Геометрический калейдоскоп на орбите

Пристрастие космического конструктора к геометрии вполне объяснимо: творец космических аппаратов никак не должен забывать об их внешнем облике, К его услугам толстый атлас геометрических форм, который он может перелистывать, размышляя о преимуществах той или иной фигуры. Впрочем, все это давно уже проделано, и в современных технических справочниках можно найти оценку каждой формы.

Самое удивительное, что непригодных фигур практически не нашлось. Из уже запущенных и только еще задуманных космических аппаратов и станций можно составить полный геометрический набор. Здесь и сферы, и цилиндры, и конусы, призмы, торы-«бублики», диски,«гантели» и многое другое. Кажется, что космическое конструирование — это единственная область техники, где для всякой геометрической формы нашлась своя роль.

Прежде всего конструкторов прельщают самые элементарные фигуры. Не потому, что в детстве им плохо давалась геометрия. У этих элементарных много неоценимых достоинств. Начать хотя бы с того, что аппарат простой геометрической формы всегда компактен. Управлять таким аппаратом в полете куда удобней, чем какой-нибудь громоздкой, размашистой конструкцией, про которую не сразу скажешь, куда и как она повернется при включении двигателя. У компактных спутников меньше площадь поперечного сечения, поэтому невелико лобовое сопротивление и дольше время пребывания на орбите. А самая компактная из всех фигур — сфера.

Мы уже убедились в преимуществах сферической формы, когда речь шла о топливных баках. Наименьшая поверхность при заданном объеме, а значит, и наименьший вес оболочки — вот что отличает спутники-шары от многих иных. Таким был первый искусственный спутник Земли — знаменитый советский «ПС-1», «простейший спутник». Корпус его состоял из двух металлических полушарий, стягиваемых болтами, с резиновой прокладкой между ними. Установленные внутри приборы привыкли работать в земных условиях, поэтому спутник был наполнен азотом, давление которого равнялось атмосферному. В качестве газа-теплоносителя азот обеспечивал также равномерное распределение температуры в объеме спутника.

Снаружи глубокий вакуум, внутри атмосферное давление. Какова сила атмосферного давления, люди узнали еще три столетия назад, когда Отто Герике провел в Магдебурге свои знаменитые опыты. Шестнадцать лошадей не могли разъять сложенные вместе полушария, из которых откачали воздух. Спутник «ПС-1» представлял собой «магдебургские полушария» наоборот: атмосферное давление распирало его изнутри. Сферическая форма тут была весьма кстати, ведь круглые сосуды лучше любых других выдерживают высокое внутреннее давление.

Было еще одно обстоятельство, которое учитывалось при выборе «ПС-1». Благодаря своей исключительной симметрии сфера наиболее удобна для измерения тормозящей силы верхних разреженных слоев атмосферы. Говорят, что создатели первого спутника присовокупили к этим веским аргументам соображение эмоционального порядка, казавшееся им не менее важным. Они считали, что спутник должен походить своим обликом на естественные небесные тела, поскольку в сознании людей он навсегда останется символом начала космической эры человечества.

Конструкторам советской автоматической станции «Венера-8» пришлось решать такую же проблему, что и творцам первого спутника, только ситуация была как бы вывернута наизнанку. Дело в том, что атмосферное давление на поверхности Венеры чуть ли не в сто раз выше, чем на Земле. Подобно «магдебургским полушариям», спускаемый аппарат станции должен был сдавливаться снаружи атмосферными силами, только куда более мощными. И нужны были не менее тщательные предосторожности, чем те, которые предпринимал в свое время Отто Герике. Однажды, когда этот исследователь вздумал откачать из медного шара воздух, шар лопнул во время опыта с громким треском. Герике правильно разгадал причину этой неудачи — на поверхности шара оказался небольшой плоский участок. Только абсолютно правильная сфера может выдержать высокое наружное давление — таким выводом руководствовались вслед за Герике создатели «Венеры-8». Для спутника «ПС-1» забота об исключительной правильности сферической формы была ни к чему. Ведь он был подвержен внутреннему давлению, а оно само исправляет все отклонения от сферичности, скругляет все непроизвольные уплощения. В этом легко убедиться, раздувая различные резиновые фигуры.

83Все они стремятся при этом округлиться. Но при высоких наружных давлениях малейшее искажение сферической оболочки может оказаться роковым. Микроны геометрической точности заменяют здесь многие десятки килограммов веса, которые пришлось бы в противном случае добавлять, утолщая стенки корпуса. «Шарик» советской автоматической станции был изготовлен в полном соответствии со своим геометрическим образом, о чем свидетельствует его благополучная посадка на поверхность Венеры.

Вслед за первым спутником на околоземные орбиты вывели немало других сфер. Но на выпуклых стенках трудно было крепить чувствительные датчики измерительных приборов и элементы солнечных батарей, количество которых на борту спутников непрерывно возрастало. Пришлось отказаться от этой удобной формы. Сферы были заменены многогранниками, порой очень похожими на них и сохраняющими часть их достоинств. Так, если первые пять американских навигационных спутников «Транзит» были сфероидальными, то шестой и седьмой превратились уже в правильные шестнадцатигранные призмы. Плоские грани позволили установить на них необходимые для работы детали.

Вращение тяжелой металлической балки вокруг продольной и поперечной оси.

У сферы все оси совершенно равноправны и одинаковы. Ни одна из них не обладает каким-либо преимуществом, которое позволило бы выделить ее как ось ориентации аппарата. Поэтому не подходит сферический облик для спутников, ведущих наблюдение за земной поверхностью. Им нужна форма, более приспособленная для ориентации и стабилизации. На примере длинной железной балки легко подметить те качества, которыми должна обладать такая форма. Закрепив продольную ось балки в подшипниках, можно без особого труда вращать этот тяжелый металлический брус. Но попробуйте повернуть его вокруг другой оси — поперечной, проходящей через центр! Для этого потребуются немалые усилия. Продольная ось балки весьма неохотно меняет свое положение в пространстве. Если нацелить ее одним концом на Землю, а другим — на какую-нибудь звезду, то можно получить на орбите устойчиво ориентированный спутник, который не так-то просто сбить с «наводки».

Столь же неповоротлива продольная ось цилиндрической оболочки. Запущенный в космос пустотелый цилиндр не боится случайных воздействий, стремящихся нарушить его ориентировку. А если еще закрутить цилиндр вокруг продольной оси, то он, подобно волчку, будет активно сопротивляться любой попытке изменить направление этой оси. Поэтому цилиндрическая форма придана многим искусственным спутникам Земли, для нормальной работы которых нужна точная ориентация. В цилиндрический корпус упаковано, например, все оборудование советской автоматической станции «Прогноз», весящей 845 килограммов. Чтобы обеспечить бесперебойный рабочий режим научным приборам и солнечным батареям, продольную ось цилиндра навели на Солнце и заставили станцию крутиться вокруг этой оси, как веретено. Традиционно цилиндрический корпус у многих советских спутников серии «Космос».

Как видим, геометрию спутника подсказывает его назначение. Порой даже просто навязывает. Например, спутнику-рефлектору предстоит фокусировать и отражать в определенном направлении радиоволны или лучи света. Такой спутник не представишь себе иначе, как в виде гигантского параболического зеркала. С помощью космических зеркал предлагают освещать ночью отдельные участки земной поверхности. Двенадцать отражателей, диаметром по 300 метров каждый, могли бы отбрасывать на Землю «зайчик» свыше 300 километров в поперечнике. В безоблачную ночь освещенность была бы такая же, как от десяти Лун.

Спутник в виде пластины, повернутый своей плоскостью навстречу движению, пригоден для подсчета метеоритов, пронизывающих околоземное пространство. Тот же спутник-пластина, повернутый своей плоскостью к Земле, — идеальный объект для наблюдения и быстрого опознавания. Регулярные наблюдения проводятся, например, за геодезическими искусственными спутниками. Отражая плоской поверхностью направленный на него с Земли луч лазера, небесный странник может оповещать о своем местоположении. Если закрутить пластину вокруг оси, лежащей в ее плоскости, то спутник предстанет земному наблюдателю далеким мигающим фонариком. Чем быстрее вращается пластина, тем чаще мигает «фонарик». Частота мигания может служить опознавательным сигналом спутника.

Американские специалисты решили наблюдать земную поверхность с помощью спутника, не ориентированного постоянно на Землю. Так на орбиту попала еще одна геометрическая форма — «колесо». Это был метеорологический спутник «Тирос-9», фотографировавший облачный покров. На противоположных концах его диаметра установили две телевизионные камеры. Поскольку закрученное «колесо» как бы катилось по орбите, попеременно то одна, то другая камера наводилась на Землю, обеспечивая почти непрерывное наблюдение.

Побывал в космосе даже крылатый конь «Пегас». Такое название дали американскому спутнику, раскрывшему на орбите два огромных «крыла», размах которых достигал почти 30 метров, а ширина — 4,3 метра. Спутник измерял плотность метеоритного потока. Хитроумные приборы фиксировали место и время каждого пробоя «крыла» метеоритом.

Советский метеорологический спутник «Космос— 149» с воздушным стабилизатором.

Порой спутник уподобляют по внешнему виду оперенной стреле: к нему крепят воздушный стабилизатор. Тогда в полете он всегда устремлен «наконечником» вперед. Но о какой воздушной стабилизации может идти речь, спросите вы, если спутник совершает свой полет на весьма значительном удалении от Земли? Хоть и ничтожно мала плотность атмосферы на больших высотах, пренебрегать ею не стоит. Сила воздушного потока, обдувающего космический аппарат, не превосходит десятых долей грамма. И все же «оперенный» корпус спутника повинуется этому легчайшему дуновению. Такая стабилизация впервые была применена на советском метеорологическом спутнике «Космос-149». Немалое требовалось искусство, чтобы сделать массивный аппарат послушным едва ощутимому встречному «ветру».

Геометрия щедро одарила космических конструкторов, но одну весьма интересующую их форму им так и не удалось заполучить. Не нашлось такого геометрического образа, воплотившись в который спутник не ощущал бы тормозящей силы со стороны разреженных слоев атмосферы. Пришлось конструкторам прибегнуть к выдумке. И вот на орбите появляется своеобразная «матрешка» — вложенные друг в друга спутники. Для чего же понадобился столь необычный эксперимент?

Формы искусственных спутников: 1 — американский спутник «Нимбус»; 2 — запущенные одновременно американские спутники «Транзит-4а», «Греб-3» и «Инджун; 3 — американский спутник «Секор»; 4 — советский спутник «Протон-1»; 5 — советский спутник «Электрон-2»; 6 — американский спутник «ОСО-1»; 7 — американский спутник «Эксплорер-28»; 8 — американский спутник-контейнер с 480 миллионами медных иголок; 9 — канадский спутник «Луэтт»; 10 — советский метеорологический спутник «Космос-122»; 11 — советский спутник связи «Молния-1».

Спутник на орбите — это весьма чувствительный прибор. Нужно лишь научиться понимать его показания — наблюдаемые с Земли особенности движения космического аппарата. Немало расскажут они о строении нашей планеты, о неравномерностях распределения ее массы и о многом другом. Но ни один искусственный спутник не придерживается строго той орбиты, которая предписана ему силами земного притяжения. Это вызвано целым рядом причин: торможением спутника в верхних слоях атмосферы, давлением на него солнечных лучей и даже ударами мельчайших метеоритов. По сравнению с гравитационной силой эти воздействия ничтожно малы. Например, тормозящая сила разреженных воздушных слоев на высоте 400 километров в десятки тысяч раз слабее, чем притяжение Земли. Давление лучей Солнца слабее в миллион раз. А давление потока микрометеоритов в миллион раз меньше солнечного давления. «Отдача» от излучения радиоантенны — и та в сотни раз сильнее метеоритного воздействия. Но даже эти легчайшие прикосновения, не оставляющие космический аппарат в покое ни на минуту, ни на секунду, приводят к довольно ощутимым результатам. Достаточно сказать, что продолжительность существования искусственных спутников Земли определяется именно сопротивлением разреженной атмосферы. Чтобы использовать спутник для геодезических измерений высокой точности, нужно уберечь его от этих влияний.

Спутник в футляре надежно защищен от воздействия негравитационных сил.

У всех негравитационных сил есть одна общая черта: в отличие от притяжения Земли они действуют только на поверхность аппарата. Это подсказало оригинальное решение — послать на орбиту спутник в защитном футляре. Футляр воспримет своей поверхностью весь натиск внешней среды, а заключенный в него спутник совершит беспрепятственный полет по орбите, воспроизводя гравитационное движение в чистом виде. Так был сконструирован американский спутник «Трайяд-1», несущий в своем чреве другой спутник. Наружный спутник-футляр снабжен реактивными двигателями. Их тяга позволяет ему управлять своим полетом, подстраивая его к неискаженному движению внутреннего спутника. Таким образом оба спутника — футляр и его содержимое — «шагают в ногу». Перемещаясь по правильным, в своем роде образцовым, околоземным орбитам, они могли бы служить хорошими навигационными ориентирами. Наблюдая в открытом море за прохождением искусственного небесного тела, не подверженного никаким возмущающим воздействиям, можно определять местоположение судна с точностью до 25 метров.

Спутник «Трайяд-1»: 1 — передающая антенна; 2 — блок электронного управления; 3 — центральная часть спутника, внутри которой заключено тело, ограждаемое от внешних воздействий; 4 — блок энергопитания.

«Трайяд» — не единственный спутник-«матрешка». И задача, которую он выполняет, не единственно возможная для таких конструкций. Взять хотя бы «Интеркосмос-18». Родившись в результате сотрудничества социалистических стран, этот спутник сам дал жизнь другому космическому аппарату. Когда он был уже на орбите, из чрева его вышел чехословацкий малый спутник «Магион». Отделившись от своего родителя, «Магион» не смог бежать вровень с ним и стал постепенно отставать, примерно на 25 сантиметров за секунду. Ученые задумали этот космический эксперимент, чтобы изучить поведение электромагнитных полей в околоземном пространстве. Одного спутника для этой цели оказалось недостаточно. Необходимы были согласованные измерения сразу на двух аппаратах. Сначала приборы «Интеркосмоса», движущегося впереди, регистрировали какое-то явление, а через некоторое время его же фиксировала аппаратура «Магиона». Стало возможным проследить, что произошло с этим явлением за прошедший отрезок времени, как оно развивается. Измерения проводились до тех пор, пока спутники не разошлись почти на тысячу километров. После этого эксперимент пришлось прекратить.