Первые искусственные небесные тела
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67
68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84
85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101
102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118
119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135
136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152
153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169
170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186
Быть может, уже много тысяч лет назад, глядя на ночное небо, человек мечтал о полете к звездам. Мириады мерцающих ночных светил заставляли его уноситься мыслью в безбрежные дали Вселенной, будили воображение, заставляли задумываться над тайнами мироздания. Шли века, человек приобретал все большую власть над природой, но мечта о полете к звездам оставалась все такой же несбыточной, как и тысячи лет назад. Легенды и мифы всех народов полны рассказов о полете к Луне, Солнцу и звездам. Средства для такого полета, предлагавшиеся народной фантазией, были примитивны: колесница, влекомая орлами, крылья, прикрепленные к рукам человека.
В XVII в. появился фантастический рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полете на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он все время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка все выше поднималась над Землей, пока не достигла Луны. «Из пушки на Луну» отправились герои Жюля Верна. Известный английский писатель Герберт Уэллс описал фантастическое путешествие на Луну в снаряде, корпус которого был сделан из материала, не подверженного силе тяготения.
Предлагались разные средства для осуществления космического полета. Писатели-фантасты упоминали и ракеты. Однако эти ракеты были технически не обоснованной мечтой. Ученые за многие века не назвали единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть могучую силу земного притяжения и унестись в межпланетное пространство. Великая честь открыть людям дорогу к другим мирам выпала на долю нашего соотечественника К. Э. Циолковского.
Скромный калужский учитель сумел рассмотреть в известной всем пороховой ракете прообраз могучих космических кораблей будущего. Его идеи еще долго будут служить основой в освоении человеком космического пространства.
Много веков прошло с тех пор, как был изобретен порох и созданы первые ракеты, применявшиеся главным образом для увеселительных фейерверков в дни больших торжеств. Но только Циолковский показал, что единственный летательный аппарат, способный проникнуть за атмосферу и даже навсегда покинуть Землю,— это ракета.
В 1911 г. К. Э. Циолковский произнес свои вещие слова: «Человечество не останется вечно на земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство».
Сейчас мы становимся свидетелями того, как начинает сбываться это великое пророчество. Начало проникновению человека в космос было положено 4 октября 1957 г. В этот памятный день вышел на орбиту запущенный в Советском Союзе первый в истории человечества искусственный спутник Земли. Он весил 83,6 кГ. Прорвавшись сквозь земную атмосферу, первая космическая ласточка вынесла в околоземное пространство научные приборы и радиопередатчики. Они передали на Землю первую научную информацию о космическом пространстве, окружающем Землю.
Первый спутник начал обращаться вокруг Земли по эллиптической орбите. Крайние течки ее подъема — наибольшего (апогей) и наименьшего (перигей) — располагались соответственно на высоте 947 и 228 км. Наклон плоскости орбиты к экватору составлял 65°. Свой первый оборот спутник совершил за 1 час 36,2 минуты и делал за сутки немногим менее 15 оборотов.
Сравнительно низкое расположение перигея орбиты вызывало торможение спутника в разреженных слоях земной атмосферы и сокращало период его обращения на 2,94 секунды в сутки. Такое незначительное сокращение времени обращения говорит о том, что спутник снижался очень медленно, причем сначала уменьшалась максимальная высота его орбиты (апогей), а сама орбита постепенно приближалась к круговой.
Через 20 дней после запуска космический первенец умолк — иссякли батареи питания его передатчиков. Раскаляемый Солнцем и замерзающий в земной тени, он безмолвие кружился над пославшей его планетой, отражая солнечные лучи и импульсы радиолокаторов. Постепенно опускаясь, он просуществовал еще около двух с половиной месяцев и сгорел в нижних, более плотных слоях атмосферы.
Полет первого спутника позволил получить ценнейшие сведения. Тщательно изучив постепенное изменение орбиты за счет торможения в атмосфере, ученые смогли рассчитать плотность атмосферы на всех высотах, где пролетал спутник, и по этим данным более точно предусмотреть изменение орбит последующих спутников.
Определение точной траектории искусственного спутника позволило провести ряд геофизических исследований, уточнить форму Земли, точнее изучить ее сплюснутость, что дает возможность составлять более точные географические карты.
Отклонения действительной траектории спутника от вычисленной говорят о неравномерности поля земного тяготения, на которое влияет распределение масс внутри Земли и в земной коре. Таким образом, изучив движение спутника, ученые уточнили сведения о поле земного тяготения и о строении земной коры.
Такие вычисления делались и раньше на основании изучения движения Луны, но спутник, летящий на высоте всего нескольких сот километров над Землей, сильнее реагирует на ее поле тяготения, чем Луна, находящаяся от Земли на расстоянии почти 400 тыс. км.
Очень большое значение имело изучение прохождения радиоволн через ионосферу, т. е. через наэлектризованные верхние слои земной атмосферы. Радиоволны, посланные со спутника, как бы насквозь прощупывали ионосферу. Анализ этих результатов позволил существенно уточнить строение газовой оболочки Земли.
Второй советский спутник был выведен на более вытянутую орбиту 3 ноября 1957 г. Если ракета первого спутника позволила поднять его на 947 км (апогей), то ракета второго спутника была более мощной. При почти той же минимальной высоте подъема (перигей) апогей орбиты достиг 1671 км, и спутник весил значительно больше первого — 508,3 кГ.
Третий спутник поднялся еще выше — на 1880 км и был еще тяжелее. Он весил 1327 кГ.
Вслед за советскими спутниками вышли на свои орбиты американские спутники. Свою программу ракетных исследований по плану Международного геофизического года американцы начали практически осуществлять позже. Только 31 января 1958 г. после нескольких неудачных попыток американцам удалось вывести на орбиту свой первый искусственный спутник Земли «Эксплорер-1» («Исследова-тель-1»). Он весил 13,96 кГ и был оборудован аппаратурой для изучения космических лучей, микрометеоритов, а также для измерения температуры оболочки спутника и газа, заполнявшего его внутренний объем.
Следующий спутник американцев — «Авангард» весил 1,5 кГ. Он не имел на борту вообще никакой научной аппаратуры и был предназначен только для испытаний радиопередатчиков и солнечных батарей.
Оба эти американских спутника не могут идти ни в какое сравнение с первыми советскими спутниками. Позднее американцы вывели на орбиты несколько десятков спутников. Вес их колебался от нескольких десятков до нескольких сотен килограммов. С их помощью американским ученым удалось получить ряд важных данных о строении верхней атмосферы и околоземного пространства. Эти результаты могли бы быть более значительными, если бы все американские спутники направлялись с целью изучения космоса. Но при запуске многих из них преследовались военные цели.
С каждым годом растет число спутников, запущенных советскими и американскими учеными. Усложняется и становится более многообразной и научная аппаратура — в космос посылаются целые лаборатории. Орбиты спутников, как обручи, опоясали земной шар во всех направлениях — от экваториальных (параллельных экватору) до полярных (проходящих через полюсы Земли). Ученые кропотливо изучают поступающую со всех широт и высот научную информацию (сообщения от установленных на спутниках приборов).
2 января 1959 г. умчалась в сторону Луны и вышла на околосолнечную орбиту советская космическая ракета «Луна-1». Она стала спутником Солнца. На Западе ее назвали лунником. Запуском ее была прослежена вся толща околоземного космического пространства. За 34 часа полета ракета прошла 370 тыс. км, пересекла орбиту Луны и вышла в околосолнечное пространство. После этого еще около 30 часов велось наблюдение за ее полетом и принималась с установленных на ней приборов ценнейшая научная информация. Впервые приборы, посланные человеком, изучали космическое пространство на протяжении 500 тыс. км от Земли.
Сведения, полученные в этом полете, существенно дополнили наши сведения об одном из важнейших открытий первых лет космической эры — открытии околоземных поясов радиации (см. ниже). Кроме различных измерений, на протяжении 500 тыс. км полета велись наблюдения
В околоземное пространство был запущен первый в истории человечества искусственный спутник Земли.
Внешний вид первой автоматической межпланетной станции, запущенной в СССР.
Советский вымпел, посланный на Луну.
газового состава межпланетной среды, наблюдения метеоритов, космических лучей и др.
Не менее изумительным был полет второй советской космической ракеты «Луна-2», запущенной 12 сентября 1959 г. Приборный контейнер этой ракеты 14 сентября в 00 часов 02 минуты 24 секунды коснулся поверхности Луны! Впервые за всю историю аппарат, созданный руками человека, достиг другого небесного тела и доставил на безжизненную планету памятник великому подвигу советского народа — вымпел с изображением Герба СССР. «Луна-2» установила, что у Луны нет магнитного поля и поясов радиации в пределах точности приборов.
Не успела весть об этом событии как следует дойти до сознания людей, как наша страна поразила мир новым удивительным достижением: 4 октября 1959 г., в день второй годовщины запуска первого советского спутника Земли, в Советском Союзе была запущена третья космическая ракета — «Луна-3». Она отделила от себя автоматическую межпланетную станцию с приборами. Контейнер был направлен так, что, обогнув Луну, он вернулся обратно в район Земли. Установленная в нем аппаратура сфотографировала и передала на Землю изображение не видимой нами обратной стороны Луны.
Этот блестящий научный эксперимент интересен не только беспримерным фактом получения первой фотографии, сделанной в космосе, и передачи ее на Землю, но и осуществлением чрезвычайно интересной и сложной орбиты.
«Луна-3» должна была оказаться над обратной стороной Луны, а система ориентации должна была развернуть контейнер так, чтобы его фотоаппараты были направлены на Луну. Для этого по команде с Земли весь контейнер привели во вращение, и, когда в фотоэлементы, расположенные на нижнем днище контейнера, попали яркие лучи Солнца, вызванный ими в этих фотоэлементах ток послужил сигналом, по которому контейнер прекратил вращение и, остановившись, как завороженный, стал смотреть на Солнце. (От слабого отраженного света Земли и Луны фотоэлементы — датчики солнечной ориентации — сработать не могли.) Фотоаппараты и лунные датчики, расположенные на противоположном верхнем днище контейнера, оказались смотрящими в сторону Луны. В начале работы выбрали такое взаимное расположение Земли, Луны и Солнца, при котором Земля была в стороне от линии, соединяющей Луну и Солнце. Поэтому Земля — светило значительно более яркое, чем Луна,— не могла попасть в объективы датчиков лунной ориентации, так как находилась в другом секторе неба.
После того как освещенная Солнцем обратная сторона Луны оказалась в поле зрения лунных датчиков, солнечные датчики отключились, станция более точно «довернулась» по лунным датчикам и началось фотографирование.
Итак, при подлете контейнера к Луне требовалось, чтобы он, Луна и Солнце оказались на одной прямой. Кроме того, притяжение Луны должно было так искривить орбиту «Луны-3», чтобы она вернулась к Земле со стороны северного полушария, где расположены все советские наблюдательные станции.
Стартовав из северного полушария, «Луна-3» как бы поднырнула под Луну — прошла с ее южной стороны, — затем отклонилась вверх, полностью обогнув Луну, и вернулась к Земле, как и было рассчитано, со стороны северного полушария.
Автоматические устройства на борту контейнера в космосе проявили пленку и с помощью электронной техники по радио передали фотографии на Землю.
Фотографирование обратной стороны Луны представляет собой первый активный шаг в практике «внеземной» астрономии. Впервые изучение другого небесного тела велось не наблюдением с Земли, а непосредственно из космического пространства вблизи этого тела.
Наши астрономы получили уникальную фотографию обратной стороны Луны, по которой смогли составить атлас лунных гор и «морей». Названия, присвоенные открытым горным образованиям и равнинам, навечно утвердили славу родины первооткрывателей, пославших
чудесное автоматическое устройство — прообраз будущих космических обсерваторий.
Американским ученым после многих неудачных попыток также удалось получить серию снимков поверхности Луны. Ракета серии «Рейнджер» мчалась навстречу Луне и непрерывно вела телевизионную передачу изображений лунной поверхности. Фотографии изображений, переданных с минимальных расстояний (в последние мгновения, перед тем как космический аппарат разбился о поверхность Луны), позволяли различать детали размером около 50 м.
Прочно овладев техникой запуска автоматических аппаратов, советские ученые приступили к созданию космического корабля для полетов человека.
Десятки неразрешенных вопросов стояли перед наукой. Надо было создать во много раз более мощные ракеты-носители для выведения на орбиту космических кораблей, в несколько раз более тяжелых, чем самые тяжелые искусственные спутники, запущенные ранее. Нужно было сконструировать и построить летательные аппараты, не только полностью обеспечивающие безопасность космонавта на всех этапах полета, но и создающие необходимые условия для его жизни и работы. Необходимо было разработать целый комплекс специальной тренировки, который позволил бы организму будущих космонавтов заранее приспособиться к существованию в условиях перегрузок и невесомости. Надо было разрешить очень много и других вопросов.
Несмотря на всю сложность этой грандиозной проблемы, советская наука и техника блестяще справились с ее решением.
После ряда пробных запусков, когда места в кабине спутника занимали различные живые существа — от грибков и бактерий до известных всему миру Белки и Стрелки,— конструкция космического корабля со всеми его сложными системами выведения на орбиту, стабилизации полета и обратного спуска на Землю была полностью отработана.
В исторический день 12 апреля 1961 г. ушел
в космос корабль «Восток» с первым в истории человечества летчиком-космонавтом на борту Юрием Алексеевичем Гагариным. Облетев земной шар, он через 1 час 48 минут благополучно приземлился в заданном районе Советского Союза.
Слава о новом беспримерном подвиге советского народа в деле освоения космического пространства громовым эхом прокатилась по всему миру. Она вызвала радость и восхищение в сердцах наших друзей и зависть и злобу в стане наших врагов.
Прошло всего несколько месяцев, и 6 августа того же года стартовал космический корабль «Восток-2» с летчиком-космонавтом Германом Степановичем Титовым. «Восток-2» сделал 171/2 витков вокруг Земли и пробыл в космическом полете 25 часов 18 минут.
Тщательное изучение научных данных, полученных в этих двух полетах, позволило уже через год — в августе 1962 г.— сделать новый большой шаг вперед. Стартовавшие один за другим (с интервалом в одни сутки) космические корабли «Восток-3» и «Восток-4» с летчиками-космонавтами Андрияном Григорьевичем Николаевым и Павлом Романовичем Поповичем совершили первый групповой полет в космос.
«Восток-3» сделал более 64 оборотов вокруг Земли и находился в космическом полете 95 часов. «Восток-4» сделал более 48 оборотов и
Внешний вид космического корабля «Восток», выведенного на орбиту 12 апреля 1961 г..
Разрез земной атмосферы и высоты, достигнутые различными летательными аппаратами. До 12 км поднимаются обычные самолеты, до 16—29 км — специальные самолеты, до 30 км — стратостаты, до 40 км — шары-зонды, до 200—500 км — специальные исследовательские ракеты, от 250 км и выше пролегают орбита искусственных спутников Земли, автоматических межпланетных станций и космических ракет. На высоте 80—120 км светятся метеоры, 100— 1000 км — северные сияния, от 100 до 400 км высоты простирается ионосфера.
Первый космонавт Ю. А. Гагарин в кабине космического корабля.
Вид на поверхность Земли с орбиты космического корабля. Земля покрыта барашкообразными белыми облаками. Снимок сделан космонавтом Г. С. Титовым с космического корабля «Восток-2». На фото — автограф Г. С. Титова.
пробыл в космическом полете 71 час. Этот полет доказал, что разработанная нашими учеными система подготовки космонавтов позволяет им выработать такие физические качества, которые обеспечивают нормальную жизнедеятельность и полную работоспособность в условиях длительного космического полета. В этом состоял главный итог полета.
По сравнению с полетами наших космонавтов более чем скромными кажутся первые робкие прыжки в космос американских космонавтов Шепарда и Гриссома, один из которых чуть было не кончился трагично. По сравнению с полетами Ю. А. Гагарина и Г. С. Титова это были всего лишь «подпрыгивания» над нашей планетой.
По сообщению корреспондента газеты «Нью-Йорк Тайме» 15-минутный прыжок Аллана Шепарда был осуществлен с помощью ракеты, мощность которой составляла «всего лишь одну десятую мощности советской ракеты, а вес капсулы составлял лишь одну пятую веса кабины корабля «Восток».
Только 20 февраля 1962 г., после предварительных запусков по проекту «Меркурий» двухтонной кабины с роботом и обезьянами, американцам удалось осуществить первый космический полет Джона Гленна. Этот полет был совершен на космическом корабле «Френдшип-7» весом около полутора тонн. Джон Гленн совершил на своем корабле три витка вокруг Земли и опустился в Атлантический океан. Но его полет протекал не совсем благополучно.
Внешний вид автоматической межпланетной станции «Венера», запущенной в Советском Союзе 12 февраля 1961 г.
Внешний вид автоматической межпланетной станции «Марс-1», запущенной в СССР 1 ноября 1962 г.
Во время полета обнаружились неисправности в системах автоматического управления космическим ^кораблем, и после первого витка Гленну пришлось перейти на ручное управление. Отказала также на некоторое время система охлаждения, и в кабине сильно повысилась температура. На втором и третьем витках полет продолжался только благодаря энтузиазму, выдержке и мужеству космонавта.
Второй космический день Америки — 24 мая 1962 г.— был омрачен большими волнениями за судьбу второго космонавта — Малькольма Скотта Карпентера.
Полет Карпентера был еще более драматичным, чем полет Джона Гленна. Неполадки обнаружились опять в системе управления и терморегулирования кабины и скафандра. Космонавт приводнился в Атлантическом океане в 350 км от предполагаемого района посадки корабля. 20 морских кораблей и 70 самолетов и вертолетов в течение часа разыскивали отважного космонавта. Одна шведская газета назвала этот полет «космической драмой между жизнью и смертью».
Третий космический день Америки был 3 октября 1962 г. В этот день в США с мыса Кеннеди на полуострове Флорида стартовал двухтонный космический корабль-спутник «Сигма-7», пилотируемый летчиком-космонавтом Уолтером Ширрой.
Космический корабль сделал 6 витков вокруг Земли и благополучно приводнился в центральной части Тихого океана. Неисправности системы регулирования температуры внутри скафандра, омрачившие и этот полет, удалось быстро исправить непосредственно на орбите, и дальнейший полет продолжался благополучно.
Наряду с полетами космических кораблей в СССР и США были осуществлены и пробные запуски ракет к планетам. 12 февраля 1961 г. с борта искусственного спутника Земли в сторону Венеры стартовала советская автоматическая межпланетная станция «Венера». Вслед за ней к Венере была запущена американская автоматическая станция «Маринер-II».
1 ноября 1962 г. в сторону Марса стартовала советская космическая ракета «Марс-1». Ее орбита была самой протяженной по сравнению с орбитами всех предыдущих полетов космических аппаратов. Вытянувшись по эллипсу от Земли, она коснулась орбиты Марса. Семь с половиной месяцев длился полет только до встречи с Марсом: 500 млн. км прошел за это время «Марс-1».
На значительных расстояниях от Земли сократилось число регистрируемых микрометеоров. Они, по-видимому, концентрируются вблизи Земли, до 40 тыс. км от ее поверхности.
Так закончилась первая космическая пятилетка. Но космические события следуют с космической быстротой.
14 июня 1963 г. вышел на орбиту космический корабль «Восток-5» с летчиком-космонавтом Валерием Федоровичем Быковским, а вслед за ним корабль-спутник «Восток-6», пилотируемый первой в мире женщиной-космонавтом Валентиной Владимировной Терешковой. Пять суток пробыл в космосе Валерий Быковский, за 119 часов он 81 раз облетел Землю. Первая в мире женщина-космонавт пробыла в космосе 71 час и совершила 48 оборотов вокруг Земли. Своим полетом она убедительно доказала равные возможности женщины в таком трудном и сложном деле, каким является освоение космоса.
Новым этапом в исследовании необъятных просторов Вселенной явился запуск 12 октября 1964 г. в СССР трехместного корабля «Восход». Экипаж корабля состоял из трех человек: командира корабля инженер-полковника Владимира Михайловича Комарова, научного сотрудника кандидата технических наук Константина Петровича Феоктистова и врача Бориса Борисовича Егорова. Три специалиста разного профиля провели обширные исследования космоса. Корабль «Восход» существенно отличается от кораблей типа «Восток». Его орбита пролегала выше, космонавты впервые совершали полет без скафандров, а приземлились, не покидая кабину, которая системой «мягкой посадки» была плавно спущена и буквально мягко «поставлена» на поверхность Земли. Новая система телевидения передавала с борта корабля не только изображение космонавтов, но и картину наблюдений.
С каждым годом ширится фронт мирных исследований космического пространства. Вслед за спутниками, «жестко» привязанными к своим орбитам, в космос вышли аппараты, способные осуществлять достаточно широкое маневрирование.
Советские космические аппараты «Полет-1» и «Полет-2», маневрируя в космосе, переходили с орбиты на орбиту, меняя не только высоту, но и плоскость наклона орбиты. Это первые шаги на пути соединения, или, как говорят инженеры, стыковки, космических кораблей непосредственно в космосе, на орбите. Причаливая к кораблю, ракеты-заправщики смогут перегружать на него горючее и строительные детали. Из конструкций, доставленных на орбиту, космонавты смонтируют сначала космические лаборатории, а потом, наверное, и целые научные города...
Мирным целям успешно служат и некоторые американские спутники. С помощью метеорологических спутников американцам удалось заблаговременно предупредить население о приближении нескольких тайфунов — сильнейших разрушительных ураганов, очень часто проносящихся над Америкой.
Спутники «Телестар-1» и «Телестар-2» успешно перекинули телевизионный «мост» между Европой и Америкой, ретранслируя из Америки в Европу телевизионные программы.
Проведен первый международный космический эксперимент: радиоволны, посланные из английской обсерватории Джоурелл Бенк, отразившись от огромного надутого металлизированного шара — американского спутника «Эхо-2»,— были приняты в Советском Союзе под Горьким, в Зименках. Были переданы радиотелеграммы, фототелеграммы и радиотелефонный разговор.
30 января 1964 г. в СССР был произведен запуск интереснейших спутников — «Электрон-1» и «Электрон-2». С одной ракеты были запущены сразу два спутника, один на более высокую, другой на более низкую орбиту.
Ценность такого запуска заключается в том, что одновременные измерения на разных высотах позволят лучше исследовать пространственную структуру поясов радиации и их изменение во времени. Запущенные через полюсы «Электрон-3» и «Электрон-4» продолжили одновременно комплексное исследование верхних слоев атмосферы.
После неудачных попыток в выведении тяжелых кораблей-спутников американцам в 1964 г. удалось запустить два многотонных спутника. Это первые удачные запуски по рассчитанной на многие годы программе, которая предусматривает вначале облет, а затем и высадку космонавтов на Луне.
Тем же задачам посвящены и продолжающиеся в СССР исследования окололунного пространства. Очередная станция «Луна-4» прошла в непосредственной близости от нашего естественного спутника. Непрерывно ведется изучение и дальнего космоса. 2 апреля 1964 г. отправилась в глубины космоса очередная советская автоматическая станция «Зонд-1». Ее задача прозондировать многие миллионы километров околосолнечного пространства и передать на Землю научную информацию. Покорение космоса продолжается.
Законы движения искусственных небесных тел
В конце XVII столетия Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения — основной закон, которому подчиняется движение всех небесных тел (см. стр. 38). В свободном орбитальном полете, т. е. в полете по своей орбите без двигателей, космические ракеты и спутники полностью подчиняются законам небесной механики1, поэтому теория движения искусственных небесных тел — по существу новый раздел небесной механики — играет огромную роль в освоении космического пространства.
Вспомним, как движется брошенное тело под действием сил земного притяжения. Законы «бросания» тел изучает баллистика — наука, название которой напоминает о грозном когда-то военном метательном орудии — баллисте. Одна из основных задач баллистики заключается в том, чтобы найти такой угол наклона ствола орудия, при котором, при прочих равных условиях, дальность выброшенного орудием снаряда будет наибольшей.
Задача создателей космических ракет куда сложнее — они должны так бросить свой снаряд, чтобы он не упал обратно на Землю, а вышел на точно определенную космическую орбиту.
Всем нам по опыту известно, как ведет себя брошенный камень — он всегда падает на Землю под действием притяжения Земли. Ну а если бросать не камень, а выстрелить из пушки снарядом? Если ствол пушки установлен вертикально, то и снаряд будет двигаться вверх вдоль земного радиуса, и чем больше скорость, с которой снаряд покидал ствол пушки, тем выше он поднимется над Землей. Когда вся энергия, полученная снарядом при выстреле, будет израсходована на преодоление земного тяготения, снаряд остановится и начнет падать обратно.
Но можно сделать и так, что снаряд не упадет на Землю. Важно знать, как его бросить!
Давайте проследим за полетом снаряда, выброшенного из орудия, ствол которого расположен наклонно к линии горизонта.
Небесная механика утверждает, что под действием тяготения одно тело описывает относительно другого одну из трех кривых — эллипс, параболу или гиперболу. Так, например, все планеты обращаются вокруг Солнца по эллипсам, причем само Солнце располагается в одном из фокусов эллиптической орбиты планеты. Так же и в системе «Земля — снаряд» центр Земли будет всегда в одном из фокусов эллипса, по которому движется снаряд. Поэтому если выстрелить наклонно, то чем больше будет увеличиваться скорость, тем все дальше и дальше будет падать снаряд. Чем больше будет его скорость, тем больший эллипс он опишет в пространстве, но на обратном пути к точке бросания он обязательно должен пройти «сквозь Землю», так как может двигаться только по эллиптической траектории, часть которой, как видно из рисунка, всегда проходит «внутри Земли». Итак, наклонный выстрел мало что даст — снаряд в любом случае должен пройти «сквозь Землю». Попробуем теперь установить наше орудие на горе и стрелять горизонтально (для простоты мы не будем учитывать влияние земной атмосферы и вращение Земли). При небольших скоростях снаряды «по эллипсу» будут падать на Землю. Но чем больше скорость, тем
больше эллипс будет приближаться к окружности с центром в центре Земли. При скорости, которую принято называть первой космической или круговой, снаряд уже не упадет на Землю, а, если мы успеем убрать орудие, пролетит с той же скоростью через точку выстрела и будет бесконечно обращаться вокруг Земли по круговой орбите, т. е. станет искусственным спутником Земли.
Первая космическая скорость у поверхности Земли составляет примерно 7,9 км/сек. Такую огромную скорость не может сообщить снаряду ни одна пушка — это под силу только ракетам.
Дальнейшее увеличение скорости будет вытягивать окружность в эллипсы, с той только разницей, что второй фокус каждого эллипса будет перемещаться все дальше и дальше от центра Земли в сторону, противоположную точке бросания, или точке старта.
При скорости 11 км/сек ракета удалится на расстояние больше половины пути до Луны, а при скорости 11,1 км/сек обогнет Луну и снова вернется к Земле.
При дальнейшем увеличении скорости до 11,2 км/сек эллиптическая орбита «разорвется» и превратится в разомкнутую кривую — параболу, по которой ракета навсегда покинет Землю. Скорость 11,2 км/сек называется второй космической скоростью, или скоростью отрыва, или, наконец, параболической скоростью.
Ракета или снаряд, получившие такую скорость на поверхности Земли, покинет ее навсегда как при вертикальном, так и при наклонном или горизонтальном полете. При такой скорости в любом случае орбита не будет эллипсом.
Если еще больше увеличить скорость, ракета полетит уже по гиперболе, причем чем выше скорость, тем больше будет «раскрываться» гипербола. Но, превысив вторую космическую скорость и преодолев земное притяжение, ракета останется в солнечной системе. Она превратится в спутника Солнца — искусственную планету — и будет обращаться вокруг него по эллиптической орбите.
Первым таким спутником Солнца стала советская космическая ракета ,«Луна-1», стартовавшая 2 января 1959 г. по направлению к Луне. Ракета удалилась от Земли по гиперболической орбите, так как превысила вторую космическую скорость. Но через 5—6 дней она вышла из зоны действия земного тяготения, и ее полет всецело стал определяться притяжением Солнца. Скорость, которой обладала ракета, была недостаточной, чтобы совсем преодолеть притяжение Солнца, и ракета стала по эллипсу обращаться вокруг этого раскаленного светила.
Какие же основные закономерности характеризуют движение тел но эллиптическим орбитам? Ответ на этот вопрос также дает небесная механика.
Наблюдения астрономов за движениями планет дали возможность австрийскому ученому Иоганну Кеплеру в начале XVII в. сформулировать три закона движения тел в солнечной системе еще до открытия закона тяготения.
Первый из них утверждает, что каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. Из второго закона вытекает, что планеты движутся по своим эллиптическим орбитам неравномерно: при приближении к Солнцу — быстрее, при удалении от него — медленнее. Так движутся и спутники вокруг Земли. Приближаясь к Земле, они как бы разгоняются, а наименьшую скорость имеют в самой дальней от Земли точке орбиты — апогее. И наконец, третий закон устанавливает связь между периодом (временем) обращения планеты вокруг Солнца и средним расстоянием от него.
Законы Кеплера являются следствием более общего закона природы — закона всемирного тяготения, который составляет основу небесной механики. Они позволяют полностью определить картину движения планеты.
Простейшая задача небесной механики называется «задачей двух тел». Что же требуется решить в этой задаче? А вот что. Если известны массы двух тел, их скорости в какой-то момент времени, а также взаимное расположение, то нужно найти положение этих двух тел в пространстве в любой момент времени, т. е. рас-
Планеты могут двигаться только по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. По своим орбитам небесные тела движутся неравномерно. Размеры стрелок на рисунке пропорциональны скорости движения (v1>v2>v3).
Только пустив ракету параллельно земной поверхности, можно вывести ее на орбиту и сделать спутником Земли.
считать, как будут двигаться два таких тела в пространстве.
Ньютон решил эту задачу. Он математически доказал, что если любое тело (не обязательно Солнце) считать неподвижным, то другое тело под действием их взаимного тяготения, в зависимости от начальных условий задачи (масс, скоростей и расположения), будет двигаться относительно его по эллипсу (или окружности), параболе или гиперболе.
В солнечной системе, например, взаимное притяжение планет ничтожно мало по сравнению с притяжением их Солнцем, поэтому можно считать, конечно, только приблизительно, что любое тело солнечной системы притягивается только Солнцем и движется по эллипсу. Небольшие отклонения в движении планет от движения точно соответствующего законам Кеплера, конечно, есть, но учесть их чрезвычайно трудно.
Масса любой ракеты ничтожно мала по сравнению с Землей и Луной (или Солнцем). И это позволяет произвести достаточно точный расчет ее орбиты.
Как выглядят орбиты спутников, можно представить себе на примерах возможных трасс полетов в район Луны (см. стр. 163). Из одного примера видно, что посланная в район Луны ракета притянется ею, обогнет Луну и снова вернется к Земле, описав в пространстве замысловатую восьмерку. Для такой траектории необходимо, чтобы, во-первых, ракета прошла на определенном, достаточно близком расстоянии от Луны и, во-вторых, в момент сближения с Луной обладала вполне определенной, сравнительно малой скоростью. Примерно такой вид имела орбита космической ракеты «Луна-3», сфотографировавшей обратную сторону Луны. По-видимому так могут выглядеть орбиты и при полетах к другим планетам. Но если приближаться, например, к Марсу или Венере на «почтительное» расстояние, где сила притяжения планеты сказывается еще незначительно, то орбиты будут представлять собой эллипсы, размеры которых определяются скоростью при взлете с Земли.
Для полета на Марс, как и на любую другую планету, наиболее выгодной является эллиптическая траектория, касательная к орбите планеты. В этом случае скорость отлета с Земли минимальна (11,6 км/сек), минимальна и скорость, с которой ракета подойдет к Марсу (5,7 км/сек). Последнее немаловажно в случае посадки на Марс, так как меньше будет израсходовано топлива для торможения двигателями ракеты. Но за экономию топлива приходится платить временем. Такой полет будет длиться 259 суток, т. е. 81/2 месяцев. Если сократить срок полета до 5 месяцев, то необходимо будет развить скорость отлета с Земли до 14,3 км/сек, а при 4 месяцах полета начальная скорость должна составлять 15,9 км/сек. По кратчайшей траектории полет продлился бы 85 суток, но разогнать корабль нужно было бы до скорости 39 км /сек.
Для полета космонавтов придется выбирать другие траектории: ведь в этом случае важно не только пролететь мимо Марса, но и вернуться обратно на Землю! Трудность состоит в том, что, когда ракета вернется в точку старта, Земли там уже не будет — она уйдет на значительное расстояние по своей орбите. Удобнее всего было бы задержаться на Марсе или на орбите возле Марса, выждать опять наиболее благоприятное взаимное расположение планет и тогда стартовать обратно к Земле.
Уже рассчитано много подобных траекторий. Можно облететь Марс за 2 года. Для этого потребуется начальная скорость 12,3 км/сек, а если стартовать так, как стартуют советские космические ракеты,— с тяжелого спутника, то всего 4,3 км/сек. Если стартовать со спутника со скоростью 8,2 км/сек под значительным углом к орбите Земли, то срок облета можно сократить до одного года.
Интересно отметить, что проще всего совершить полет по касательному эллипсу в сторону Марса, когда планета находится дальше всего от Земли. Если в таком же полете увеличить скорость на 3,2%, то продолжительность полета сократится на 42%, т. е. незначительное увеличение скорости даст большой выигрыш во времени. Эта замечательная особенность будет заметнее всего ощущаться тогда, когда ракеты будут обретать все большие и большие скорости. Не менее неожиданные особенности у «внутренних» маршрутов — при полетах к Венере и Меркурию. Действительно, по наивыгоднейшей касательной эллиптической траектории полет к более близкой Венере будет длиться дольше, чем к Меркурию!
Странно, не правда ли — наивыгоднейшая траектория, а к более далекому Меркурию она доводит ракеты быстрее!
На «внутренних» трассах проявляется еще одна интересная особенность — чем меньше скорость ракеты, тем быстрее она достигает цели. В самом деле, чтобы с орбиты Земли приблизиться к Солнцу, нужно взлететь против движения Земли, чем погасить ее орбитальную скорость. Если погасить ее полностью, то скорость ракеты относительно Солнца будет равна нулю, и она по наикратчайшему пути будет падать на Солнце, затратив на свой путь минимальное время. А чем больше скорость относительно Солнца, тем более «окольным» путем движется ракета и тем дольше она в пути.
Траектория полета с Земли на Марс.
Будущие астронавты смогут выбирать многочисленные интересные орбиты, когда за один полет можно «убить несколько зайцев». Существует, например, возможность за один год (а это важно, чтобы при возвращении застать Землю на «ее месте») облететь вокруг Солнца и за этот полет пролететь как мимо Марса, так и мимо Венеры. Такое удачное расположение планет бывает, конечно, далеко не каждый год — по расчетам, такой момент наступит только в 1971 г. Кто знает, может быть, удастся использовать этот редкий случай, и автоматическая станция за свой полет передаст на Землю фоторепортаж с двух наших ближайших планет-соседок.
А теперь несколько примеров для любителей математики. Каждому, очевидно, интересно знать, почему нужно сообщить телу скорость именно 8 км/сек, чтобы оно стало спутником Земли? Почему при скорости 11,2 км /сек ракета может вырваться из оков земного тяготения?
Посмотрим, как рассчитываются эти скорости.
Мы уже говорили, что основой небесной механики является закон Ньютона. Математически он выражается так: F=-f(m1m2)/r2
где m1 и m2 — массы двух тел, r — расстояние между ними, f — коэффициент пропорциональности, называемый обычно ньютоновской гравитационной постоянной. Знак «минус» показывает, что сила тяготения стремится уменьшить расстояние между телами.
Для случаев, когда одно тело (ракета) имеет массу m2, пренебрежимо малую по сравнению с массой m1 центрального тела (Земли, Солнца), принято вводить коэффициент К =m1•f, тогда F=-Кm2/r2. Для Земли этот коэффициент поля тяготения равен КЗ=3,9•105 км3/сек2, для Солнца КС=132,3•109 км31сек2.
Чтобы ракета стала искусственным спутником Земли и могла, не снижаясь, обращаться вокруг Земли по круговой орбите, необходимо
приравнять центробежную силу F1=m2v2/r
силе притяжения F, тогда
сократив обе части равенства на m2/r, получим:
Подставив значение К, равное КЗ, и радиуса Земли r=6371 км, получим величину круговой скорости, при которой тело будет удерживаться на круговой околоземной орбите:
Если мы подставим вместо К значение КЗ, а вместо r расстояние от Земли до Солнца (принятое здесь за 149 900 000 км), то получим скорость, с которой Земля должна вращаться вокруг Солнца, чтобы удержаться на своей орбите:
Именно с такой скоростью наша Земля движется вокруг Солнца.
Первая космическая скорость, точнее ее теоретическое значение, рассчитана нами для высоты полета над Землей, равной нулю, т. е. у поверхности Земли.
При высоте полета, например, h = 500 км в формулу вместо r придется подставить r=r0+h (где r0 — радиус Земли). В этом случае Vкр = 7,61 км/сек.
При увеличении высоты орбиты скорость движения постепенно убывает, стремясь в бесконечности к нулю. На высоте 384 тыс. км, т. е. на орбите Луны, Vкр »1 км/сек. Это и есть скорость движения Луны на ее орбите вокруг Земли.
Но для того чтобы запустить искусственный спутник, нужно затратить на подъем какую-то энергию и, кроме того, сообщить ему необходимую круговую скорость. Хотя круговая скорость с высотой уменьшается, энергия, затрачиваемая на подъем, растет. Поэтому общий расход энергии на подъем и разгон ракеты с высотой растет. Этот расход энергии принято характеризовать так называемой характеристической скоростью VX. Определяется она следующей формулой:
где Vкр0 — круговая скорость у поверхности Земли, r0 — радиус Земли, r — расстояние от центра Земли до орбиты искусственного спутника Земли.
Минимальное значение VX принимает при r =r0. Тогда VX=Vкр0, так как никаких затрат энергии на подъем не требуется. Максимальное — при r=¥ (бесконечности).
8 этом случае VX=11,2 км /сек, т. е.. тело, получившее такую скорость у поверхности Земли, удалится от нее на бесконечно большое расстояние — навсегда покинет Землю.
Это и есть вторая космическая скорость — скорость отрыва.
В реальных условиях требуются еще дополнительные затраты энергии на преодоление сопротивления воздуха и на преодоление силы земного тяготения в период работы двигателя. Это несколько увеличивает значение характеристической скорости. Если для подъема спутника на 200 км требуется VX»8 км/сек, то в реальных условиях необходимо около
9 км/сек. Эта последняя величина и определяет практически затрату энергии, необходимой для запуска «простейшего» искусственного спутника Земли.
Изучение околосолнечного пространства
Задачи, которые стоят перед исследователями космического пространства, чрезвычайно разнообразны, и исследования в космосе ведут не только астрономы. Их ведут и геофизики, и биологи, и физики, и инженеры различных отраслей техники.
Астрономов интересуют состав межпланетного газа, магнитные поля других планет, метеорное вещество. Они изучают планеты солнечной системы, их магнитные поля, состав атмосферы, детали поверхности и т. п.
Радиоастрономы изучают космическое радиоизлучение во всех диапазонах радиоволн и уже сейчас пытаются уловить на фоне космических шумов сигналы от разумных существ других миров.
Запросы геофизиков более скромны. Их интересует сама Земля, ее внешние оболочки: атмосфера, ионосфера и магнитосфера — магнитное поле Земли и пояса радиации, связанные с ним.
Радиационные пояса в неменьшей степени волнуют и биологов — полеты людей и создание будущих космических станций-спутников не могут проводиться без учета влияния радиации. Защита от нее — одна из серьезнейших проблем космонавтики.
Сложнейшие эксперименты проводят на спутниках физики. Они изучают таинственные космические лучи и тщательно исследуют излучение Солнца.
Особенное значение для всех исследований имеет создание тяжелых спутников-платформ, о необходимости которых говорил еще Циолковский. Запущенные на орбиты за пределами земной атмосферы, они будут практически вечно обращаться вокруг Земли. К этим постоянным спутникам-платформам, а в дальнейшем, может быть, и спутникам-городам (!) смогут пришвартовываться для дозаправки топливом космические корабли, стартующие к другим планетам.
Возможность пополнения топливных запасов и старт с движущегося спутника увеличивают радиус действия, грузоподъемность и возможности маневров в космосе.
На тяжелых спутниках смогут долгое время «гостить» ученые и вести с них исследования космоса. Создание таких спутников открывает особые перспективы для астрономов. Разместив на спутниках телескопы большой мощности, они смогут получать особенно четкие изображения небесных тел и деталей их поверхности. В космосе резко возрастет разрешающая способность телескопа, потому что вся толща земной атмосферы с ее пылью и водяными парами останется внизу. Спадет, так сказать, туманная пелена, веками застилавшая объективы телескопов.
Изучение и освоение космоса обогащают не только астрономию, но и другие науки. Спутники открывают широкие возможности для решения чисто технических задач. С помощью спутников можно создать радионавигационные системы, охватывающие всю нашу планету. Метеорологи смогут наблюдать за движением облачных масс, за возникновением и движением циклонов и бурь сразу на всем земном шаре. И, наконец, с помощью спутников уже сейчас начала решаться задача создания сети всемирного телевизионного вещания.
За пределами тропосферы
Первые сведения о составе верхних слоев атмосферы Земли, ее плотности и других характеристиках были получены косвенными методами: наблюдениями за свечением ночного неба, полярными сияниями, серебристыми облаками, вспышками метеоров и другими явлениями, происходящими в верхних слоях воздушной оболочки Земли.
Затем появились методы зондирования, «прощупывания» атмосферы радиоволнами. Пронизывая атмосферу, радиоволны по-разному отражаются от различных ее слоев и, возвращаясь обратно в виде слабого радиоэха, позволяют по степени отражения их судить о плотности, составе и электрических свойствах верхних слоев атмосферы.
Развитие ракетной техники дало в руки ученых новое мощное средство для научных исследований. Высотные ракеты позволили поднимать различные физические приборы непосредственно в верхние слои атмосферы и проводить измерения, так сказать, «на месте».
Величины, измеренные «на небе», приборы запоминают и записывают, а потом с помощью так называемой системы радиотелеметрии передают на Землю.
Исследования верхних слоев атмосферы при помощи ракет, систематически проводимые советскими учеными, дали ценные научные результаты. Но все же ракеты приносят довольно ограниченные сведения. Дело в том, что, поднимаясь вертикально вверх, ракета позволяет как бы осуществить вертикальный разрез атмосферы. По существу измеряются данные об атмосфере только над одной точкой земного шара и за очень небольшой отрезок времени, так как ракета находится в полете всего несколько минут. А свойства верхних слоев атмосферы сильно изменяются в зависимости от широты и долготы места, от времени суток и года, поэтому одновременно охватить измерениями весь земной шар можно только при помощи искусственных спутников Земли.
С помощью спутников удалось особенно подробно исследовать ионосферу — слой сильно ионизованного воздуха, окружающего нашу планету на высоте от 70—80 до 400—500 км. До запуска спутников свойства ионосферы изучались по отражениям и преломлениям радиоволн, посылаемых с Земли. Направление радиоволн со спутников в ионосферу позволило глубже и точнее исследовать ее свойства.
Много интересных сведений дали также физические приборы, непосредственно измеряющие концентрацию заряженных частиц (электронов и положительных ионов). Оказалось, что ионосфера простирается значительно выше, чем предполагалось ранее. До последнего времени считалось, что концентрация электронов на высотах более 300—400 км быстро падает. Однако непосредственные измерения, проведенные на спутниках, показали, что даже на высотах порядка 800—1000 км концентрация электронов очень велика и только в 10 раз меньше наибольшей концентрации, наблюдаемой на высоте 300 км. Столь существенное уточнение данных о слоях ионосферы, лежащих выше слоя с максимальной концентрацией, объясняется тем, что эта область недоступна для наблюдений наземными средствами радиозондирования и сведения о ней могли принести только спутники и космические ракеты.
Результаты ракетных исследований ионосферы полностью подтвердили, что состояние этого слоя атмосферы всецело определяется солнечной активностью — излучением Солнца. Ионосфера как бы «дышит» в такт с горячим дыханием Солнца. Вспышки на Солнце выбрасывают потоки корпускул — частиц солнечной материи, которые, достигая газовой оболочки Земли, непрерывно изменяют ее электрические характеристики. Не только корпускулярное, но и коротковолновое излучение Солнца непрерывно воздействует на ионосферу. На освещенной Солнцем половине земного шара состояние ионосферы иное, чем на теневой.
Исследования, проведенные на спутниках, принесли ученым много неожиданностей. Например, плотность воздуха на высоте полета спутников оказалась в несколько раз большей, чем ожидалось. На высоте 266 км она примерно в 10 млрд. раз меньше, чем у поверхности Земли, но дальше плотность уменьшается сравнительно медленно.
Прежде условно считали, что на высоте 1 тыс. км земная атмосфера переходит в межпланетный газ, а теперь, после проведенных исследований, ученые смогли установить, что эта граница значительно выше и достигает 2,5—3 тыс. км.
Спутники и ракеты обнаружили, что верхние слои атмосферы такие же неспокойные, как и нижние,— там также дуют ветры, причем с огромными скоростями.
Вся толща атмосферы не только неспокойна, но и неоднородна. На высотах до 100 км атмосфера хорошо «перемешана» и ее состав примерно такой же, как у земной поверхности. Выше происходит расслоение — доля легких газов с высотой увеличивается. Кроме того, оказалось, что, начиная с высоты 100 км, молекулы кислорода распадаются на атомы и выше 150 км кислород встречается только в атомарном состоянии. А с высоты 250 км и выше атмосфера состоит в основном из атомов азота и кислорода.
С помощью спутников ученые узнали много нового о температуре верхних слоев газовой оболочки Земли. Было замечено, что в изменении температуры и плотности атмосферы имеется та же повторяемость, что и у различных видов солнечной деятельности. Особенно сильны воздействия Солнца на атмосферу в годы максимумов солнечной активности. Очень показателен в этом смысле пример с длительностью существования третьего советского искусственного спутника Земли. Спутник продержался на орбите на полгода дольше, чем было рассчитано. Оказалось, что причина этого не в ошибках расчета, а в том, что использовались данные о плотности верхних слоев атмосферы за 1957—1958 гг., когда был максимум солнечной активности. В 1959 и в начале 1960 г. солнечная активность снизилась, уменьшилась плотность атмосферы и сопротивление ее движению спутника; естественно, увеличился и срок жизни спутника.