Искусственный спутник Земли

Несколько раньше другой американский летчик в специальном ракетном самолете сумел подняться до высоты 25,4 километра. Таков «потолок» высоты, достигнутый человеком в наши дни.

Приведенные данные относятся к 1953 году. Надо полагать, что с той поры реактивная авиация достигла новых успехов, сообщения о которых будут в свое время опубликованы.

Двигатели современных реактивных самолетов бывают двух основных типов — воздушно-реактивные (ВРД) и жидкостно-ракетные (ЖРД). Первые из них используют кислород атмосферы и потому для полета за ее пределами непригодны. Что же касается жидкостно-ракетных двигателей, то они мало чем отличаются с принципиальной стороны от двигателей будущих космических кораблей.

На рисунке 13 изображена схема простейшего прямоточного ВРД. Он представляет собой металлическую трубу, сужающуюся на концах. Когда самолет с таким двигателем летит в атмосфере, воздух попадает в двигатель через переднее отверстие трубы. В поступивший воздух впрыскивается через форсунки топливо, которое сгорает, соединяясь с кислородом воздуха. Образовавшаяся струя раскаленных газов вырывается через заднее отверстие двигателя. Разница в скоростях втекающего холодного воздуха и выходящих горячих газов создает реактивную тягу, которая и приводит в движение самолет.

Рис. 13. Схема действия прямоточного реактивного двигателя.

Таков же принцип устройства и так называемых турбореактивных двигателей, широко применяемых в современных реактивных самолетах. В этих двигателях для большей тяги воздух предварительно сжимается с помощью турбокомпрессора, а затем все происходит так же, как и в прямоточных двигателях.

Рис. 14. Турбореактивный двигатель.

Как уже отмечалось, ВРД нуждаются в кислороде воздуха и потому для полета в безвоздушном пространстве они непригодны. К их числу надо отнести также реактивные двигатели, работающие на порохе. Простейшим примером подобного двигателя служит обычная фейерверочная ракета. Грозным сородичем праздничных ракет являются реактивные снаряды минометов «Катюша».

Иное дело — ракетные двигатели на жидком топливе (ЖРД). Именно такой двигатель и предлагал Циолковский для межпланетной ракеты.

В двух баках, изолированных друг от друга, находятся составляющие элементы топлива — горючее и окислитель. Горючим могут быть какие-нибудь углеводородные соединения, например, бензин или керосин, окислителем — жидкий кислород.

С помощью насосов обе жидкости подаются в камеру сгорания. Здесь происходит их воспламенение, и образующиеся раскаленные газы создают необходимую тягу.

ЖРД не зависят от окружающей среды. Они могут работать и в воздухе и в безвоздушном пространстве. Регулируя подачу топлива в камеру сгорания, можно управлять скоростью полета. В этом положительные качества ЖРД.

Недостатком ЖРД является малая продолжительность их действия. Развивая огромную мощность, они могут работать не больше 4–5 минут. Вот почему ЖРД устанавливаются на истребителях-перехватчиках, которым необходимо развивать большие скорости и стремительно подниматься на значительные высоты. В качестве горючего чаще всего употребляют керосин, бензин, а также спирт и анилин. Окислителями в первом случае служит азотная кислота, во втором — жидкий кислород.

И все-таки, несмотря на некоторые недостатки, ближайшее будущее принадлежит жидкостно-ракетным двигателям.

Именно с их помощью достигнуты наибольшие скорости и высота полетов.

Летчик, взлетевший на высоту 25 км, пользовался самолетом с ЖРД. Его полет отчасти напоминал межпланетное путешествие. На высоте 25 км воздух настолько разрежен, что кабину самолета пришлось сделать герметически закупоренной, похожей на кабину межпланетного корабля. В окна кабины летчик наблюдал непривычную картину — на темном с фиолетовым оттенком небе ослепительно ярко сияло Солнце и можно было заметить ярчайшие из звезд.

Чем выше и быстрее летают самолеты, тем больше их внешний вид напоминает облик космических кораблей (рис. 15). Еще большее сходство с ракетой Циолковского имеют стратосферные ракеты, которые во вторую мировую войну немцы использовали для бомбардировки Лондона и которые теперь служат научным целям — изучению верхних слоев атмосферы.

Рис. 15. Чем быстрее и выше летают самолеты, тем больше их внешний вид походит на облик будущих космических ракет.

Принцип устройства стратосферной ракеты нам уже знаком (рис. 16). Ракета имеет жидкостно-ракетный двигатель, а в головной своей части вместо взрывчатки она несет полезный груз — различную научно-исследовательскую аппаратуру.

Рис. 16. Устройство стратосферной ракеты:

1) двигатель; 2) баки с топливом; 3) приборы.

Размеры ракеты весьма внушительны — при длине 14 метров и диаметре 170 сантиметров она имеет вес около 13 тонн. Двигатель работает на обычном 75-градусном винном спирте, который, сгорая с жидким кислородом, образует раскаленную газовую струю.

Интересно отметить, что хотя топливо весит 9 тонн, т. е. составляет почти ¾ общего веса ракеты, оно полностью израсходуется за какие-нибудь 70 секунд. Остальное время ракета летит за счет накопленной энергии, подчиняясь лишь действию двух сил — притяжению Земли и сопротивлению воздуха.

Стремительно поднимаясь на высоту в сотни километров, стратосферные ракеты развивают скорости, значительно превышающие звуковую. Мощность двигателя подобных ракет близка к 600 000 л. с., т. е. к мощности Днепрогеса!

Опубликованы сообщения о взлете обычных ракет до высоты 400 километров над уровнем моря, а радиоуправляемых ракет даже до высот в 500 километров, причем скорость полета некоторых из них равнялась 6880 , т. е. около двух километров в секунду!

Вот рекорд высоты и скорости полета, достигнутый человеком. Пятьсот километров над Землей — это, практически говоря, уже безвоздушное мировое пространство.

Небо там совершенно черно и усыпано множеством звезд, хотя среди звезд ослепительно ярко сияет Солнце. Удивительная картина — звездный день или солнечная ночь, трудно даже подобрать для нее подходящее название!

Кругом царит полное безмолвие, так как уже выше 120 километров над Землей воздух становится настолько разреженным, что звуковые волны распространяться в нем не могут.

Таковы те области, в которые уже проникли аппараты, созданные руками человека. Человечество вышло на порог своего «дома», чтобы в недалеком будущем отправиться в прогулку по другим «домам».

Достигнутые успехи велики, но еще большие трудности ожидают первых межпланетных путешественников.

Рассматривая формулу Циолковского, мы отмечали некоторые из них. Сознаемся, что реальные трудности были нами тогда сильно преуменьшены. В самом деле, наши расчеты не учитывали силу тяжести. С учетом же притяжения Земли, движение ракеты будет определяться другой формулой, также выведенной Циолковским. Вот она:

где g — ускорение силы тяжести (9,8 ), принимаемое за постоянное на всем пути полета, а а — собственное ускорение ракеты.

Для взлета ракеты с Земли необходимо, чтобы развиваемое ею ускорение а было больше g. Если а меньше g, ракета будет лежать на Земле, сколько бы не работал ее двигатель. При равенстве этих величин (a=g) ракета повиснет над Землей, не поднимаясь и не снижаясь. И только когда а станет больше g, ракета отправится в полет.

Совершенно очевидно, что для полета ракеты в сфере притяжения Земли или другого небесного тела потребуется бóльший расход топлива, чем при полете в среде без тяжести. К этому надо прибавить еще затрату топлива на преодоление сопротивления атмосферы. Необходимо заметить, что расчеты, связанные с вылетом ракеты из атмосферы, очень сложны и формулы Циолковского дают лишь самую общую, приближенную картину полета ракеты.

По верному замечанию Паскаля «никто не странствовал бы по свету, если бы не надеялся когда-нибудь рассказать другим о том, что видел». Разумеется, и межпланетные путешественники не пойдут на заведомую гибель, а захотят снова очутиться на Земле. А это значит, потребуются новые расходы топлива для посадки на Луну, для отлета с ее поверхности, для торможения при спуске на Землю, а также некоторый резерв для «непредвиденных расходов».

Каждый расход топлива придает ракете некоторую скорость. Так вот, если учесть все эти расходы, если считать, что уже достигнута наибольшая скорость истечения газов с (4 ), то и тогда минимальная скорость, с которой ракета должна отправиться с Земли на Луну, равна не 11,2, а 27–30 ! В этом случае для космического корабля отношение масс будет равно 1000. Результат грустный — построить ракету, в которой полезный груз занимал бы всего 0,001 долю ее веса, очевидно, невозможно. Снова тупик и… снова есть выход!

Если лобовая атака Луны неосуществима, то штурм нашего спутника можно организовать иначе. Прежде чем отправиться на Луну, человечество должно создать вокруг Земли ее искусственные спутники. На спутниках необходимо сосредоточить запасы топлива для космических кораблей. Тогда лунная ракета, взлетев с Земли, причалит к одному из спутников. Ее экипаж пополнит опустевшие топливные баки, а затем ракета отправиться в дальнейший путь на Луну.

Такова идея внеземных топливных баз, выдвинутая К. Э. Циолковским. Она указывает реальный путь к достижению небесных тел. Искусственные спутники Земли явятся тем трамплином, с помощью которого человек станет гражданином Вселенной.

«Движение вокруг Земли ряда снарядов, — писал Циолковский, — со всеми приспособлениями для существования разумных существ, может служить базой для дальнейшего распространения человечества».

Если даже в будущем атомные реактивные двигатели будут давать скорости истечения, значительно превышающие современные, и космические корабли сумеют перелетать с Земли на Луну без промежуточных остановок, искусственные спутники сохранят свое значение космических научных лабораторий.

Создание искусственных спутников Земли есть неизбежный шаг на пути овладения мировым пространством.

Первые искусственные спутники Земли

В начале августа 1955 года в Копенгагене состоялся Международный конгресс астронавтов. На конгрессе обсуждались проекты искусственных спутников Земли, а также перспективы дальнейших работ в области астронавтики.

По единодушному мнению участников конгресса, успехи современной реактивной техники настолько велики, что запуск первых искусственных спутников Земли может быть осуществлен в 1957–1958 годах.

Как известно, с 1 июля 1957 года по 31 декабря 1958 года будет организован так называемый Международный геофизический год, во время которого ученые разных стран проведут исследования магнитного поля Земли, полярных сияний, строения земной коры, землетрясений и других явлений, изучаемых геофизикой[7]. Таким образом, по решению Копенгагенского конгресса астронавтов, обширные исследования физики Земли будут дополнены созданием первых ее спутников.

Каково же устройство этих спутников, как мыслится их запуск и, наконец, какую пользу они принесут человечеству?

Первые искусственные спутники Земли будут несколько напоминать снаряд ньютоновой пушки. Во-первых, предполагается сделать их небольшими, так как чем меньше масса тела, тем легче его превратить в спутник Земли. По одним из существующих проектов первые спутники не превзойдут по размерам баскетбольный мяч. В других проектах они мыслятся несколько бóльшими.

Во-вторых, первые спутники Земли, в отличие от снаряда жюльверновской «колумбиады», не понесут в себе пассажиров, если только под последними не понимать разнообразные научные приборы.

Самый простой спутник — это металлический шар поперечником в несколько десятков сантиметров. Чтобы такой шар превратить в спутника Земли, необходимо, во-первых, поднять его в верхние, разреженные слои атмосферы и, во-вторых, сообщить ему соответствующую «круговую» горизонтальную скорость. Обе задачи может выполнить двухступенчатая ракета, похожая на современные (рис. 17).

Рис. 17. Простейший искусственный спутник Земли.

Первая ее ступень состоит из топливных баков и ракетного двигателя. После исчерпания всех запасов топлива первая ступень автоматически отделяется от остальной части ракеты и возвращается обратно на Землю В момент отделения первой ступени начинает действовать вторая ступень.

Ее устройство несколько сложнее. Кроме топливных баков и двигателя, в головной части ракеты помещается спутник, под которым находится некоторое количество взрывчатых веществ. В нужный момент с помощью автоматического устройства происходит взрыв, который выбрасывает спутник на круговую орбиту. Такова принципиальная сторона одного из наиболее простых проектов. Однако несмотря на всю свою простоту, описанный спутник может принести немалую пользу науке.

Представим себе, что такой спутник получил круговую скорость на высоте 200 км. Нетрудно подсчитать (см. стр. 10), что в этом случае он будет обладать линейной скоростью 7791 и периодом обращения около полутора часов. Следует заметить, что в момент выброса спутника из ракеты очень важно, чтобы спутник приобрел не только нужную круговую скорость, но и вполне определенное направление движения. Дело в том, что далеко не всякая круговая орбита будет устойчивой. Можно доказать, что спутник приобретет устойчивое движение только в такой плоскости, которая проходит через центр Земли. В противном случае, если, например, спутник начнет обращаться в плоскости какой-нибудь параллели, то либо орбита спутника сместится в одну из «устойчивых» плоскостей, либо спутник упадет на Землю.

На высоте 200 км над Землей плотность воздуха в миллионы раз меньше, чем у поверхности Земли. Это значит, что спутник, получив первоначальную скорость, будет затем двигаться, почти не встречая сопротивления атмосферы. Следовательно, спутник, обращающийся вокруг Земли на высоте 200 км, совершит достаточно большое число оборотов вокруг земного шара. Очень важно выяснить характер этого движения. Рассмотрим причины, которые на него влияют.

Главной силой, определяющей движение спутника, является сила земного притяжения. Оказывается, ее величина зависит не только от массы, но и от формы Земли. В частности, чем более сжата планета у полюсов, тем быстрее (при прочих равных обстоятельствах) будет обращаться вокруг нее спутник[8].

Астрономы по движению спутников планет определяют степень их сжатия. Так, например, исследовав движение V спутника Юпитера, советский астроном проф. К. Л. Баев нашел, что полярный радиус планеты на 8882 км меньше экваториального.

Сжатие Земли, равное отношению разности экваториального и полярного радиусов к величине экваториального радиуса, близко к 1/298. Оно определено разнообразными методами, в частности по движению Луны. Проверить, уточнить найденную величину сжатия по движению искусственных спутников очень важно в практическом отношении — чем точнее мы узнаем форму Земли, тем большей точностью будут обладать составленные затем географические карты. А карты крайне необходимы во всей практической деятельности современного человека.

На движение искусственного спутника Земли, пусть в ничтожной степени, но все же будет влиять сопротивление атмосферы. Удары молекул воздуха о поверхность спутника постепенно уменьшат его первоначальную скорость, и рано или поздно спутник упадет на Землю. Проникнув в нижние, более плотные слои атмосферы, спутник уподобится метеориту. Он раскалится до высокой температуры, оплавится, частично разрушится и, в конце концов, наблюдатели увидят пролетающий по небу искусственный метеорит.

Таким образом, благодаря сопротивлению воздуха, орбита спутника не останется круговой. Грубо говоря, она станет похожей на спираль довольно сложной формы. Изучение скорости движения спутника в каждой точке его пути, точное определение формы этого пути позволит выяснить характер сопротивления атмосферы на разных высотах, которое в свою очередь зависит от плотности воздуха, его температуры и других факторов. В этом — второй цикл научных проблем, решению которых поможет спутник.

Наконец, для межпланетных перелетов, для создания крупных заатмосферных станций очень важно выяснить, насколько часто встречаются в мировом пространстве небесные камни — метеориты. Столкновение межпланетного корабля с крупным метеоритом весом в десятки или сотни килограммов, не говоря о более крупных, может оказаться катастрофическим, Меньшие по массе метеориты способны нанести серьезные повреждения космическому кораблю.

Изучение метеоритной опасности в безвоздушном пространстве — одна из главных задач, которую хотя бы отчасти должны решить первые «разведочные» спутники Земли. Кое-что в данном вопросе может выяснить и простейший из спутников.

Не исключена возможность прямого попадания метеорита в спутник — в этом случае очень интересно изучить результат столкновения. Чем мельче метеориты, тем в бóльшем количестве встречаются они в мировом пространстве, тем вероятнее столкновения с ними.

Может быть на спутнике-шаре, упавшем на Землю, сохранятся не только следы его поединка с атмосферой, но и углубления, вызванные ударами мелких метеоритов. Их изучение представит значительный научный интерес.

Между прочим, исследования подобного рода ведутся уже и сейчас. Так, например, в 1953 году в США с помощью стратосферных ракет, поднимавшихся на высоту от 40 до 140 километров, было зарегистрировано 66 попаданий мелких микрометеоритов за 144 секунды. В среднем на каждый квадратный метр поверхности ракеты за секунду пришлось около 5 столкновений. При некоторых опытах удалось даже (правда с помощью микроскопов) обнаружить на металле крошечные ямочки, образованные микрометеоритами.

Чтобы следить за движением спутника, надо его видеть. Спутник, не обладая собственным свечением, будет, подобно Луне, отражать падающие на него солнечные лучи. Расчеты показывают, что шар поперечником в 1 м, отражающий свет как Луна, будет с расстояния в 900 км казаться звездочкой 7-й звездной величины, а с расстояния 200 км — звездочкой 3-й величины. Напомним для сравнения, что блеск самых слабых из звезд, доступных невооруженному глазу, равен 6-й звездной величине, а наиболее слабые звезды, зафиксированные с помощью крупнейших современных телескопов на фотопластинке, имеют блеск 23-й звездной величины.

Таким образом, некоторые из спутников удастся увидеть не только в телескоп, но и невооруженным глазом. Правда, видны они будут не всегда. Как известно, Земля отбрасывает в мировое пространство огромный конус тени. На расстоянии 200 км от поверхности Земли поперечник конуса близок к 13 000 км. Когда спутник попадет в тень Земли, он станет невидимым — произойдет затмение спутника, аналогичное лунному затмению.

Только на фоне утренних или вечерних зорь спутник будет доступен наблюдателю. Измерительные круги, которыми снабжены телескопы, позволят точно фиксировать положение спутника в пространстве.

Вполне возможно, что уже первые спутники Земли будут снабжены автоматическими приборами, но поскольку приборы боятся резких сотрясений, придется использовать иную систему запуска такого спутника. Не снаряд, выстреливаемый из ракеты, а третья, последняя ступень трехступенчатой ракеты — таков, по-видимому, наилучший вариант запуска подобного спутника (рис. 18).

Рис. 18. Спутник с автоматическими действующими приборами.

Преимущества рассматриваемого проекта очевидны. В отличие от спутника-снаряда, спутник-ракета постепенно наберет нужную круговую скорость, а потому ускорения спутника не будут чрезмерными. Это сохранит главную часть спутника — приборы. Разумеется, по достижении требуемой круговой скорости ракетный двигатель автоматически остановится и спутник начнет облет земного шара под действием единственной силы — собственного веса.

Какие же приборы поместят внутрь спутника и что они должны регистрировать?

Снаряжение первых спутников Земли будет, вероятно, во многом напоминать оборудование современных ракет, предназначенных для исследования атмосферы. Его можно разделить на следующие основные группы:

1. измерители температуры,

2. приборы для взятия проб воздуха,

3. измерители атмосферного движения,

4. спектрограф для фотографирования солнечного спектра,

5. счетчик космических лучей,

6. киносъемочный аппарат,

7. радиоаппаратура.

Рассмотрим принцип действия каждого из приборов и оценим возможность их применения на искусственном спутнике Земли.

Измерение температуры воздуха на быстро летящей ракете — сложное дело. Обычные термометры для этой цели непригодны, так как разреженный воздух больших высот не успеет их нагреть. Измерителями температуры должны быть приборы, очень быстро реагирующие на ее изменения. Такие приборы изобретены — они называются термисторами. В них используются вещества, электрическое сопротивление которых очень быстро меняется с изменением температуры. С помощью термисторов можно практически мгновенно обнаружить изменения температуры на тысячные доли градуса! Для стремительно летящих стратосферных ракет применение термисторов в качестве измерителей температур неизбежно.

Иная обстановка сложится на спутнике.

Обращаясь вокруг Земли по круговой орбите и практически за границами земной атмосферы, спутник будет находиться в условиях сравнительно постоянного теплового режима. На «дневном» участке своего пути он обогревается лучами Солнца. Попадая же в тень Земли, спутник при этом подвергается значительному охлаждению. Чередование нагрева и охлаждения спутника станет регулярно повторяющимся явлением.

Температура есть степень нагрева какого-нибудь тела, есть мера энергии движения составляющих его элементарных частиц (молекул, атомов). Какую же температуру будут измерять приборы спутника?

Вокруг спутника — безвоздушное пространство. Воздуха на высотах в сотни километров так мало, что измерить его температуру невозможно.

Представляет несомненный научный интерес измерение нагрева самого спутника, отдельных его частей и материалов. В данном случае измерителями температуры, кроме описанных выше приборов, могут стать термоэлементы. Принцип их действия очень прост.

Представьте себе два спая из различных металлов, например, цинка и меди. Пусть спаи соединены последовательно и в цепь включен электроизмерительный прибор — чувствительный гальванометр.