книги из ГПНТБ / Авдеев, Ю. Ф. Преддверие сказочного мира. (Космос, баллистика, человек)

I

ДАВАЙТЕ-КА, РЕБЯТА, ПРИСЯДЕМ ПЕРЕД СТАРТОМ

Существует хороший обычай: присесть перед дальней доро­ гой и мысленно проверить готовность к предстоящему пу­

тешествию. Приступая к изложению вопросов космической баллистики, целесообразно также придерживаться этого обы­ чая: прежде чем отправиться в -космический полет, необходимо провести небольшую предполетную подготовку. Говоря на язы­ ке летчиков, предполетная подготовка заключается в оценке ожидаемых условий полета и сопоставлении их с собственным опытом, техническими возможностями самолета и с наличием обеспечивающих полет средств.

Однако в преобладающем числе случаев главная часть под­ готовки заключается прежде всего в оценке условий полета (кому незнакомо объявление: вылет отменяется по метеоусло-

5

виям). Точно так же, собираясь совершить космический полет, присядем и вместе с баллистиками и конструкторами попыта­ емся разобраться в условиях космического полета. Здесь гла­ венствующую роль, очевидно, будут играть не метеоусловия, а совершенно другие, непривычные в нашей обыденной жизни, факторы. Чтобы разобраться в этом, вначале оценим физиче­ ские условия полета космического аппарата с точки зрения качественного характера действия различных сил. Затем рассмотрим особенности воздействия этих сил при движении космического аппарата в предместье Земли и межпланетном пространстве. Только вооружившись этими знаниями, мы в последующем сможем разобраться во всей сложности косми­ ческих путешествий и сознательно поступить при разрешении старта корабля или запрещении его по случаю «нелетных условий».

Какие силы действуют на летящий космический аппарат?

Становление и развитие космической техники началось по существу совсем недавно, каких-нибудь полтора десятка лет тому назад. Могучим движущим толчком этого развития по­ служил запуск 4 октября 1957 г. первого в истории человечест­ ва искусственного спутника Земли.

Конечно, когда проектировался полет первого и всех по­ следующих спутников, а также межпланетных космических ап­ паратов, то специалисты космической баллистики, конструкто­ ры ракеты должны были прежде всего оценить физическую и механическую стороны вопроса полета аппарата. Такая оцен­ ка включала качественный и количественный анализ всех дей­ ствующих сил, определяющих движение ракеты от момента старта до свободного полета в околоземном или межпланет­ ном пространстве.

Образное выражение Козьмы Пруткова «Зри в корень» полностью подтверждает то обстоятельство, что знакомство с движением космических аппаратов целесообразно начать с изучения действующих на них сил. Определение состава сил, их природы, характеристик и величин, а также анализ их влия­ ния на движение космического аппарата является одной из важных частей космической баллистики.

Итак, предположим, что космический аппарат помещен в некоторую произвольную точку межпланетного пространства, и для этого фиксированного положения перечислим совокуп­ ность всех действующих на него сил. Из дальнейшего станет также ясным, что величины и направления действия различ­ ных по своей природе сил могут зависеть не только от поло-

6

жения летящего аппарата в пространстве, но и от величины его скорости полета и направления движения. Поэтому, поме­ стив аппарат в некоторую точку пространства, мы будем од­ новременно полагать, что он имеет определенную скорость в известном направлении.

Из большого многообразия действующих сил прежде все­ го следует назвать силу притяжения. Действие этой силы мы ощущаем постоянно — стоим ли на месте, едем ли в поезде или со сверхзвуковой скоростью летим на самолете. Сила при­ тяжения — всеобъемлющая и всепроникающая. Книга, кото­ рую вы сейчас читаете, пальцы рук, держащие книгу, ваша го­ лова, ноги, все части тела, каждая мельчайшая частица его, клетка, атом— все притягиваются друг к другу. В равной сте­ пени они притягиваются к каждому кусочку Земли, ко всем видимым и невидимым звездам, к легким пушинкам и Солнцу, к летящей птице и неведомой далекой туманности Андромеды. Силы притяжения невидимыми нитями связывают все тела и их мельчайшие части друг с другом, образуя беспрерывную сеть, которую специалисты образно называют гравитационным полем. Вот только поэтому астрономы и баллистики говорят, что движение космического аппарата всегда происходит в гра­ витационном поле, т. е. пространстве, в каждой точке которого действуют силы притяжения.

Действие этих сил не остается постоянным ни во времени, ни в пространстве. Иначе говоря, если бы космический аппа­ рат оставался в одной и той же точке пространства и мы бы каким-то образом сумели измерить величины действующих на него сил притяжения, то увидели бы, что эти силы беспрерыв­ но изменяются. Мало того, если тот же самый аппарат пере­ нести в другую точку пространства, то действие этих сил так­ же изменилось бы. Такого рода беспрерывное изменение сил притяжения объясняется непрекращающимся движением всех тел, создающих гравитационное поле и одновременно находя­ щихся в нем. Это обстоятельство, кстати говоря, существенным образом усложняет «спокойную» жизнь астрономов и балли­ стиков. Но конкретнее об этом будет сказано несколько поз­ же. Важно подчеркнуть, что гравитационные силы в подавляю­ щем числе случаев в основном предопределяют движение кос­ мического аппарата.

Другая часть сил, воздействующих на космический аппа­ рат, но не вошедших в «подавляющее число случаев», возни­ кает при движении его в достаточно близкой окрестности пла­ неты, окруженной атмосферой. Эти силы носят аэродинамиче­ ский характер. Равнодействующая всех отдельных соударений

7

кривляет траекторию его движения. Если тело имеет ось симметрии (например конус, цилиндр) и ориентировано в пространстве так, что его ось симметрии параллельна направ­ лению полета, то подъемная сила будет отсутствовать и оста­ нется только сила лобового сопротивления. Очевидно, что для летательных аппаратов, выполненных в виде сферы, подъем­

ная сила будет отсутствовать всегда.

Аэродинамические силы носят локальный, местный харак­ тер. По мере удаления от поверхности планеты они будут уменьшаться, так как уменьшается плотность атмосферы. На­ конец, на некоторых достаточно больших высотах атмосфера практически исчезает и вместе с нею исчезают и аэродинамические силы. В действительности же нельзя провести какуюлибо воображаемую поверхность вокруг планеты и утверждать при этом, что с одной стороны поверхности, именно внутрен­ ней ее части, атмосфера есть, а с другой, наружной, — нет. Атмосфера каждой планеты, образно говоря, «дышит». Ее вы­ сота над поверхностью, плотность беспрерывно изменяются, сообразуясь со временем года, с вращением планеты вокруг собственной оси, с активностью солнечной деятельности и т. д. Это одна сторона вопроса, объясняющая, почему мы не можем установить какую-либо границу атмосферы. Другая сторона заключается в том, что атмосфера не кончается так, будто за ее последними молекулами, атомами далее ничего нет. Сов­ ременные исследования показывают, что межпланетное про­ странство не является пустым в указанном смысле. Оно запол­ нено чрезвычайно разреженным газом, в нем беспрерывным потоком с громадными скоростями летят различные заряжен-

8

ные частицы, образуя космические лучи, и даже дует так на­ зываемый «солнечный ветер». Солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц (корпускул), выбрасываемых Солнцем в космическое пространство. По сведениям амери­ канских ученых, солнечный ветер наблюдался вдоль всей тра­ ектории полета межпланетной станции «Маринер-2». Скорость его лежит в пределах от 320 до 800 км/сек. Но плотность по­ тока является чрезвычайно малой и составляет всего 0,6ч-1,25 протона и электрона в 1 см3 (напомним, что в таком объеме воздуха у поверхности Земли насчитывается 2,69-ІО19 молекул). Ввиду малой концентрации этих частиц они не оказывают за­ метного воздействия на движение космического аппарата и поэтому их влиянием, как правило, пренебрегают. Решение же вопроса о том, до каких высот следует учитывать влияние ат­ мосферы, производится каждый раз в зависимости от конкрет­ ной ситуации. Более подробно об этом будет сказано в соот­ ветствующем месте.

По мере приближения к поверхности планеты плотность ат­ мосферы возрастает, а это в свою очередь приводит к резкому увеличению тормозящего действия атмосферы. При космиче­ ских скоростях полета, начиная с некоторых высот, аэродина­ мические силы могут во много раз превысить гравитационные силы и полет космического аппарата становится в дальнейшем невозможным (он упадет на планету или превратится в обык­ новенный самолет). Именно по этой причине ранее было ска­ зано, что гравитационные силы не всегда определяют возмож­ ности полета космического аппарата.

Следующая большая группа сил своим происхождением обязана электромагнитным излучениям. Напомним, что к этим излучениям относятся весь диапазон радиоволн, тепловое из­ лучение и видимый свет. Известно, что если какое-либо тело поглощает, отражает или испускает электромагнитные волны, то вследствие этого возникают силы, действующие на это те­ ло. Это происходит подобно тому, как ветер толкает плывущий по морю корабль. Значит, и радиостанция, стоящая на Земле и передающая сигналы для связи с космическим аппаратом или производящая измерение параметров его движения, и из­ лучение света с Солнца и звезд, и периодические радиоимпуль­ сы далеких и таинственных квазаров, и даже свет зажженной вами спички — словом, все возможные излучения дружно на­ брасываются на одиноко летящий аппарат и каждое из них старается оттолкнуть его от себя. Вот вам наглядный пример действия закона диалектики о единстве и борьбе противопо­ ложностей: гравитационные силы одновременно и сообща,

9

каждое тело к себе, тянут затерянный в беспредельном про­ странстве аппарат, не давая ему возможности улететь, а элект­ ромагнитные волны, расположенные на тех же самых телах, напротив, столь же дружно отталкивают его. Как не посочув­ ствовать баллистикам, которые в столь невообразимом нагро­ мождении сил и их противоречивости действия должны пред­ угадать, больше того, даже направить движение космическо­ го аппарата. И что удивительно — им это удается!

Однако не так страшен черт, как его малюют. Из всей со­ вокупности действующих сил, в частности электромагнитных, баллистики научились выбирать главные, наибольшие, а все остальные ввиду их малости по сравнению с выбранными от­ сеивать. В действительности, например, оказалось, что из всех действующих сил электромагнитного происхождения главен­ ствующей является сила давления солнечного света (разумеет­ ся, при полетах в пределах Солнечной системы). Конечно, са­ ма по себе величина светового давления является ничтожной, измеряемой малыми долями грамма. Но не следует забывать, что летящий космический аппарат находится в пустоте и по­ этому малая сила при длительном непрерывном воздействии может привести к ощутимым смещениям его в пространстве.

Но это еще не все. Природа неисчерпаема в своем многооб­ разии. На беду баллистиков она выдвинула еще одно препят­ ствие — это магнитные поля вокруг планет. Если летящий космический аппарат будет нести какой-либо электрический за­ ряд, то взаимодействие этого движущегося заряда с магнит­ ным полем в соответствии с законом Лоренца вызовет еще одну силу, которую в некоторых случаях также необходимо

учитывать.

Таким образом, на летящий космический аппарат действу­ ют три следующие основные группы сил, в общем случае учи­ тываемых при расчете траекторий его движения:

—притяжение планет,

—сопротивление атмосферы,

—давление солнечного света.

Это силы естественного происхождения и поэтому их воз­ никновение не связано с желанием и волей человека. Человек может как-то использовать их в собственных интересах. Но это уже другая сторона вопроса, относящаяся к проблемам проектирования и управления полетом.

Существует, однако, еще одна группа сил, действие кото­ рых целиком и полностью подчинено человеку. Эти силы обра­ зуются с помощью специальных ракетных двигателей, установ­ ленных на космических аппаратах. По желанию человека тяга

10