és dinamikus terhelésekről. Súlytalanság, vákuum, légellenállás, atomos oxigén hatása az űreszközökre. Űridőjárás. Meteorok és űrszemét.

13. Részecskék és sugárzások
Űrkörnyezet: részecskék és sugárzások. Töltött részecsék mozgása elektromos és mágneses terekben

14. Elektromos és mágneses terek
Elektromos és mágneses terek keltése töltött részecskék által, Maxwell-egyenletek.
Anyagok elektromos és mágneses jellemzői, diamágnesség, paramágnesség, ferromágnesség.

15. Példák töltött részecskék mozgására elektromos és mágneses terekben
Mozgásegyenlet, Larmor-pálya, mágneses tükrök, driftmozgások

16. A plazma jellemzői (óra elmaradása esetén összevonható az előző előadással)
A plazma jellemzői, Debye-árnyékolás, plazmaparaméter, előfordulása, jellemző paraméterei.

17. Elemi folyamatok és egyensúlyi jellemzők
Elemi atomfizikai folyamatok plazmákban, az elektromágneses sugárzás keletkezési mechanizmusai, hőtranszport folyamatok, részleges és teljes termodinamikai egyensúly, korona-egyensúly.

18. Számolások elemi folyamatokkal
Reakcióráták, rátaegyenletek, hőtranszport vákuumban

19. Magnetohidrodinamika
Kinetikus és folyadék elméletek, ideális és rezisztív magnetohidrodinamika alkalmazásokkal, napkitörés, napszél, a Föld magnetoszférája, sugárzási tér földközelben, dózisfogalmak.

20. Magnetohirodinamikai alkalmazások (óra elmaradása esetén elhagyható)
MHD generátor, mágneses tér befagyása a plazmába

A szorgalmi időszakban:

Az előadásokra esetenként önállóan kell anyagokat feldolgozni, ami az előképzettségtől függően különböző időráfordítást igényelhet. Ezeket az órai munka során interaktív módon feldolgozzuk.
A gyakorlatokra az első alkalom kivételével kis házi feladatot kell készíteni.
A félév során a mechanika témakörből egy nagy zárthelyi dolgozat lesz a témakör lezárása után, és a félév végén szintén nagy zárthelyi dolgozat lesz a félév teljes anyagából.