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

2.Определение такого режима полета станции и времени старта, чтобы, преодолев силу земного притяжения и в после­ дующем двигаясь под действием силы притяжения Солнца, она

.могла бы в заранее назначенной точке космического простран­ ства встретиться с Венерой.

3.Выбор времени полета. При слишком большой продол­ жительности полета возрастает опасность столкновения стан- ; ции с микрометеорами и вероятность выхода из строя элемен­ тов аппаратуры станции под воздействием факторов космиче­ ской среды. При этом время достижения Венеры должно быть

.выбрано так, чтобы в момент входа станции в атмосферу Ве­ неры она должна быть видна из центра дальней космической связи, расположенного на территории Советского Союза.

4.Определение такого расположения Земли и Венеры и со­ ответствующий ему межпланетной траектории, чтобы в момент встречи Венера была возможно ближе к Земле. Этим обеспе­ чивается надежность радиосвязи на заключительном этапе по­ лета станции.

5.Выбор такой траектории полета, чтобы скорость входа станции в атмосферу Венеры 'была по возможности наимень­ шей. При этом уменьшаются перегрузка и величина нагрева, воздействующие на спускаемый аппарат, что позволит умень­ шить вес его конструкции и теплозащиты.

Конечно, некоторые из этих требований являются противо­ речивыми и их невозможно удовлетворить все одновременно. Поэтому перед баллистиками возникает задача отыскания не­ коего компромиссного решения, отвечающего в какой-то сте­ пени всем выдвинутым требованиям. В силу этих причин вы­ бор траектории полета к Венере является довольно сложным делом, связанным с многочисленными расчетами и анализом получающихся результатов.

Вся траектория межпланетного полета может быть услов­ но разделена на три следующих основных участка:

—полет в сфере действия Земли;

—движение под притяжением только одного Солнца;

—полет в сфере действия планеты-цели (Венеры).

Такое разделение траектории носит условный характер и возникло только из-за того, чтобы как-то упростить решение задачи расчета ее. Мы уже не раз говорили о том, что даже такая «простая» задача, как движение космического аппарата под влиянием притяжения только Земли и Луны, представляе­ мых в виде материальных точек, не имеет аналитического ре­ шения и поэтому может быть исследована только численными методами. В межпланетном полете условия задачи еще боль­

282

ше усложняются. Здесь в качестве действующих сил выступа­ ют, кроме Земли и Луны, еще Солнце и планеты Солнечной си­ стемы. В настоящее время отсутствуют даже какие-либо наме­ ки на возможность отыскать решение этой задачи. Поэтому инженерам приходится довольствоваться одними численными, методами. Но численные методы, как мы уже знаем, при рас­ четах большого числа вариантов межпланетных траекторий, очень трудоемки даже для современных быстродействующих электронных вычислительных машин. В силу этого обстоятель­ ства баллистики и избрали упрощенный, приближенный спо­ соб расчета траектории, основывающийся на том, что вся тра­ ектория разбивается на участки по сферам действия планет. Внутри каждого участка для описания движения стала при­ менимой теория эллиптического движения, т. е. на вооружение были взяты конечные формульные зависимости, значительно упрощающие и ускоряющие процесс расчета траектории. Разу­ меется, получающийся при этом результат носит приближен­ ный характер, но по своей точности он, как правило, удовлет­ воряет требованиям проектирования полетов и качественного анализа характеристики движения. Когда же дело касается расчета траектории полета станции, то, конечно, здесь в обяза­ тельном порядке привлекаются строгие численные методы.

Рассмотрим теперь особенности и характеристики траекто­ рий полета к Венере.

С т а р т с З е м л и . Старт с Земли в силу тех же самых причин, которые были рассмотрены при старте космических ап­ паратов с целью полета к Луне, целесообразно проводить с ор­ биты спутника Земли. Именно по этому способу начинали свое космическое путешествие советские и американские станции* направлявшиеся к Венере или Марсу. Итак, предположим, что, покинув орбиту спутника Земли и достигнув второй космиче­ ской скорости, станция устремилась в космическое пространст­ во. Имея громадный запас кинетической энергии, она начнет быстро удаляться от Земли. Однако за счет непрекращающегося притяжения Земли с каждой секундой и с каждым кило­ метром высоты скорость станции будет уменьшаться. На высо­ те 1000 км она снизится до 10,403 км/сек. Конечно, по мере ро­ ста высоты притяжение Земли будет убывать и поэтому темп

уменьшая свою скорость, станция будет постепенно удаляться от Земли, но когда дойдет до границы сферы действия Земли, ее запас кинетической энергии будет практически исчерпан.

28»

Поэтому скорость станции относительно Земли окажется очень малой... Значит, достигнув второй космической скорости, стан­ ция, преодолев силу земного тяготения, не упадет обратно на поверхность Земли, но и не удалится от ее орбиты, начав дви­ гаться вокруг Солнца по почти одинаковой с Землей орбите.

Отсюда следует, что для полета к Венере или Марсу необ­ ходимо стартовать от Земли со скоростью, превышающей вто­ рую космическую. Тогда, покинув Землю, за границей сферы ее действия станция ібудет иметь некоторый запас скорости, до­ статочный для искривления орбиты и достижения планеты-це­ ли. Забегая вперед, можно сказать, что для полета к Венере станция за пределами сферы действия Земли должна иметь скорость относительно Земли 2,494 км/сек. Для этого ракета должна стартовать с Земли со скоростью 11,464 км/сек, т. е, полет внутри сферы действия Земли будет совершаться по ги­ перболической траектории. Для полета к Марсу потребуется скорость удаления от Земли не менее 2,943 км/час, а скорость -отлета соответственно должна быть равна 11,570 км/сек.

Понятно, что величина скорости старта с орбиты спутника Земли для полета в межпланетное пространство будет сущест­ венным образом зависеть от высоты этой орбиты.

Потребная скорость старта для достижения одной и той же скорости удаления с ростом высоты спутника уменьшается. Например, для полета к Венере при старте с орбиты спутника высотой 200 км необходима скорость отлета 11,296 км/сек, а со стационарной орбиты (Я = 35809,4 км) ■—5,015 км/сек.

Если старт производить с Луны, то ракета должна вначале преодолеть притяжение Луны, а затем, выйдя из сфер ее дей­ ствия, — притяжение Земли. Несмотря на это, скорости отлета от Луны для достижения заданной скорости удаления от Зем­ ли получаются значительно меньшими. Например, для полета к Венере с оптимальной скоростью удаления (2,494 км/сек) от Земли при старте с орбиты спутника Земли потребуется ско­ рость 11,296 км/сек. В то же время при старте с поверхности Луны она уменьшится до 3,017 км/сек. Эти данные сулят за­ манчивые перспективы использования Луны в качестве естест­ венного космодрома нашей планеты. Развивая идеи К. Э. Ци­ олковского, еще в 30-х годах эта мысль была высказана од­ ним из его первых последователей Ю. В. Кондратюком. Глав­ ное преимущество старта с Луны или ее спутников заключает­ ся в требовании значительно меньших скоростей отлета.

М е ж п л а н е т н а я т р а е к т о р и я . Самый простой путь к Венере — полет по наикратчайшему расстоянию. Он может быть осуществлен, если станция, образно говоря, будет «па­

584

ния. Расчеты показывают, что в этом случае при старте про­ межуточной ор'биты спутника Земли станция должна приоб­ рести скорость, обеспечивающую «падение» на Солнце, ■— око­ ло 31,8 км/сек. На современном уровне развития ракетной тех­ ники это пока недостижимая величина. Но если все же допу­ стить возможность получения такой скорости, то станция в своем «падении» преодолеет расстояние между планетами, равное 42 млн. км, всего за 25 суток. Однако существует еще один недостаток, связанный с перелетом на Венеру по кратчай­

285

(напомним, что афелий есть точка эллиптической орбиты, наи­ более удаленная от Солнца, а перигелий — наименее удален­ ная) должен касаться орбиты Земли, а перигелии — орбиты Венеры (рис. 94). Траектория полета к Венере будет иметь следующие характеристики:

—скорость старта с орбиты спутника Земли 11,46 км/сек;

—скорость удаления от Земли 2,49 км/сек;

— пройденный путь до момента достижения Венеры

804,2 млн. км\

—продолжительность полета 146,1 суток;

—расстояние между Землей и Венерой в момент прилета станции 90 млн. км.

Однако, несмотря на хорошие энергетические данные, полет по такой траектории имеет и свои недостатки.

Первый недостаток заключается в сложности вывода стан­ ции на орбиту. Для выхода на такую орбиту на границе с сфе­ рой действия Земли станция должна иметь скорость примерно 2,5 км/сек и должна быть направлена строго в сторону, проти­ воположную движению Земли. Ошибка в скорости выведения всего в 1 м/сек приведет к тому, что станция пролетит мимо Венеры на расстоянии 70 тыс. км.

Второй недостаток состоит в относительно большой продол­

жительности полета, составляющей 5 месяцев, и в значитель­ ном расстоянии между планетами в момент встречи с Венерой.

К настоящему времени ракетная техника сделала заметные успехи, и на повестку дня стали ставиться вопросы сокращения про­ должительности полета в ущерб экономии энергии. Поэтому полеты с минимальной скоростью уже не рас­ сматриваются как единственно воз­ можные. Пути сокращения времени полета вышли из кабинетов балли­ стиков и конструкторов и реализу­ ются на практике. Продолжитель­ ность полета станций «Венера-5» и «Венера-6» составляла немногим бо­ лее трех месяцев вместо требуемых условиями минимума энергии пяти месяцев полета.

Траектории полета, отличаю­ щиеся различной продолжительноностью, занимают некоторое проме­ жуточное положение между опти­

286