Помоги проекту - поделись книгой:
Первые советские искусственные спутники были созданы в связи с работами, выполнявшимися по программе Международного геофизического года, который начался 1 июля 1957 года и должен был закончиться 31 декабря 1958 года, но затем продлен еще на год — до 31 декабря 1959 года. Исследования, проводимые с помощью искусственных спутников, оказались, пожалуй, самым важным отличием этого геофизического года от двух предыдущих (они назывались полярными). Недаром даже официальной эмблемой геофизического года является изображение земного шара с мчащимся вокруг него искусственным спутником!
Конечно, запуск искусственного спутника — сложнейшее техническое мероприятие, задача, посильная лишь для стран с передовой индустрией, высокоразвитой наукой, мощной реактивной техникой. Неудивительно, что во время геофизического года только две страны включили в план своих научных исследований запуск искусственных спутников — Советский Союз и США. Решить же эту задачу первому удалось Советскому Союзу — стране победившего социализма, родине реактивной техники.
Главная трудность создания искусственного спутника Земли связана с тем, что спутник должен двигаться на огромной высоте с колоссальной скоростью. Как же можно этого достичь?
Для того чтобы ракета, стоящая на Земле, превратилась в искусственный спутник, необходимо затратить какую-то энергию. Эта энергия будет израсходована на то, чтобы поднять ракету на высоту ее орбиты, сообщить ей нужную круговую скорость по орбите, пробить «панцирь» атмосферы, то есть преодолеть сопротивление воздуха, возместить различные другие потери энергии, неизбежные в таком полете. Необходимая для всех этих целей энергия должна быть заключена в топливе, запасенном на ракете. Какова же должна быть величина этой энергии?
Если бы ракета летела в свободном пространстве, где нет ни воздуха, ни силы тяжести, то вся энергия топлива, запасенного на ракете, расходовалась бы только на разгон ракеты, на увеличение скорости ее полета. В таком случае конечная скорость ракеты была бы, очевидно, гораздо большей, чем скорость ракеты, взлетающей с Земли. Неудивительно, что эту скорость часто называют идеальной, чтобы показать, что в действительности достичь ее нельзя.
Обычно в астронавтике запас топлива на ракете, необходимый для совершения какого-нибудь межпланетного полета, оценивают именно величиной идеальной скорости.[40] Чем сложнее и труднее полет, чем больше энергии нужно затратить на его осуществление, тем больше топлива нужно запасти на ракете, и, значит, тем больше должна быть идеальная скорость ракеты.
Если ракета должна стать искусственным спутником Земли, то величина необходимой идеальной скорости ракеты будет зависеть главным образом от высоты ее орбиты над Землей. Расчеты показывают, что эта скорость растет от 8 до примерно 13 километров в секунду, когда высота орбиты растет от нуля до 35 тысяч километров.
Методы, которыми можно воспользоваться для достижения необходимой скорости, известны, они определяются формулой Циолковского, — это увеличение скорости истечения газов из двигателя и увеличение относительного запаса топлива на ракете.
Вспомните еще раз дальнюю ракету, описанную в главе 6. Отношение взлетной и конечной масс этой ракеты равно 3,25, а скорость истечения — примерно 2100 метрам в секунду. Формула Циолковского показывает, что ракета, которая могла бы стать спутником, обращающимся вокруг Земли на высоте до 500 километров, должна иметь при указанном отношении масс скорость истечения газов порядка 7000 метров в секунду, что недостижимо для современной реактивной техники. При сохранении величины скорости истечения, равной 2100 метрам в секунду, соотношение масс должно равняться примерно 60, что может быть, хоть и не без труда, осуществлено с помощью трех- или четырехступенчатой ракеты.
Если же учесть, что в настоящее время достигнуты и большие значения скорости истечения, и большие величины относительного запаса топлива, характеризующего конструктивное совершенство ракеты, то станет очевидно, что принципиально запуск искусственных спутников Земли вполне возможен при современном уровне развития ракетной техники. Для этого нужно воспользоваться «ракетным поездом» — ракетой, состоящей из ряда ступеней.
Но ведь такие многоступенчатые ракеты уже имеются, за чем же тогда дело стало?
Оказывается, наибольшим препятствием на пути создания искусственного спутника являются его размеры. С возрастанием размеров искусственного спутника трудности его запуска быстро увеличиваются. Эти трудности связаны с взлетным весом «ракетного поезда», то есть весом всей составной ракеты при взлете с Земли.
О том, каковы эти трудности, можно судить, например, по сообщениям американских ученых, сделанным ими, в частности, на Международном астронавтическом конгрессе в Риме в сентябре 1956 года, относительно разработанного в США проекта запуска искусственного спутника «Авангард». По этому проекту спутник должен представлять собой небольшой шар диаметром от трети метра до полуметра и весом около 10 килограммов. Запуск же такого спутника осуществляется с помощью трехступенчатой ракеты взлетным весом примерно 10 тонн. Это значит, что на 1 килограмм веса спутника приходится 1 тонна взлетного веса ракеты — в тысячу раз больше! А ведь эта ракета, длина которой равна примерно 22 метрам, а наибольший диаметр — 114 сантиметрам, весьма совершенна по своей конструкции: из общего ее веса 10 тонн на долю самой конструкции ракеты приходится не более 1,5 тонны.
Это отношение 1000: 1 выглядит весьма обескураживающим. Легко видеть, насколько важно добиваться его уменьшения, стремиться к лучшим весовым соотношениям. И, конечно, усилия ученых и конструкторов в этом направлении будут не только не ослабевать в связи с успешным запуском первых спутников, но непрерывно возрастать. Можно предполагать, что совершенствование конструкции ракет и двигателей, применение новых, более тепло-производительных топлив, развитие приборной техники и радиоэлектроники (в особенности здесь важно применение полупроводниковых приборов, сочетающих большую надежность и простоту с ничтожными по сравнению с обычными электронными лампами размерами и весом и расходующих несравненно меньше электроэнергии) позволят уменьшить это соотношение до 200, а может быть, даже до 100. Подобное соотношение было бы замечательной победой науки и техники, значительно расширило бы возможности научного использования искусственных спутников. Вместе с тем, конечно, оно облегчило бы и путь в мировое пространство, путь к далеким мирам…
Неудивительно, что при проектировании спутника борьба ведется в буквальном смысле за каждый грамм. Так, тот же американский спутник представляет собой магниевый шар со стенками толщиной всего 0,8 миллиметра; при общем весе спутника 10 килограммов вес этого шара равен всего 1,8 килограмма.
Несмотря на такую экономию в весе, этот спутник далеко не сразу удалось запустить из-за трудностей, возникших при создании ракеты.[41] В основном эти трудности связаны с двигателями, в особенности с двигателем первой ступени, который должен быть весьма мощным.
Тем более ошеломляющим для всей мировой науки было сообщение об успешном запуске первого советского искусственного спутника, также имеющего форму шара диаметром 58 сантиметров, но весящего 83,6 килограмма! По расчетам, опубликованным в иностранной печати, вес ракеты, с помощью которой был запущен этот спутник, должен составлять не менее 80-100 тонн.
Что же говорить о втором искусственном спутнике, запущенном в Советском Союзе 3 ноября 1957 года, и, в особенности, о третьем спутнике, запущенном 15 мая 1958 года? Ведь только вес научного оборудования, установленного на втором спутнике, равен 508,3 килограмма, а вес третьего спутника — 1327 килограммов! Если судить по лучшим зарубежным достижениям, взлетный вес ракеты, использованной для запуска этих спутников, должен составлять сотни тонн! Уменьшить этот вес можно только путем радикального усовершенствования конструкции ракет или же путем применения новых, улучшенных топлив.
Кстати сказать, запуск искусственных спутников стал возможен только после того, как у нас в стране была создана межконтинентальная баллистическая ракета, о которой говорилось в предыдущей главе как о вершине развития современной ракетной техники. Эта ракета и была использована для запуска спутников.
Несомненное превосходство советской ракетной техники, наглядно продемонстрированное перед всем миром запуском искусственных спутников, подчеркивается не только самим фактом запуска первых в мире искусственных спутников и во много раз большим весом этих спутников по сравнению со спутниками США. Об этом говорит также и сравнение орбит советских и американских спутников.
Действительно, как избрать орбиту искусственного спутника?
Прежде всего возникает вопрос о положении плоскости орбиты по отношению к плоскости экватора, а также о целесообразном месте запуска. При решении этого вопроса приходится учитывать два противоречивых требования.
Чтобы использовать скорость, которую Земля имеет в своем вращении вокруг оси, полет спутника по орбите должен осуществляться в том же направлении, что и вращение Земли, то есть с запада на восток. При таком запуске спутник «бесплатно», без затраты топлива, получает ту скорость, которой обладает точка запуска в своем вращении вокруг оси Земли, как приобретает скорость поезда выпрыгивающий из него на ходу пассажир. Максимальный выигрыш в скорости может быть при этом получен, очевидно, на экваторе — он равен 465 метрам в секунду. Чем больше географическая широта точки взлета ракеты, тем этот выигрыш меньше. Полет в противоположном направлении настолько же увеличивает необходимую идеальную скорость ракеты. При взлете с полюса направление полета, конечно, вообще не сказывается на величине идеальной скорости.
Таким образом, чтобы облегчить задачу запуска спутника, плоскость его орбиты должна быть расположена под возможно меньшим углом к экватору, а точка запуска — возможно ближе к нему.
Но при таком выборе орбиты спутника он будет пролетать над очень узкой полосой земной поверхности, расположенной у экватора. Следовательно, возможности наблюдений за спутником и со спутника будут сильно ограниченны, а ведь такие наблюдения весьма важны. Зато наилучшей в отношении наблюдений была бы полярная, или меридиональная, орбита, при которой спутник обращался бы вокруг Земли в плоскости, проходящей через полюсы, то есть по меридиану. Правда, при этом была бы полностью потеряна выгода, которую можно получить, используя окружную скорость Земли вокруг оси. Чем ближе плоскость орбиты спутника к полярной, тем больше возможности научных наблюдений с помощью спутника, но вместе с тем больше и необходимый запас топлива на ракете для достижения заданной высоты орбиты.
Плоскости орбит спутников, запущенных в США, расположены под небольшим углом к экватору, примерно 30–35°, орбиты же советских спутников расположены под углом 65° к экватору. Это значит, что запустить советские спутники было труднее, но зато больше и научное значение этих спутников.[42]
Но вот плоскость орбиты избрана. Как теперь установить форму самой орбиты? Должна быть орбита круговой или эллиптической? Если будет избран эллипс, то насколько вытянутый, с какой высотой перигея и апогея, то есть наименьшей и наибольшей высотой?
Конечно, наиболее просто было бы создать спутник, имеющий круговую орбиту на высоте, как уже говорилось, не менее 200 километров. Для запуска такого спутника потребовалось бы наименьшее возможное количество топлива. Но зато срок «жизни» такого спутника был бы также наименьшим — под действием воздушного сопротивления разреженной атмосферы первоначально круговая орбита превратится быстро в спиральную, спутник будет приближаться к Земле, терять высоту. В то же время он станет двигаться во все более плотной атмосфере, оказывающей ему все большее сопротивление, что еще сильнее снизит его скорость. Наконец все туже закручивающаяся спираль приведет спутник в столь плотную атмосферу, что, ворвавшись в нее с огромной, космической скоростью, спутник превратится в метеор — он вспыхнет, испарится. Так произойдет еще одна космическая катастрофа, на этот раз — с небесным телом, созданным рукой человека.
Чтобы удлинить срок жизни спутника, целесообразно увеличить его скорость при запуске выше круговой. Ниже, в главе 15, посвященной траекториям полета межпланетных кораблей, будет показано, что в этом случае орбита спутника будет уже не круговой, а эллиптической. Высота полета спутника над Землей будет при этом все время изменяться между перигеем и апогеем. Чем больше эта избыточная скорость при запуске спутника, тем более вытянутым окажется эллипс, тем больше будет высота апогея по сравнению с высотой перигея. Это и приведет к значительному увеличению срока жизни спутника. Теперь уже воздушное сопротивление, действие которого будет проявляться в моменты полета спутника у перигея, то есть на меньших высотах, будет постепенно снижать высоту апогея.[43] Эллипс, который описывает спутник вокруг Земли, постепенно начнет приближаться к кругу, его вытянутость — уменьшаться. Наконец спутник выйдет на круговую орбиту, а затем, как уже было сказано, перейдет на спиральный спуск.
Так ценой затраты дополнительного топлива при запуске спутника можно увеличить высоту апогея его орбиты и, тем самым, срок его жизни. Понятно, конечно, что необходимость в дополнительном топливе усложняет ракету и увеличивает ее взлетный вес.
Как известно, первый спутник, запущенный в Советском Союзе, имел начальную высоту апогея 947 километров, второй спутник — 1671 километр, а третий спутник — 1880 километров. Следовательно, наряду со все возрастающим весом спутников увеличивалась и высота их над Землей и, соответственно, срок жизни.[44]
Следует отметить, что большая вытянутость эллиптической орбиты, большая высота апогея дает и еще одно преимущество, помимо увеличения срока жизни. Совершая свои путешествия от перигея к апогею и наоборот, спутник пересекает различные слои земной атмосферы. Так, первый советский спутник в своем движении по орбите то входил в ионосферу, то выходил из нее, а второй и третий спутники, помимо этого, выходили практически вовсе за пределы земной атмосферы. Это чрезвычайно важно для некоторых исследований, о которых ниже будет сказано подробнее, в частности для исследований космических лучей.
Запуск советских искусственных спутников Земли был осуществлен с помощью составной многоступенчатой ракеты. Первый спутник, имевший шаровидную форму, был помещен в носовой части последней ступени ракеты и закрыт защитным носком-конусом, сбрасываемым в полете. Вторым спутником явилась сама последняя ступень ракеты, причем в этом случае также имелся сбрасываемый носок, защищавший при полете в плотной атмосфере научное оборудование спутника от воздействия давления встречного потока воздуха и перегрева. Таким же защитным носком был снабжен и третий спутник, который, как и первый спутник, при достижении орбиты отделился от последней ступени ракеты, так называемой ракеты-носителя, но, в отличие от него, имел не шаровидную, а конусообразную форму.
Примерное общее представление об устройстве ракет для запуска искусственных спутников Земли можно получить по американской ракете «Авангард», о которой были опубликованы подробные сведения. Одним из характерных отличий этой ракеты является отсутствие у нее стабилизаторов, что делает ракету похожей на простой карандаш или, еще лучше, на винтовочный патрон с пулей. Вместо стабилизаторов и рулей ракета управляется в полете путем изменения направления реактивной тяги двигателя, для чего весь двигатель должен поворачиваться на некоторый угол — до 4–5° от оси ракеты. Такая шарнирная подвеска двигателя для целей управления была в свое время предложена Циолковским и в 1931 году практически осуществлена в Советском Союзе. В ряде случаев она оказывается более выгодной по сравнению с обычными рулями, но обладает и некоторыми недостатками. В частности, отклонение двигателя от оси ракеты может быть лишь небольшим, так как иначе сильно усложняется подвод топлива к двигателю. Но из-за этого при запуске ракеты, когда она движется еще с малыми скоростями и потому неустойчива, управление ракетой может оказаться неудовлетворительным. Считается, что первые одна — две секунды после взлета могут оказаться роковыми для ракеты, если на нее подействует сильный порыв ветра.
Для запуска ракета устанавливается на специальной пусковой платформе высотой примерно 3,5 метра. В платформе имеется канал диаметром 2,5 метра для того, чтобы отвести газы, вытекающие из двигателя первой ступени ракеты при запуске. Так как газы имеют очень высокую температуру, то канал охлаждается водой. Для всех работ по монтажу ракеты и подготовке ее к запуску стенд имеет специальную высокую башню, которая перед запуском отводится в сторону по рельсовому пути.
Как же был осуществлен запуск советских искусственных спутников?
Конечно, во всех случаях, при запуске любых искусственных спутников, без ракет не обойтись. Но принципиально возможно несколько облегчить ракетам их задачу. Так, например, первоначальный подъем ракеты на некоторую высоту можно осуществить с помощью аэростата или самолета, а конечное, последнее, ускорение спутника на орбите — путем взрыва специального заряда на ракете. Подобные проекты предлагались. Однако все они рассчитаны на запуск небольших, скорее — миниатюрных спутников. Для спутников большого размера такие методы, вероятно, не годятся, их запуск с начала до конца должен осуществляться ракетами.
Полет ракеты для доставки спутника на его орбиту во многом похож на полет обычных высотных или дальних ракет, описанных выше, в главе 6. Но полет на орбиту — не только полет на гораздо большую высоту и с гораздо большей скоростью, — он имеет и одно принципиальное отличие. Если обычные ракеты разгоняются двигателем лишь при взлете, один-единственный раз, а весь остальной полет совершают с выключенным двигателем, то запустить спутник таким образом невозможно. Чтобы создать искусственный спутник Земли, двигатель его ракеты должен работать обязательно дважды — один раз при взлете с Земли, другой — уже на орбите спутника, чтобы разогнать его до нужной орбитальной скорости.
При запуске советских искусственных спутников ракета стартовала вертикально, так же, как стартуют и высотные ракеты. На некоторой высоте ось ракеты стала отклоняться от вертикали под действием органов ее управления, работавших по определенной, заранее заданной программе. Ракета стала лететь под углом к горизонту, в общем направлении на северо-восток, причем двигатель ракеты разогнал ее до скорости, необходимой для достижения нужной орбитальной высоты. Вслед за тем ракета продолжала полет уже с неработающим двигателем; за счет накопленной при разгоне скорости она по-прежнему набирала высоту. Траекторией такого безмоторного полета, своеобразного «дрейфа» в мировом пространстве, был эллипс. Наконец на высоте в несколько сот километров ракета стала лететь почти горизонтально, параллельно земной поверхности, достигнув высоты заданной орбиты спутника. Вот теперь снова понадобилась помощь двигателя ракеты, чтобы разогнать ее до нужной орбитальной скорости; как уже указывалось выше, эта скорость несколько превышала круговую на данной высоте, она равнялась примерно 8 километрам в секунду.
К моменту, когда ракета, точнее — последняя ее ступень, достигла заданной высоты и скорости полета, все топливо на ней было выработано и двигатель снова прекратил работу, теперь уже навсегда, вслед за чем был сброшен защитный конус (носок) ракеты. При запуске второго спутника, которым служила последняя ступень ракеты, этим дело и ограничилось. Когда же запускался первый спутник, то после сбрасывания защитного конуса шаровидный спутник, находившийся в передней части ракеты, был вытолкнут из нее специальным устройством с небольшой скоростью. Примерно так же обстояло дело и при запуске третьего спутника, как это показано на рисунке.
Так как все перечисленные заключительные операции производились в то время, когда последняя ступень ракеты уже летела по орбите с нужной орбитальной скоростью, то Земля сразу получала по нескольку «спутников». В их числе были собственно спутник, ракета-носитель (при запуске первого и третьего спутников) и части защитного конуса. Однако дальнейшая судьба этих «спутников» оказалась различной.
Ракета, с помощью которой были запущены спутники, состояла, как указывалось выше, из нескольких ступеней. Они по очереди отделялись и падали на Землю по мере того, как на каждой ступени вырабатывалось все топливо.
В качестве примера, иллюстрирующего полет такой составной ракеты, можно привести опубликованные расчетные данные запуска трехступенчатой ракеты «Авангард», о которой выше уже упоминалось.
Первая ступень ракеты за 114 секунд работы жидкостного ракетного двигателя, развивающего тягу более 12 тонн, поднимает всю ракету на высоту 58 километров и сообщает ей скорость 1680 метров в секунду. Затем первая ступень (длина ее 13,5 метра при общей длине всей ракеты примерно 22 метра) отделяется и падает на Землю на расстоянии примерно 450 километров от места старта. В момент отделения запускается жидкостный ракетный двигатель второй ступени, имеющей длину примерно 9,5 метра и диаметр 81 сантиметр. Двигатель второй ступени увеличивает высоту полета ракеты до 210 километров и скорость до 4900 метров в секунду.
После остановки двигателя второй ступени из-за выработки всего запасенного на ней топлива ее тоже следовало бы отделить — ведь она теперь только мешает. Однако на самом деле вторая ступень не будет отделена, она будет продолжать полет вместе с третьей ступенью вплоть до достижения высоты орбиты. Это объясняется тем, что на второй ступени находятся все приборы управления полетом ракеты. Установить их на небольшой третьей ступени оказалось невозможным — слишком мала последняя ступень ракеты «Авангард». Конечно, на ракете больших размеров можно было бы все сделать иначе.
Ракета с неработающим двигателем продолжает полет до высоты примерно 480 километров. Управление полетом ракеты на этом участке осуществляется с помощью небольших ракетных двигателей, струи газов из которых вытекают в боковом направлении. Одновременно третья ступень с установленным на ней спутником раскручивается вокруг своей оси с тем, чтобы потом, после отделения второй ступени, вращение третьей ступени обеспечивало устойчивость ее в полете.
Когда ракета достигает заданной высоты (480 километров), вторая ступень отделяется и падает (вероятно, в Атлантический океан). Включается пороховой ракетный двигатель последней, третьей ступени, который разгоняет эту ступень вместе с установленным на ней спутником до заданной круговой скорости. Защитный носок ракеты, закрывающий спутник, сбрасывается, и спутник выталкивается из ракеты-носителя.
После запуска спутник начинает неутомимо накручивать на старушку Землю бесконечные витки своих спиралеобразных орбит.
Но почему спиралеобразных? Ведь орбиты спутников — это гигантские эллипсы. При чем же здесь спираль?
Действительно, орбиты советских спутников очень близки к эллипсам и в первом приближении могут быть приняты за эти геометрические фигуры. Относительно звезд их эллиптические орбиты остаются почти неподвижными.[45] Но ведь сама Земля вращается вокруг своей оси, и, очевидно, над земной поверхностью спутники будут двигаться по какой-то сложной кривой. Если бы Земля не вращалась, то спутники проходили бы все время над одними и теми же географическими пунктами. Из-за вращения Земли советские спутники видны из самых различных мест на земной поверхности, лежащих между северным и южным полярными кругами. Если соединить на карте те города, над которыми проходили спутники в соответствии с их абсолютно безошибочными «расписаниями», публиковавшимися в советских газетах, то получатся какие-то странные зигзагообразные линии. Но в действительности трассы спутников на земной поверхности представляют собой очень плавные кривые, похожие на так называемые синусоиды. Вблизи экватора широта спутника над Землей меняется быстро, его трасса наклонена под большими углами к меридианам. Чем дальше от экватора, тем меньше этот угол, пока, наконец, кривая трассы не касается 65-й параллели и не поворачивает назад, снова к экватору.
Так как Земля совершает один оборот вокруг своей оси за 24 часа, а спутник один оборот вокруг Земли — примерно за 1½ часа, то за сутки спутник успевает обежать вокруг Земли примерно 16 раз. Это значит, что он «прочертит» на земной поверхности 16 витков своей спиралеобразной трассы. Каждый следующий виток смещен на запад по отношению к предыдущему на 24° по долготе. Это составляет примерно 2500 километров в экваториальной области и примерно 1500 километров на широте Москвы. Вот на такое расстояние и должен был бы перенестись за полтора часа наблюдатель (как видно, тут потребовался бы реактивный самолет!), если бы он снова захотел оказаться как раз под спутником.
Конечно, эти расчеты приближенны. Чтобы точно установить, над каким местом земной поверхности будет проходить спутник в заданное время, нужно учесть и то, что скорость движения спутника по его орбите не остается постоянной, и то, что положение самой орбиты в пространстве, то есть по отношению к звездам, тоже не остается неизменным: плоскость орбиты, оказывается, медленно поворачивается вокруг полярной оси земного шара (так называемая прецессия орбиты). Все это и учитывается, когда составляется точное «расписание» движения спутников.
К сожалению, увидеть спутник, даже если он проходит над самой головой, можно далеко не всегда. Дело тут, конечно, вовсе не в одной только облачности. Даже когда небо абсолютно чистое, мы можем видеть быстро пересекающую его искусственную звездочку лишь в определенные моменты: утром — до восхода солнца и вечером — после его захода. Днем тоненький лучик, идущий к нашему глазу от искусственного спутника, затеряется в массе солнечных лучей — спутник будет невидим. Невидим он будет и ночью — ведь спутник сам не светится, он лишь отражает падающие на него солнечные лучи, а ночью спутник оказывается в огромном конусе тени, отбрасываемой земным шаром. Только утром и вечером, когда на небосводе солнца не видно, а мчащийся на высоте в сотни километров спутник освещен его горячими лучами, можно стать свидетелем незабываемого зрелища — увидеть искусственную звезду, мчащуюся среди мерцающих неподвижных звезд небосвода.[46]
Правда, первый советский спутник можно было видеть лишь с помощью сильного бинокля или подзорной трубы — это была слабая звездочка примерно пятой или шестой звездной величины. Зато ракеты-носители этого и третьего спутников, а также второй и третий спутники, имеющие гораздо большие размеры, были отчетливо видны как яркие желтоватые звезды, стремительно движущиеся по небу. На всех континентах, во всех странах люди следили за этими посланцами человечества в Космос, за этими «филиалами» Земли в небе.
Во многих случаях можно было видеть, как пролетавшая в небе искусственная звезда довольно резко меняла свой блеск, становилась более или менее яркой. Это было связано с тем, что ракета-носитель первого спутника, второй и третий спутники, которые имели несимметричную геометрическую форму, меняли свою освещенность в результате вращения вокруг центра тяжести. Значит, искусственные спутники обладали и этим движением, свойственным спутникам природным.
Научное значение первых искусственных спутников Земли поистине неоценимо. Не только астронавтика, но и многие «земные» науки сделают гигантский шаг вперед, опираясь на результаты наблюдений, произведенных с помощью спутников. Можно не сомневаться, что, несмотря на свои относительно небольшие размеры, спутники оправдают очень большие надежды ученых. Вот уж действительно — мал золотник, да дорог! Понятно, почему так велико научное значение первых спутников Земли. Ведь только они позволили ученым впервые перенести приборы с Земли на другое небесное тело. Это неизмеримо расширило возможности научных исследований, позволило осуществить научные наблюдения, принципиально не осуществимые с Земли.
И, пожалуй, самым первым по научному значению из всех приборов первого советского спутника следовало бы назвать прибор, который на этом спутнике вовсе не установлен! Ничего удивительного в этом нет, ибо речь идет о приборе, которым является… сам спутник, само это крошечное небесное тело, созданное советскими людьми.
Для науки чрезвычайно ценно уже одно только то, что в небе появились другие небесные тела, другие спутники Земли, помимо извечного ее спутника — Луны. Но еще более ценно то, что эти новые спутники во многом отличны от Луны, что они имеют несравненно меньшие размеры, чем Луна, обращаются вокруг Земли на несравненно меньших расстояниях и имеют соответственно меньший период обращения. Вследствие этих отличий на движении искусственных спутников, которое подчиняется, естественно, тем же законам, что и движение Луны, будут сильно сказываться многие факторы, практически не сказывающиеся на движении Луны. Будет сказываться, конечно, и то очень важное обстоятельство, что искусственные спутники движутся в иной плоскости вокруг Земли, чем плоскость движения Луны.
Вот почему искусственные спутники и являются очень ценными научными приборами. Изучая особенности их движения, можно сделать научные выводы большой важности. Так, например, неизмеримо сильнее, чем на движении Луны, будут сказываться на спутниках такие особенности Земли, как ее сплющенность, то есть отличие от правильной геометрической формы шара, (истинная форма земного шара — геоид — близка к эллипсоиду вращения), или же неоднородность ее строения, то есть неравномерное размещение масс внутри земной коры. Из-за этих особенностей Земли орбита искусственного спутника не будет точно круговой или эллиптической, она будет, как говорят, искажена. Кроме того, она не будет занимать фиксированного положения в пространстве (не будет перемещаться параллельно самой себе), а будет вращаться по сложным законам. Естественно, что по этим причинам будет изменяться и скорость движения спутника по орбите.
Значит, точно измеряя эти, как их называют, возмущения орбиты искусственного спутника, можно судить о вызывающих их причинах. Таким методом можно, например, определить точную форму или, как говорят, фигуру Земли, проверив заодно и другие, используемые в настоящее время методы. Этим будет оказана большая помощь геодезии — науке об измерении Земли и картографии — карты станут более точными. В частности, можно будет гораздо точнее, чем теперь, установить расстояние между земными материками и, наконец, выяснить, действительно ли перемещаются материки, как это предполагается некоторыми учеными, и если да, то как именно. Или, например, можно будет судить о неравномерностях строения земной коры, что может принести большую пользу геологии. В частности, с помощью таких гравиметрических наблюдений (то есть наблюдений за изменением силы тяжести в разных точках земной поверхности) могут быть обнаружены новые месторождения полезных ископаемых.
Наблюдая за орбитой искусственного спутника, можно сделать и еще один вывод, имеющий огромное значение для науки. Особенно важен этот вывод, в частности, потому, что никаким другим способом наука пока получить его не в состоянии. Речь идет об определении плотности воздуха в верхних слоях атмосферы, на границе ее с мировым пространством. Это конечно, имеет далеко не один только академический интерес. На такие огромные высоты уже забираются автоматические ракеты; за первыми спутниками появятся и другие, на разных высотах; недалеко то время, когда там будут летать и люди. А ведь впереди — межпланетный полет, при котором, конечно, корабль должен пересечь всю атмосферу, снизу доверху. И для всего этого совершенно необходимо точное знание плотности и других свойств атмосферы на всем ее протяжении — иначе нельзя точно рассчитать полет, а без такого расчета нельзя быть до конца уверенным в его успехе.
Но как же можно узнать с помощью спутника, какова плотность тех крайне разреженных слоев атмосферы, в которых он движется? Должны ли для этого находиться на спутнике какие-нибудь приборы, измеряющие плотность воздуха и сообщающие результаты своих измерений на землю?
Нет, необходимости в таких приборах в этом случае, к счастью, нет.[47] Задача может быть решена и без них. Для этого, как указывалось выше, требуются лишь тщательные наблюдения за движением спутника: он сам снова становится измерительным прибором. Все дело в том сопротивлении, которое оказывает спутнику воздух, в котором он движется.
Как известно, воздух оказывает сопротивление всякому движущемуся в нем телу. Это так называемое аэродинамическое сопротивление зависит от плотности воздуха, оно тем больше, чем больше эта плотность. Конечно, спутники движутся в самых верхних, крайне разреженных слоях атмосферы, где плотность ничтожно мала, но все же и этот воздух оказывает сопротивление движению спутника, правда, сопротивление очень небольшое. Измеряя это сопротивление, можно довольно точно определить плотность земной атмосферы на огромных высотах.
Но разве возможно измерить аэродинамическое сопротивление спутника в его полете по орбите? На первый взгляд это представляется еще гораздо более трудной задачей, чем непосредственное измерение плотности воздуха. Ведь для измерения этого сопротивления при испытаниях самолетов или их моделей в аэродинамических трубах служат специальные высокоточные аэродинамические весы, самописцы и другие приборы. Что же заменит их в данном случае?
Вот тут-то и появляется на сцену сам спутник как высокочувствительный измерительный прибор. Дело в том, что орбита спутника очень чутко реагирует на его скорость, даже ничтожное изменение скорости ощутительно изменяет орбиту. Поэтому точные измерения орбиты позволяют судить об изменении скорости движения спутника, а значит, и о величине воздушного сопротивления, которая, как указывалось выше, прямо пропорциональна плотности воздуха.
Кстати, в значительной мере именно из-за этого использования аэродинамического сопротивления спутника для определения плотности атмосферы в ее верхних слоях первому советскому спутнику была придана шаровая форма. Аэродинамическое сопротивление шара изучено лучше, чем других тел. Кроме того, как бы шар ни вертелся в полете, он все равно остается шаром. А представьте себе спутник в виде цилиндра. Летит такой цилиндр вокруг Земли и при этом поворачивается то одним боком, то другим. Ведь так и обстояло дело, например, со вторым советским спутником, яркость которого, как и яркость ракеты-носителя первого спутника, менялась в полете. Но понятно, что каждому положению цилиндра будет соответствовать свое сопротивление. Как же тут разобраться, какова истинная величина этого сопротивления, чтобы по ней определить плотность воздуха? Тут можно сильно ошибиться…
Как же должно влиять на орбиту искусственного спутника сопротивление атмосферы? Хорошо известно, что сопротивление воздуха мешает полету самолета, тормозит его. Если бы на самолете не было двигателя, то скорость его полета под действием этого сопротивления непрерывно уменьшалась бы. Значит, и скорость спутника должна постепенно уменьшаться, ведь на спутнике нет двигателя, который мог бы восстановить потерю скорости. Но в действительности скорость спутника, как показали наблюдения за первыми советскими спутниками, не только не уменьшается, а непрерывно возрастает!
Чем же объяснить этот парадокс, это кажущееся противоречие?
Оно объясняется тем, что, как и следовало ожидать, все-таки существует «двигатель», вызывающий этот неожиданный рост скорости спутника. Таким двигателем является Земля, сила ее тяготения. Как только скорость спутника под влиянием воздушного сопротивления оказывается меньшей, чем это требуется для полета по данной орбите, он под действием притяжения к Земле начинает двигаться по другой орбите. Новая орбита отличается от исходной, главным образом, высотой своего апогея — она уменьшается; высота перигея тоже уменьшается, но неизмеримо медленнее. Значит, эллипс становится менее вытянутым, он приближается к кругу. Средняя же скорость спутника по всей орбите не только не уменьшается, но даже возрастает — сказывается снижение спутника, его падение в поле земного тяготения (в то же время максимальная скорость спутника, то есть его скорость в перигее, при таком торможении спутника уменьшается, что очень важно для посадки межпланетного корабля, о которой будет идти речь в главе 17).
Чем сильнее влияет воздушное сопротивление на движение спутника, тем значительнее его снижение и больше рост средней скорости движения. В итоге же уменьшается период обращения спутника вокруг Земли — и потому, что уменьшается проходимый за каждое обращение путь, и потому, что свой путь спутник проходит с большей скоростью. Наблюдая за тем, как уменьшается период обращения спутника, можно судить о величине воздушного сопротивления и, значит, о плотности воздуха на тех высотах, где движется спутник.
Именно из-за воздушного сопротивления оказалась различной судьба первого советского спутника и его ракеты-носителя. Вначале, когда спутник был вытолкнут из ракеты-носителя, он ушел вперед километров на тысячу. Однако потом, под действием воздушного сопротивления, значительно большего для ракеты-носителя[48] ракета начала постепенно нагонять спутник. Примерно через 5 дней она уже догнала спутник и стала все быстрее удаляться от него, приближаясь вместе с тем к Земле. Когда спутник совершил 500 оборотов вокруг Земли, то ракета-носитель обогнала его уже на целых два оборота, совершив за это же время 502 оборота. 2 декабря 1957 года ракета-носитель обогнала спутник уже на 12 оборотов — она сделала 900 оборотов, тогда как спутник — 888 оборотов вокруг Земли. Вслед за этим ракета-носитель вошла в наиболее плотные слои атмосферы и через два месяца после запуска перестала существовать — отдельные оплавленные части ее упали на территории Аляски и западного побережья США. Спутник же по-прежнему продолжал полет вокруг земного шара и 9 декабря завершил 1000-й оборот вокруг него, пройдя путь в 43,2 миллиона километров. Он прекратил свое существование примерно через месяц после гибели ракеты-носителя, 4 января 1958 года, совершив за 3 месяца 1400 оборотов вокруг Земли и пройдя путь около 60 миллионов километров.
Падение спутника сквозь наиболее плотные нижние слои атмосферы, когда он из-за аэродинамического нагрева раскаляется докрасна, превращаясь в болид, разрушаясь и частично испаряясь, представляет исключительно большой интерес для науки. Ведь недалек тот момент, когда не только искусственные спутники совершат посадку на Землю, но и отправится в полет первый межпланетный корабль с людьми на борту, а он, естественно, должен совершить безопасную посадку при возвращении на Землю. Вот почему так важны наблюдения за спутником в последние часы его существования: наука извлекает пользу и из самой гибели созданного людьми искусственного небесного тела. К сожалению, эта задача очень сложна, и до сих пор тщательно проследить за падением спутников не удалось.
Понятно, что для всех наблюдений, связанных с измерениями орбиты спутника, эти измерения должны быть очень точными. Но даже при наличии подобных измерений получение нужных результатов весьма не простое дело. Так, например, задача определения плотности воздуха на больших высотах по скорости снижения спутника гораздо сложнее, чем описано выше. Ведь при этом приходится учитывать, что причиной снижения спутника может быть не только воздушное сопротивление, но и другие явления, например так называемое приливное действие Земли. Необходимо считаться также с давлением солнечных лучей на спутник. Примерный расчет показывает, что при круговой орбите на высоте 500 километров это давление примерно сравнивается по величине с аэродинамическим сопротивлением, оказываемым спутнику разреженной атмосферой, в которой он движется. Давление солнечного излучения может тормозить спутник, а может и создавать небольшую движущую силу — в зависимости от того, как избрана орбита спутника. По проекту, разработанному во Франции, использование солнечного давления на небольшой искусственный спутник с такой высотой круговой орбиты может полностью компенсировать различные тормозящие действия на спутник и, следовательно, сделать продолжительность жизни спутника практически неограниченной. Конечно, создать подобный «тысячелетний» спутник можно и простым увеличением высоты орбиты.
Поделиться книгой: