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

Рис . 64. Система космический аппарат (2) — Земля (1) — космонавт (3).

ЦМ — положение центра масс системы.

определенности положим, что космонавт оказался над кораб­ лем (рис. 64). Значит, распределение масс в этой системе по сравнению с первоначальным состоянием ее изменилось так: он переместился ближе к кораблю. Но в соответствии с законом о сохранении движения центра масс положение цент­ ра масс относительно линии первоначального движения не должно измениться. Иначе говоря, по какой траектории он двигался вначале (до выхода космонавта), по такой он дол­ жен двигаться и после выхода космонавта в космос. Это озна­ чает, что для сохранения неизменным движения центра масс удаление космонавта в одну сторону автоматически приведет к смещению Земли в противоположном направлении (рис. 64). Таким образом, когда космонавт выходил из корабля, он со­ вершенно не представлял себе, что его выход приведет к сме­ щению траектории движения Земли. Разумеется, это очень малый эффект. Величина смещения Земли по сравнению со смещением космонавта относительно корабля будет примерно во столько раз меньше, во сколько раз масса Земли превышает массу космонавта.

Строго говоря, на этом дело не заканчивается. Отклонение Земли от первоначальной орбиты движения точно так же при­ ведет к смещению Солнца, а это в свою очередь вызовет воз­ мущения в движении планет Солнечной системы. Значит, лю­ бое произвольное изменение положения отдельных частиц Солнечной системы не проходит бесследно, оно так или иначе,

\

пусть в чрезвычайно малых эффектах, но непременно сказыва­ ется на последующем движении и положении тел внутри этой системы. Вот отсюда и вытекает новый способ передачи инфор­ мации в космосе. Для этого достаточно космонавту переме­ стить какой-либо груз внутри корабля, например, поднять или опустить руку, переложить бортжурнал с одного места на дру­ гое и т. д., как это с неумолимой неизбежностью отразится на движении Земли. Мы, сидя на Земле, должны лишь зарегист­ рировать это изменение. Если заведомо условиться с космо­ навтом о порядке и последовательности перемещения какихлибо масс внутри корабля или снаружи его и каждому пере­ мещению присвоить какую-либо условную информацию, тст тем самым откроется возможность осуществления связи кос­ монавта с Землей. Точно так же, перемещая какие-либо массы на поверхности Земли, мы изменим траекторию движения кос­ монавта. Тогда космонавт по обнаруженному изменению тра­ ектории может судить о передаваемой ему информации. Одна­ ко поверхность Земли и распределение масс на ней беспре­ рывно меняются из-за влияния климатических условий и тру­ довой деятельности людей. Все это, разумеется, в какой-то ме­ ре сказывается на траектории движения корабля, и космонав­ ту будет трудно выделить полезный сигнал. В связи с этим на Земле необходимо, например, иметь какое-либо устройство по' периодическому, с заданной частотой изменению положения некоторой массы. Тогда космонавт из совокупности всех изме­ нений траекторий должен выделить периодическую составляю­ щую, кратную частоте колебаний наземного источника. Этим способом в принципе может передаваться определенная ин­ формация с Земли на борт космического корабля.

Таким образом, мы нашли новые возможности осуществле­ ния связи Земли с космосом. Они базируются на изменении от­ носительного движения Земли и космического корабля за счет определенным образом выполненного перемещения масс на орбите корабля или на Земле. Но, к величайшему сожалению, современный технический уровень развития средств измерений не позволяет реализовать эту связь. Дело в том, что возникаю­ щие отклонения Земли при выходе космонавта из корабля чрезвычайно малы, их мы не можем ничем зарегистрировать, обнаружить или измерить. Они далеко выходят за рамки чув­ ствительности наших самых точнейших приборов. Но это еще не все. Даже при наличии необходимых средств измерений ор­ биту движения корабля потребуется определять с невероятно высокой точностью, когда можно было бы ощущать ее флук­ туации, вызванные перемещением масс на Земле. Практически

213.

это нереально. Поэтому в настоящее время обращается внима­ ние на несколько иной способ использования гравитационного поля для передачи информации, а именно гравитационных волн. Простейший источник гравитационных волн — вращаю­ щаяся гантель. Существуют и другие способы их генерации. Совсем недавно стали появляться сообщения о том, что уда­ лось зарегистрировать гравитационные волны. Опыты были выполнены Дж. Вебером в университете штата Мэриленд на востоке США. Пока что опубликованы первые результаты, и это может вызвать у скептиков сомнение в достоверности от­ крытия. Но путь к нему проложен.

В предварительных опытах Вебера источником гравитаци­ онных волн был алюминиевый цилиндр весом около 130 кг, ко­ леблющийся вдоль своей оси. Длина цилиндра 1,5 м, диаметр около 20 см. Колебания цилиндра возбуждались с помощью переменного электрического тока.

Приемником гравитационных волн служил другой, более тяжелый цилиндр, расположенный невдалеке от источника ко­ лебаний. На этом опыте Вебер убедился, что колебания гене­ ратора возбуждают синхронные колебания приемников. После этого Вебер приступил ко второму, главному опыту — к реги­ страции гравитационных волн, приходящих из космоса. Он ис­ пользовал два больших цилиндра, расположенных на расстоя­ нии 1000 км друг от друга (один — около Вашингтона, дру­ гой — в Чикаго). В течение восьмидесяти дней изучались от­ счеты двух самописцев, регистрирующих колебания двух при­ емников. Было замечено прохождение не менее десяти сигна­ лов. Это — первый практический успех на пути использования гравитационных волн для передачи информации сквозь нево­ образимые дали космоса. Будущему принадлежит дальнейшее ■совершенствование этого метода.

Обезопасности космонавта, привязанного тросом к кораблю

Вразделе, посвященном космическому пешеходу, мы уже говорили, что трос, соединяющий «безмоторного» космонавта с

кораблем, это не просто элемент страховки. Он совершенно не­ обходим при выходе из корабля.

Итак, привяжем космонавта к кораблю тросом. Теперь он не уйдет от корабля дальше вытянутого троса и, если необхо­ димо, смотает трос и сблизится с кораблем. Просто и легко. Но так ли это на самом деле? Что произойдет с космонавтом, ког­ да он сблизится с кораблем? На первый взгляд ответ может быть очень несложным. Космонавт будет приближаться к ко-

214

Р и с. 65. Траектория удаления и сближения космонавта с кораблем:

направление отделения космонавта от корабля; 1 — направление полета корабля; 2 — траектория полета космонавта при отсутствии притяжения Земли; 3 — фактическая траектория по­ лета; 4 — вытянутый трос: 5 — траектория обратного полета

после натяжения троса; 6 — корабль.

раблю в направлении линии натяжения троса, выбирая такук> скорость сближения, чтобы избежать сильного удара о корпус корабля. Однако в реальных условиях процесс сближения бу­ дет происходить иначе. Чтобы разобраться в этом, предполо­ жим, что трос не имеет демпфирующих устройств, которые как бы нейтрализуют силы его упругости. В этом случае после удаления от корабля и натяжения троса эти силы упругости создадут некоторый импульс скорости, толкающий космонав­ та к кораблю. Траектория движения космонавта после отделе­ ния от корабля в плоскости орбиты его движения при малом времени полета до натяжения троса будет аналогична полету пули. Значит, для изображенного на рис. 65 направления отде­ ления космонавта отклонение траектории его движения будет' происходить вверх. После натяжения троса за счет сил упруго­ сти он начнет возвращаться к кораблю со скоростью wo. Одно­ временно с этим составляющая скорость w u перпендикулярная

21S

натянутому тросу, заставит космонавта отклоняться от кораб­ ля. В результате космонавт при обратном движении уже не попадет на корабль, а пройдет в стороне от него. Если космо­ навт, пролетая около корабля, начнет сматывать трос, стара­ ясь подтянуться, то это приведет к его закручиванию относи­ тельно корабля, что резко усложнит и даже может сделать опасным сближение с кораблем.

Величина «промаха» будет зависеть от длины троса и ско­ рости отделения космонавта. При длине троса 30 м и скорости

•отделения 0,2 м/сек этот «промах» может достигнуть несколь­ ких метров.

Теперь предположим, что трос имеет демпфирующее уст­ ройство. После натяжения троса космонавт не получает им­ пульса скорости, направленного к кораблю. Но при этом появ­ ляется другая опасность — составляющая скорости w x (рис. 65) приведет к закручиванию космонавта относительно корабля на расстоянии вытянутого троса, гі сближение космо­ навта с кораблем еще более усложнится. Если, например, ско­ рость отделения космонавта от корабля равна 0,5 м/сек, а дли­ на троса составляет 50 м, то спустя 100 сек полета трос натя­ нется, и космонавт начнет вращаться относительно корабля со скоростью 5 см/сек. Когда же после этого космонавт попы­ тается сблизиться с кораблем, сматывая трос, то траектория движения космонавта относительно корабля будет иметь вид спирали, а на расстоянии 2 м от центра тяжести корабля ско­ рость космонавта станет равной 1,3 м/сек. А это уже не малая величина.

Кроме того, трос начнет накручиваться на корабль, а это в свою очередь может привести к механическому повреждению внешних частей конструкции корабля, например, рулевых дви­ гателей, антенн или солнечных батарей.

Как видим, и спасательный трос таит в себе немало опас­ ностей для космического пешехода и корабля. Даже в этом случае свободное движение в космосе существенным образом искажает ожидаемый для «земных жителей» процесс сближе­ ния космонавта с кораблем и, если не принять соответствую­ щих мер, может привести к закрутке его относительно корабля л в конечном счете удару об него.

Одной из мер является применение индивидуальных ракет­ ных двигателей, устраняющих вращательное движение космо­ навта вокруг корабля. В качестве другой меры, обеспечиваю­ щей безопасное сближение, космонавта с кораблем, может явиться синхронное вращение корабля вместе с космонавтом, исключающее наматывание троса на корабль. Но для этого

2 1 6

потребуется, разумеется, дополнительный расход топлива и„ кроме тото, возможность управления вращением корабля в за­ данном направлении.

А что произойдет, если космонавт отделится в ином направ­ лении, не лежащем в плоскости орбиты, а уходящем, скажем,, несколько в сторону от него? Здесь траектория сближения с кораблем будет уже не плоская, а станет сложным образом извиваться в пространстве. Ріа только что описанную картину сближения наложатся еще боковые колебания, раскачиваю­ щие космонавта из стороны в сторону, и космонавту будет трудно представить, с какой стороны он в конце концов достиг­ нет корабль и как будет двигаться в этот момент относительнокорабля. Некоторое представление о процессе сближения кос­ монавта с кораблем в этом случае вы можете получить, про­ делав следующий нехитрый опыт. Привяжите на нитку неболь­ шой грузик и, взяв конец ее в руку, раскачивайте грузик про­ извольным образом и после этого начните подтягивать грузик к руке. Вы убедитесь, что по мере приближения грузика к руке размах его колебаний все больше и больше увеличивается, на­ конец он начнет наматываться на кулак и в конце концов больно ударит по руке. Нечто аналогичное произойдет и с кос­ монавтом и поэтому разработка практически удобных и безо­ пасных «способов сближения его с кораблем — нужная и важ­ ная задача.

Искусственная тяжесть

Человек выходит в космос не для прогулки, а для того, что­ бы работать. В будущем, например, предполагается проведе­ ние планомерных исследований космического пространства на

планеты на вопросы корреспондента газеты «Комсомольская правда».

Во п р о с . Не так много времени прошло с тех пор, как со­ ветские ученые и инженеры создали первую в мире орбиталь­ ную станцию, а теперь уже наметилось новое направление в- исследовании космоса, основанное на строительстве таких станций. Судя по высказываниям ученых различных специаль­ ностей, все возлагают на них большие надежды. Скажите, Ва­ силий Васильевич, чем особенно интересны такие станции для космических врачей и биологов?

От в е т . Орбитальные станции как раз то, что не только нужно, но и необходимо для всестороннего изучения космиче­

217'

ского пространства. Ведь только долгие, постоянные наблюде­ ния могут дать обширный научный материал, без которого не­ мыслимо знание закономерностей мира, окружающего нашу планету. Сами понимаете — одно дело ненадолго заглянуть в этот мир и совсем иное — жить в нем, наблюдая изо дня в день, из месяца в месяц. Мне кажется, что в этом — одно из основных достоинств таких станций. И для нас, специали­ стов по космической медицине и биологии, именно это обстоя­ тельство играет крайне важную роль: ведь мы получаем пре­ красную возможность наблюдать человека в вечной лаборато­ рии невесомости. Вечной в том смысле, что это состояние чело­ век будет испытывать не ограниченное время, а сколько нуж­ но для исследований. Быть может, это покажется странным, но о самом главном свойстве космоса — о невесомости мы знаем не только далеко не все, но, я бы даже сказал, сравнительно немного. Пока еще человек не был в невесомости больше че­ тырнадцати суток, да и животные недалеко отодвинули этот ■барьер. Собаки на советском спутнике «Космос-ПО» летали двадцать один день. С одной стороны, много, а с другой — мало...

Таким образом, академик В. В. Ларин подтверждает, что в настоящее время еще нет достаточного количества опытных данных о возможности длительного (в течение нескольких ме­ сяцев или даже лет) пребывания человека в состоянии неве­ сомости. Никто не может гарантировать, что она рано или поздно не отразится на здоровье космонавта. Но если даже и окажется, что невесомость не сказывается на человеке, то все равно конструкторы космических кораблей будут стремиться для их экипажей создать наиболее благоприятные условия жизни, приближающиеся к земным. Одно из наиболее серьез­ ных условий, которые пока что трудно выполнить, — это соз­ дание тяжести. Науке не известны способы создания тяжести в корабле в том виде, как ее образует природа. В настоящее время ее без всяких трудностей создают только писатели-фан­ тасты. Но технике известен заменитель тяжести — это центро­ бежная сила, для использования которой необходимы косми­ ческие корабли специальной конструкции. В одних случаях их представляют в виде гантели. В утолщенных частях гантели могут располагаться жилые помещения экипажа, а в ее руч­ ке ■— приборное хозяйство, двигатели, оборудование и т. д. При вращении гантели вокруг оси, перпендикулярной оси руч­ ки, возникнут центробежные силы, ощущаемые человеком как силы тяжести. Вместо жесткой гантели может быть примене­ на конструкция, состоящая из двух отсеков, соединенных меж­

218

•скажем, в 10 раз, т. е. он будет -совершать оборот за 2 час

.24 мин вместо суток. Но это приведет к стократному уменьше­ нию длины троса, т. е. он сократится до 10 км. Однако дать окончательный ответ на вопрос о том, до какой степени мож­ но все-таки сокращать длину троса, мы сейчас не можем. Для этого необходимо знать минимально допустимое значение пе­ регрузки и скорости вращения, которые космонавт может без­ болезненно перенести в условиях длительного полета.

Мы не ставим перед собой задачу получить рекомендации, обеспечивающие решение поставленных проблем. Быть может, это сделаете вы. Наша цель значительно скромнее — ответить на чисто технический вопрос: каким образом можно закрутить систему, -состоящую из двух частей, корабля и противовеса, соединенных между собой тросом?

Напрашивается следующий способ: надо на корабле уста­ новить ракетный двигатель, развернуть его соответствующим образом и с помощью его раскрутить систему. Просто и по­ нятно. А нельзя ли закрутку системы достичь иными путями, без двигателей, используя закономерности относительного дви­ жения? Если вы внимательно прочли раздел «Пешеход в кос­ мосе», то ответ может быть утвердительным. Причем эта опе­ рация может быть выполнена несколькими способами.

С п о с о б 1. Представим себе, что вторая часть корабля или противовес находится впереди или позади корабля и со­ вершает полет по той же самой орбите, что и корабль. Поло­ жение этой системы в пространстве не будет оставаться ста­ ционарным; она вращается по отношению к звездам с постоян­ ной угловой скоростью, совершая один оборот за время одного витка вокруг Земли. (Вот, кстати говоря, загадка для люби­ телей парадоксов: несмотря на то, что система вращается, центробежные силы, действующие в направлении соединяю­ щей их прямой линии, почему-то не проявляются. В этом нас убеждает тот факт, что обе части системы могут находиться на одном и том же расстоянии друг от друга без соединения их тросом. В противном случае, т. е. при наличии центробеж­ ных сил, они должны были бы разойтись друг от друга, в то время как теория и опыт это отрицают.) Теперь попытаемся сблизить корабль и противовес, сматывая трос. Для опреде­ ленности положим, что перед сближением противовес находил­ ся впереди корабля, а массы их одинаковы. В момент натяже­ ния троса корабль получит некоторое приращение скорости своего орбитального полета, тогда как противовес •— уменьше­ ние ее. Трос после этого ослабнет, а корабль и противовес нач­ нут уходить с первоначальной орбиты полета, описывая в от-

.220

корабля и противовеса на одной и той же орбите и последую­ щие соединения их тросом. Как же поступить, когда до начала закрутки корабль и противовес находятся вплотную друг к другу? Вот здесь уже целесообразнее использовать другой способ.

С п о с о б 2. Оттолкнем противовес в направлении радиуса орбиты. В относительном движении корабль и противовес нач­ нут описывать критические траектории, удаляясь друг от друга (рис. 67). По мере их расхождения трос должен разматывать-

Р и с. 67. Закрутка системы по второму способу:

1 — положение системы в начальный момент; 2—2 — по­ ложение системы спустя почти половину периода обра­ щения; 3 — направление полета; 4 — вытянутый трос.

•ся. При достижении наибольшего расстояния между ними, что произойдет через половину витка, относительная скорость дви­ жения корабля будет направлена вверх, а противовеса — вниз. Образовалась как бы сама по себе закрученная в плоскости орбиты пара тел, причем направление ее вращения противо­ положно вращению при полете по орбите вокруг Земли. Одна­

221