Помоги проекту - поделись книгой:
На этих высотах воздух так разрежен, что о поверхность ракеты каждое мгновение будет ударяться только сравнительно небольшое число молекул, а ведь именно эти удары и повышают температуру оболочки ракеты. В то же время оболочка ракеты будет терять много тепла из-за его излучения в окружающее пространство. Вследствие этого на таких больших высотах никакой «жары», конечно, нет, и температура поверхности ракеты будет там даже ниже, чем на меньших высотах, если только она не накаляется лучами Солнца. В этом случае ее температура может превышать 100°.
Наши знания о верхних слоях атмосферы все время обогащаются. Немалую роль в этом играют изобретенные советским ученым П. А. Молчановым воздушные шары — радиозонды, первый полет которых был осуществлен в 1930 году. Все большее значение приобретают предложенные еще Циолковским высотные метеорологические ракеты. Ценные сведения наука уже сумела получить с помощью первых искусственных спутников Земли и в результате полета советской космической ракеты.
Было время, когда думали, что в стратосфере вовсе нет ветров и царит мертвый штиль. Оказалось, что это не так. В стратосфере дуют ветры со скоростью 300–400, а на больших высотах — даже до 1500 километров в час. Эти ветры, неспособные пошевелить даже волосы на голове — так там разрежен воздух, — отличаются исключительным постоянством: они почти всегда дуют на восток. Раньше считали также, что стратосфера не оказывает никакого влияния на земную погоду, — это тоже оказалось ошибочным.
Стратосфера простирается до высоты примерно 70–80 километров и содержит в себе почти все оставшееся количество воздуха, то есть 20 процентов. Вся атмосфера, лежащая выше стратосферы на многие сотни километров в высоту, заключает в себе менее 0,5 процента общего количества воздуха в атмосфере.
Совершенно особую, исключительно важную роль в нашей жизни играет первая половина стратосферы благодаря тому, что она содержит в большом количестве озон.[29] Молекулы озона, состоящие из трех атомов кислорода, поглощают коротковолновое (так называемое жесткое) ультрафиолетовое излучение Солнца. Этот слой озона является фильтром, защищающим нас от опасных, неослабленных солнечных лучей.
На больших высотах, начиная примерно с 70 километров, атмосфера состоит в основном не из обычных молекул воздуха, а из ионов, то есть молекул и атомов, имеющих электрический заряд. Поэтому верхние слои атмосферы называют обычно ионосферой. Ионы появляются на этих высотах главным образом под действием ультрафиолетовых лучей Солнца, отрывающих от обычных молекул воздуха электроны. Действием ультрафиолетового излучения объясняется и повышение температуры воздуха с высотой, а также то, что на очень больших высотах молекул кислорода и азота уже нет: они распадаются на атомы. По существу, земная атмосфера — это огромный электрохимический завод: в его цехах, то есть в разных слоях атмосферы, происходят сложные процессы образования различных веществ с использованием энергии Солнца.
Слои ионосферы, расположенные на различных высотах, обладают неодинаковыми свойствами, в частности электромагнитными, и потому, например, по-разному влияют на распространение радиоволн. Так называемый
Наличие земной атмосферы усложняет проблему межпланетного полета. Это связано главным образом с сопротивлением, которое оказывает воздух передвигающемуся в нем телу. Из-за него для совершения межпланетного полета понадобится затратить большую энергию, чем это необходимо для сообщения межпланетному кораблю скорости отрыва. Это равносильно необходимости сообщить кораблю какую-то дополнительную скорость, которая будет зависеть от скорости полета корабля в атмосфере — она тем меньше, чем меньше эта скорость, — а также от формы корабля и траектории полета. Для оценки величины дополнительной скорости можно принять, что она не будет превышать 1 километр в секунду, то есть около 10 процентов от скорости отрыва. Но гораздо более серьезные неприятности будет причинять атмосфера межпланетному кораблю в связи с его нагревом при полете в воздухе с большой скоростью. Ни конструктор, ни командир межпланетного корабля не имеют права ни на минуту забывать об этой опасности, которая может стать роковой.
Однако атмосфера может сослужить и хорошую службу межпланетному кораблю, — нужно лишь умело использовать ее свойства.
Так, например, при посадке на Землю торможение в атмосфере будет гасить скорость межпланетного корабля без затраты на это топлива, а при взлете может оказаться выгодным использование воздушно-реактивных двигателей, расходующих гораздо меньше топлива, чем ракетные.
Несколько неожиданные, может быть, перспективы использования свойств атмосферы на службе астронавтике (впрочем, это в такой же мере касается и авиации) открывают результаты недавних опытов, проведенных в США. Эти опыты подтвердили высказывавшиеся ранее некоторыми учеными предположения о том, что происходящая в верхних слоях атмосферы диссоциация, то есть распад, молекул воздуха на атомы, под действием солнечного излучения открывает принципиальные возможности использования запасенной в атмосфере в результате этого процесса солнечной энергии. Действительно, если диссоциация молекул происходит с затратой больших количеств энергии, излучаемой Солнцем, то при обратном процессе воссоединения, или, как говорят, рекомбинации атомов в молекулы, эта энергия может быть выделена вновь. Такая рекомбинация, вероятно, идет в природе естественным путем, вызывая известное явление свечения ночного неба. Но эта реакция оказывается очень медленной. Ускорить ее можно было бы с помощью какого-нибудь катализатора, как это часто делается в химии. Но как забросить такой катализатор на высоту в десятки километров? Вот тут-то ученые и обратились за помощью к ракетной технике.
В 1956 году в США были осуществлены запуски высотных ракет, на которых находилось некоторое количество химического вещества, могущего служить катализатором для ускорения реакции воссоединения атомов кислорода в молекулы. Вначале таким веществом служила окись азота, в последующих опытах — пар металлического натрия. В обоих случаях выпущенный из ракеты на большой высоте катализатор действительно вызывал бурную реакцию рекомбинации, о которой можно было судить по яркому свечению ночного неба. Интересно, что рекомбинация атомов атмосферных газов может происходить и непосредственно на поверхности летящей ракеты. Такое свечение и наблюдалось при движении ракеты на высотах 150–200 километров в темную безлунную ночь — в иных условиях его увидеть нельзя, так оно слабо. Кстати сказать, в 1957 году удалось получить, тоже с помощью натрия, свечение атмосферы и на значительно меньших высотах, порядка 25–27 километров. Здесь свечение было результатом реакции с участием озона, количество которого на этих высотах максимально.
Так человек впервые заимствовал небольшую толику из того колоссального склада энергии, каким являются верхние слои атмосферы. Высказываются разные предположения о возможностях практического использования этого эффекта, начиная от увеличения надежности радиосвязи за счет отражения радиолучей от создаваемых таким образом ионизированных облаков и кончая освещением больших территорий ночью.
Но, конечно, едва ли не прежде всего может оказаться заинтересованной в использовании нового источника энергии реактивная техника. Ведь если удастся осуществлять процесс рекомбинации атомарных атмосферных газов внутри реактивных двигателей так же, как это предполагается делать с атомарным водородом и другими атомарными топливами, о чем говорилось в главе 8, то перед авиацией и реактивной техникой откроются совершенно фантастические возможности. Достаточно будет забраться на нужную высоту, чтобы совершать затем сколь угодно длительный полет на этой высоте, не расходуя ни капли топлива — ведь океан солнечной энергии, накопленной в верхних слоях атмосферы, неисчерпаем!
Понятно, какое значение это могло бы иметь и для астронавтики. На высотах порядка 100 километров корабль может лететь практически с любой скоростью, не опасаясь нагрева, крайне опасного на меньшей высоте. Поэтому достаточно было бы поднять корабль при старте на необходимую высоту, и далее весь необходимый разгон мог бы осуществляться за счет «даровой» энергии атмосферы! Точно так же можно было бы осуществлять и торможение при посадке. Конечно, пока еще это только смелое предположение, не более.[31] Но кто знает, может быть, именно так и будут взлетать и садиться космические корабли будущего?
Судя по сказанному, мы еще далеко не все знаем о земной атмосфере, но, во всяком случае, уже достаточно много, для того чтобы уверенно направить межпланетный корабль через атмосферу к далекой цели и наилучшим образом использовать свойства атмосферы для межпланетных сообщений.
Глава 10
В ПРЕДДВЕРИИ МИРОВОГО ПРОСТРАНСТВА
Мечтая о завоевании людьми мирового пространства и разрабатывая планы этого завоевания, Циолковский намечал постепенные этапы решения этой небывалой задачи. Он понимал, что только шаг за шагом — по мере совершенствования реактивной техники, увеличения наших знаний о мировом пространстве, расширения научной и экспериментальной базы астронавтики — может вестись штурм мирового пространства. Сначала всё более высотные полеты в атмосфере, затем прыжки за атмосферу, в преддверие мирового пространства; все более глубокая разведка этого пространства, полеты вокруг Луны, посадка на Луну; потом полеты вокруг планет, посадка на них, постепенное освоение мирового пространства — вот очевидные вехи на пути к осуществлению заветной мечты человечества.
Прошло полвека с того времени, как Циолковский начал набрасывать схему сражения за мировое пространство. Эти десятилетия не пропали даром. Сам Циолковский был свидетелем только первых, робких шагов по намеченному им пути: первых теоретических работ по астронавтике, первых попыток изобретателей-энтузиастов создать жидкостные ракетные двигатели, первых запусков таких ракет. После смерти Циолковского, и в особенности за последнее десятилетие, началось бурное развитие реактивной техники, являющейся технической основой астронавтики. Это позволило достичь серьезных успехов в борьбе за скорость полета, позволило начать тот штурм мирового пространства, о котором мечтал Циолковский.
Каких же успехов в этом штурме уже удалось добиться с помощью реактивной техники?
Современные реактивные самолеты свободно летают в стратосфере со сверхзвуковыми скоростями.
14 июля 1959 года советский летчик В. Ильюшин на самолете Т-431 с двумя турбореактивными двигателями установил новый мировой рекорд высоты полета — 28 852 метра. 31 октября 1959 года другой советский летчик — Г. Мосолов на самолете Е-66 с одним турбореактивным двигателем установил новый мировой рекорд скорости полета: он пролетел базу, то есть мерный участок пути в 15–25 километров, на высоте 13 500 метров со средней скоростью 2388 километров в час, а в одном из заходов достиг скорости 2504 километра в час!
Еще большие высоты и скорости полета достигнуты с помощью экспериментальных ракетных самолетов с жидкостными ракетными двигателями. Так как запаса топлива на подобных самолетах хватает только на несколько минут полета (жидкостные ракетные двигатели расходуют очень много топлива), то часто эти самолеты поднимают на большую высоту с помощью тяжелых самолетов-носителей. Легкий и небольшой ракетный самолет обычно подвешивается под таким носителем и освобождается от него, переходя на самостоятельный полет, лишь на большой высоте. Благодаря этому экономится топливо, которое в ином случае пришлось бы израсходовать на взлет и набор высоты (не правда ли, это похоже на составную ракету).
В подобных полетах удавалось достигать таких высот и скоростей полета, которые, вероятно, являются рекордными для полета человека. Так, по данным печати, в США была достигнута скорость полета порядка 3500 километров в час и высота примерно 38 километров. Летчик в этих случаях находился в условиях, очень напоминающих полет в мировом пространстве. Конечно, кабина такого самолета, как и других высотных самолетов, в том числе и пассажирских, сделана герметичной. Это значит, что она полностью изолирована от окружающей атмосферы, в ней поддерживается давление, близкое к давлению атмосферы на уровне моря, обеспечивается нужная температура и влажность воздуха, снабжение кислородом и удаление продуктов дыхания, то есть так называемое кондиционирование воздуха. Значит, и в этом отношении летчик подобного самолета находился в условиях, очень похожих на условия полета в межпланетном корабле.
Однако достижения реактивной авиации вовсе не исчерпывают успехов, достигнутых современной техникой в штурме мирового пространства. Реактивная техника позволила осуществить полет, правда пока еще без человека, на таких скоростях и высотах, которые оставляют далеко позади рекорды ракетных самолетов. Этот полет осуществлен с помощью тяжелых, управляемых в полете ракет. Именно такие ракеты ведут в настоящее время успешный штурм мирового пространства, намеченный Циолковским.
Уже ракеты, применявшиеся во время минувшей войны в качестве сверхдальнобойных снарядов, достигали высот до 100 километров и скорости полета до 5500 километров в час. После окончания войны подобные же ракеты стали применяться для высотных полетов с различными исследовательскими целями, чаще всего геофизическими и метеорологическими, то есть интересующими науку об атмосфере и службу погоды.
Неудивительно, что в таких полетах ракеты залетали на еще большие высоты. Ведь в этих случаях ракета летит только вверх, да и взрывчатку не приходится с собой возить. Кроме того, время шло — и ракеты, как и их двигатели, становились более совершенными. Эти стратосферные исследовательские ракеты достигали высот 150, 200 и даже 250 километров, то есть забирались далеко в ионосферу. А в рекордном полете мощной советской геофизической ракеты, осуществленном 21 февраля 1958 года, была достигнута высота 473 километра! Вес только одной научной аппаратуры на этой ракете составлял 1520 килограммов.
С помощью приборов, установленных на ракетах, удалось получить много новых научных сведений самого различного характера, в том числе и данные исключительной ценности. Ведь это пока единственный способ, с помощью которого ученый может поднять свои приборы на огромную высоту, вынести их, по существу, за пределы атмосферы, в непосредственное соседство с мировым пространством, а затем получить эти приборы обратно.
Представляют интерес фотоснимки Земли, сделанные с большой высоты (более 200 километров) с помощью фотоаппаратов, установленных на ракетах. Конечно, на этих снимках Земля наша не похожа на ту Землю, которую мы видим не только из окна железнодорожного вагона, но даже из окна высоко летящего самолета. Никаких деталей земной поверхности на снимках разглядеть нельзя, зато на них много другого, очень интересного. Ведь фотоаппарату удается зафиксировать территорию протяженностью до 5 тысяч километров, а это открывает совершенно новые возможности в отношении картографирования, изучения движения облаков и проч. Кстати сказать, на таких снимках уже совершенно отчетливо заметна шарообразная форма Земли. Рекордные достижения современной реактивной техники в отношении высоты и скорости полета удалось получить путем использования идеи Циолковского о составных ракетах, или «ракетных поездах». Для рекордных полетов вначале была использована двухступенчатая ракета. Первая, задняя, ступень представляла собой примерно такую же тяжелую ракету, которая была описана выше, в главе 6. Передняя ракета (меньшая) была установлена на задней вместо ее боевой головки и весила примерно полтонны. Когда двигатель задней ракеты останавливался из-за выработки всего топлива, запасенного на этой ракете, она отделялась от передней. В то же мгновение автоматически запускался двигатель передней ракеты, и она продолжала свой вертикальный взлет. Понятно, что передняя ракета залетала выше и приобретала большую скорость, чем одна большая задняя ракета. Таким способом еще в 1949 году была достигнута высота примерно 400 километров[32] и скорость полета около 8300 километров в час, то есть приблизительно 2,3 километра в секунду.
Однако эти рекордные достижения двухступенчатых ракет намного превзойдены даже новейшими одноступенчатыми ракетами, как это указывалось выше, и в особенности, конечно, многоступенчатыми ракетами. Так, с помощью многоступенчатых ракет неоднократно достигались высоты, превосходящие 1000 километров, и скорости более 5 километров в секунду. Еще значительнее результаты, достигнутые при запуске с помощью многоступенчатых ракет первых искусственных спутников Земли. При этом скорость ракет превысила 8 километров в секунду и высота достигла примерно 1900 километров, а при запуске одного из миниатюрных американских спутников — даже около 4000 километров. При неудачных запусках ракет на Луну, произведенных в США в конце 1958 года, ракеты залетали на расстояние примерно 120 000 километров от Земли. Но, конечно, рекордным во всех отношениях является замечательный полет советской многоступенчатой космической ракеты, запущенной 2 января 1959 года. Ведь скорость этой ракеты превысила скорость отрыва, то есть 11,2 километра в секунду, и ракета удалилась в глубины Космоса на расстояния в миллионы километров от Земли, на которую никогда более не возвратится.[33]
Достигнутые успехи в развитии тяжелых высотных ракет открывают совершенно новые возможности в области сверхскоростных дальних перелетов на Земле. Для этого нужно снабдить ракету крыльями.
Идея крылатой ракеты принадлежит Цандеру. Он предложил снабжать ракету крыльями, подъемная сила которых могла бы быть использована как при взлете, так и при посадке космического корабля.
Уже простое добавление крыльев к ракете, описанной в главе 6, может существенно увеличить дальность ее полета. Эта ракета залетала на расстояние около 300 километров, причем ее полет длился примерно 5 минут. Такая же, но крылатая ракета совершала бы втрое более продолжительный полет, до 15 минут, и залетала бы почти вдвое дальше, на расстояние 550–560 километров. Вот какую роль играет подъемная сила крыла!
Если же сочетать идею Цандера о крылатой ракете с предложенной Циолковским идеей ракетного поезда, то это может дать замечательные результаты. Представим себе простейший ракетный поезд, состоящий из двух ракет: задней — обычной, бескрылой, и передней — крылатой. Если передняя ступень — это все та же, уже известная нам дальняя ракета, но только с крыльями, то задняя, бескрылая, ракета должна быть гораздо больше по размерам и ее двигатель должен обладать, естественно, большей тягой. По одному из подобных проектов тяга задней ракеты должна составлять примерно 180 тонн, общий вес поезда при взлете — почти 100 тонн (из них около ⅔ — топливо), длина поезда — более 30 метров.
В зависимости от назначения будет изменяться и характер полета такого поезда. Сначала задняя ракета уносит весь поезд на высоту примерно 25 километров, на которой двигатель этой ракеты останавливается из-за выработки всего топлива, и она автоматически отделяется, опускаясь с помощью парашюта на землю. Теперь вторая ракета может лететь на этой постоянной высоте в горизонтальном полете со скоростью 2600 километров в час, пока и ее двигатель не выработает всего топлива. В этом случае общая продолжительность полета составит примерно 70 минут, в течение которых ракета покроет расстояние около 2500 километров. Значит, за час с небольшим — из Москвы в Караганду!
Оказывается, можно значительно увеличить дальность этого полета и вместе с тем сократить его продолжительность. Гораздо дальше, но… гораздо быстрее! Звучит парадоксально, однако это строгий научный расчет, основанный на использовании замечательных свойств несущего крыла и особенностей земной атмосферы. Если после отделения задней ракеты передняя продолжает вертикальный взлет, то она в состоянии достичь высоты около 300 километров, а затем совершить пологий планирующий полет с использованием подъемной силы крыла. Общая дальность такого полета составит около 5000 километров, при продолжительности всего в 45 минут. За ¾ часа из Москвы до Якутска! Скорость полета при этом будет большей, чем когда-либо достигнутая человеком, — до 12 тысяч километров в час (3⅓ километра в секунду).
Исследования показали, что сочетание огромной скорости полета с подъемной силой крыла позволяет осуществить и гораздо более эффективный полет. Современный уровень развития реактивной техники дает принципиальные возможности создания сверхдальнего ракетного самолета, способного совершить беспосадочный кругосветный перелет за очень короткое время.[34]
Создание сверхдальнего ракетного самолета возможно только благодаря тому, что жидкостный ракетный двигатель в состоянии обеспечить огромную высоту и скорость полета. Ведь такой двигатель работает считанные минуты, в течение которых он расходует все топливо, запасенное на самолете. Конечно, за эти несколько минут полета с работающим двигателем самолет не в состоянии совершить дальний полет. Однако мощный жидкостный ракетный двигатель заносит самолет на большую высоту и сообщает ему огромную скорость. Планирующий полет самолета с остановленным двигателем, совершенный с этой высоты, может быть очень продолжительным и дальним.
Кругосветный полет самолета с жидкостным ракетным двигателем можно представить себе следующим образом. Мощный двигатель за несколько минут своей работы забрасывает самолет на высоту 300–400 километров и сообщает ему скорость не менее 4 километров в секунду, то есть примерно 14 тысяч километров в час. Для этого, правда, двигатель должен работать на новых, более совершенных топливах, обеспечивающих большую скорость истечения газов, чем в настоящее время.
Двигатель работает только в течение первых минут полета, затем он останавливается и во всем остальном полете не расходует ни капли топлива. Самолет летит вперед за счет накопленной при разгоне кинетической энергии. В этом отношении такой полет очень напоминает полет в мировом пространстве.
С огромной высоты самолет начинает пологий планирующий полет вокруг Земли. На первый взгляд кажется, что ни о каком планировании на таких больших высотах не может быть и речи. Ведь при планировании вес самолета должен быть лишь немногим больше подъемной силы его крыла, а на высотах в сотни километров подъемная сила крыла практически отсутствует просто потому, что там и воздух почти отсутствует. Значит, самолет будет не постепенно снижаться, а камнем падать с той высоты, на которую его забросит двигатель.
Это верно — самолет будет падать камнем. И он, конечно, очень скоро упал бы, если бы был неподвижен. Однако, падая камнем на Землю, самолет вместе с тем с огромной скоростью мчится вокруг нее. Это не изменило бы дела, если бы Земля была плоской. Но она — шар, и это приводит к тому, что, непрерывно падая на Землю, самолет, летящий вокруг нее с огромной скоростью, успевает пролететь большое расстояние — 6000–7000 километров. Но мало этого: когда самолет, снижаясь таким образом, врывается в нижние, более плотные, слои атмосферы, то вступает в действие подъемная сила его крыльев. Он как бы отражается от этих плотных слоев атмосферы, рикошетирует, как плоский камень от поверхности воды, и снова взмывает вверх. Прежней высоты он, естественно, не достигает, так как скорость его уже уменьшилась, но все же он снова может забраться на высоту 200 и более километров.
Совершая такие, как бы постепенно затухающие волнообразные движения с заключительным пологим планированием в плотных слоях атмосферы, самолет способен, как показывают расчеты, совершить посадку на том же аэродроме, откуда он взлетел. Весь такой кругосветный полет займет не более нескольких часов, причем самолету не придется даже разворачиваться, чтобы сесть против ветра, как это обычно делается, — он будет садиться в том же направлении, в каком и взлетел.
Поистине замечательные результаты дает сочетание огромной начальной скорости разгона, этой характерной черты полета всякого снаряда (то есть так называемого баллистического полета), с подъемной силой крыла, являющейся основой аэродинамики.
Но, оказывается, баллистика вовсе не нуждается для совершения дальних полетов в помощи аэродинамики. И бескрылая ракета может совершить полет практически любой дальности, и даже за гораздо более короткое время, чем крылатая ракета. Но для этого она должна обладать еще большей начальной скоростью: эта увеличенная скорость разгона — плата за отсутствие помогающей подъемной силы.
При совершении баллистического полета ракета во время разгона получает большую начальную скорость и оказывается в состоянии вырваться за пределы плотной атмосферы. Летя с огромной скоростью там, где практически отсутствует всякое лобовое сопротивление, ракета может покрыть колоссальные расстояния. Если, например, ее начальная скорость в момент выключения двигателя равна 5 километрам в секунду, то ракета может пролететь свыше 3000 километров за 14–15 минут, забравшись при этом на огромную высоту. Конечно, подобная ракета должна иметь очень большие размеры, несравненно большие, чем размеры ракетных снарядов, которыми вели огонь «катюши». Когда такие ракеты устанавливаются в вертикальное положение, они оказываются иной раз в уровень с крышей довольно-таки высокого здания! Но еще более замечателен полет боевой ракеты, созданной пока только в Советском Союзе и являющейся венцом боевой ракетной техники. Речь идет о межконтинентальной баллистической ракете. Как показывает само название этой ракеты, она в состоянии совершить сверхдальний полет, полет с континента на континент через разделяющие их океаны, на расстояния в 8000 километров и даже более. Такая ракета приобретает к моменту остановки двигателя скорость 6–7 километров в секунду и забирается на огромную высоту, более тысячи километров. Оттуда она может точно попасть в заданную цель — любую цель на земном шаре.
Но, конечно, такие сверхдальние ракеты могут использоваться не только в военных целях. Вот так же, вероятно, будут совершаться в будущем и курьерские перелеты через океаны и континенты. Какой-нибудь прославленный московский тенор сможет при желании вылететь утром, например, в Нью-Йорк, через час после вылета уже петь перед американскими зрителями, благо там будет как раз вечер, и вечером того же дня снова выступать на сцене Большого театра.
Дальнейшее, сравнительно небольшое увеличение начальной скорости ракеты сможет заставить ее совершить кругосветный полет с посадкой на месте старта.
А если еще увеличить скорость?
Глава 11
ИСКУССТВЕННЫЙ СПУТНИК ЕСТЬ!
Ты слышал, быть может, что скоро Луна,
Которая по небу бродит одна,
Обзаведется сестрою,
Ей люди сестренку построят.
И эту игрушечную Луну
Как мячик с Земли зашвырнут в вышину:
Пускай днем и ночью с подругой
Гуляет по звездному кругу.
Если при достаточно большой начальной скорости ракета способна облететь вокруг Земли с посадкой на месте старта, то при еще большей скорости она сможет, вероятно, облететь вокруг Земли дважды, трижды…
А нельзя ли заставить ее обращаться вокруг Земли бесконечно долго? Ведь обращаются же так Луна вокруг Земли и Земля вокруг Солнца? Вероятно, можно создать с помощью подобной ракеты и «искусственную Луну», искусственный спутник Земли?
Конечно. Однако для этого должны быть выполнены определенные условия.
Прежде всего, ракета должна летать вокруг Земли на очень большой высоте, чтобы сопротивление воздуха практически не сказывалось на скорости полета, не уменьшало ее. Ведь двигатель ракеты в таком полете работать не должен, за исключением начального периода разгона, в противном случае полет этот очень быстро закончится из-за выработки всего топлива, запасенного на ракете. Если бы Луна совершала свой полет вокруг Земли в атмосфере, то мы бы не только давно лишились очарования лунных ночей, но и сама Земля, вероятно, уже давно перестала бы существовать в результате катастрофы при неизбежном падении Луны на Землю.
Конечно, идеальным был бы полет в мировом пространстве, на расстоянии в тысячи и десятки тысяч километров от Земли. Однако необходимости в таком углублении в мировое пространство нет. Даже и на гораздо меньших высотах полет становится уже вполне возможным. Траектория полета в верхних слоях атмосферы будет, конечно, не круговой, а спиральной, с постепенным снижением, вызываемым сопротивлением воздуха, но снижение это будет небольшим — тем меньшим, чем больше высота полета.
Практически можно считать, что ракета, летящая вокруг Земли на высоте примерно 200 километров, будет описывать почти точный круг. Может быть, лишь время от времени — раз в 2–3 дня — придется включать на короткое время двигатель, чтобы восстановить высоту. Итак, первое условие — высота полета не меньше 200 километров.[35]
Второе очевидное условие — это достаточная скорость полета. Легко видеть, что скорость должна быть строго определенной: если она уменьшится, ракета начнет, терять высоту; если увеличится, ракета будет удаляться от Земли. Чему же равна так называемая круговая (иногда ее называют циркуляционной, или первой космической) скорость, при которой высота полета над Землей будет оставаться постоянной?
Оказывается, круговая скорость равна примерно 7,91 километра в секунду.[36] Вот с какой скоростью должна мчаться ракета, чтобы она бесконечно долго обращалась вокруг Земли с остановленным двигателем, превратившись в искусственного спутника Земли.
Итак, при скорости 7,91 километра в секунду ракета станет спутником Земли, а при скорости отрыва, равной 11,2 километра в секунду, навсегда покинет ее. Что же произойдет с ракетой, имеющей скорость больше круговой, но меньше скорости отрыва — например, 9 или 10 километров в секунду? При такой скорости она тоже станет спутником Земли и будет бесконечно обращаться вокруг нее. Но только обращаться она будет не по круговой орбите, а по эллиптической, тем более вытянутой, чем ближе скорость ракеты к скорости отрыва.
Наконец, существует еще одно — третье — условие для того, чтобы ракета стала спутником Земли. Свой полет вокруг Земли такая ракета должна совершать в плоскости большого круга, то есть в одной из плоскостей, проходящих через центр земного шара.
Понятно, что чем выше летит ракета над Землей, тем с меньшей круговой скоростью она должна лететь, ибо при этом она все медленнее падает на Землю. Если бы ракета летела на таком же расстоянии от Земли, на каком находится от нее Луна, то ее скорость равнялась бы скорости движения Луны вокруг Земли, то есть примерно 1 километру в секунду.[37]
Легко подсчитать, за сколько времени ракета, летящая с круговой скоростью, совершит один оборот вокруг Земли, то есть каков будет период обращения вокруг Земли этого нового спутника.
Так, например, при полете у самой Земли период его обращения будет равен примерно 5070 секундам, или 1 часу 24 минутам. Меньше чем за 1½ часа вокруг света!
С увеличением высоты полета период обращения будет увеличиваться. На высоте, равной земному радиусу, то есть 6378 километрам, период обращения будет равен уже примерно 14 200 секундам, или почти 4 часам.
Очень интересной оказывается такая высота полета, на которой период обращения ракеты вокруг Земли будет в точности равен 24 часам, то есть периоду одного оборота Земли вокруг своей оси. Эту высоту легко определить — она равна 5,64 земного радиуса, или примерно 35 800 километрам.[38] Если ракета будет мчаться вокруг Земли в плоскости экватора в том же направлении, в котором вращается Земля, то есть с запада на восток, со скоростью, равной круговой скорости на этой высоте (примерно 3080 метров в секунду), то она будет как бы висеть неподвижно над одной и той же точкой земной поверхности. Ракета будет напоминать вертолет, парящий неподвижно над Землей, хотя вместе с тем она будет с головокружительной скоростью мчаться вокруг нее. Если бы высота не была столь большой, то с такого космического корабля можно было бы спуститься по веревочной лестнице с таким же успехом, с каким это сделал летчик, доставивший с вертолета, парившего над стадионом «Динамо» в Москве, букет цветов футбольной команде, выигравшей первенство СССР по футболу.
Своеобразной особенностью обладает и орбита, радиус которой на 58 тысяч километров меньше радиуса лунной орбиты, равного, как известно, примерно 380 тысячам километров. Спутник, вращающийся по такой орбите, может находиться все время на прямой, соединяющей центры Земли и Луны, — он будет неизменно виден на фоне лунного диска.
При этом спутник окажется в так называемой точке либрации. Существуют и другие точки либрации (всего их 5), характеризующиеся тем, что в каждой из них спутник будет неподвижным относительно Земли и Луны. Эти точки найдены французским ученым Лагранжем в результате исследования проблемы «трех тел».[39]
Циолковский первый в мире понял (независимо от него позже эта идея была высказана зарубежными учеными Обертом в Германии и Годдардом в США), какое огромное значение могут иметь искусственные спутники Земли для решения проблемы межпланетного полета, да и для многих других научных целей. Теперь уже эта роль спутников является общепризнанной — именно с запуска спутников начинается космическая эра в истории человечества.
Вот почему с таким восторгом была воспринята всей мировой наукой весть о запуске первого искусственного спутника Земли в Советском Союзе 4 октября 1957 года. Впервые в истории человек разорвал путы земного тяготения и вырвался на просторы мирового пространства. Эта замечательная победа человеческого гения открыла путь в Космос.
Поделиться книгой: