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

жения ядра она будет удаляться от Солнца. Когда же Солнце расположено между Землей и центром Галактики, то Земля, наоборот, будет приближаться к Солнцу. Это обстоятельство,

вчастности, не вызывает постоянного ухода Земли от Солнца,

априводит к некоторым периодическим колебаниям, которые, конечно, очень малы по сравнению с расстоянием Земля — Солнце и не могут быть замечены астрономами. Если пред­ положить, что космический аппарат и Солнце движутся на па­ раллельных курсах перпендикулярно направлению на ядро Га­ лактики, то через один год полета за счет влияния притяжения Галактики они сблизятся (или разойдутся) на величину, рав­

ную всего две сотых доли миллиметра.

Вот только по этим причинам баллистики в своих расчетах не учитывают влияние притяжения ядра Галактики. Конечно, если в будущем кто-либо станет осуществлять полет к внесолнечным системам, то здесь уж наверняка придется учитывать не только притяжение ядра Галактики, но и некоторых отдель­ ных близлежащих звезд.

А теперь вернемся из необозримых галактических далей к нашей Солнечной системе.

Солнечная система представляет собой группу небесных тел, состоящую из центрального тела — Солнца и большого числа меньших тел, вращающихся вокруг него. Масса Солн­ ца составляет около 99,2% массы всей Солнечной системы. Все вещество Солнечной системы можно условно разделить на сле­ дующие основные группы:

—планеты и их спутники;

—малые планеты (астероиды);

—кометы;

—метеорные тела;

—межпланетный газ.

Солнце имеет 9 больших спутников-планет. С точки зрения планетных орбит Солнечную систему можно разделить на внутреннюю, включающую Меркурий, Венеру, Землю, Марс, и внешнюю, состоящую из Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона. Орбиты внутренних и внешних планет Солнечной си­ стемы схематично изображены на рис. 10.

Основным фактором, определяющим движение планет, ас­ тероидов, комет и метеорных тел, является мощное гравита­ ционное поле Солнца.

В Солнечную систему входят также более 1600 зарегистри­ рованных астрономами астероидов, 31 спутник планет и боль­ шое число комет и метеорных тел. Разреженный межпланетный газ, состоящий в основном из ионизированного водорода, ге-

32

Р и с. ІО. Орбиты внутренних (а) и внешних (б) планет Солнечной системы:

1 — Меркурий; 2 — Венера; 3 — Земля; 4 — Марс; 5 — Юпитер; 6 — Сатурн; 7 — Уран; 8 — Нептун; 9 — Плутон; і- — направление на точку весеннего равноденствия.

лия и электронов, распределен по всей Солнечной системе. Среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 150 млн. км. Самолету, летящему со скоростью звука (1200 км/час), потре­ бовалось бы на полет к Солнцу и обратно 28 лет. Ракета, ле­ тящая со скоростью 8 км/сек, проделала бы такой рейс за 14 месяцев.

Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите со средней скоростью 29,76 км/сек. Орбита Земли близка к кру­

Подобно тому, как путник, шагающий по дороге, отсчиты­ вает свое положение относительно местных предметов, точно так же в небесной механике вводятся различные системы ко­ ординат, определяющие положение небесных тел в простран­ стве. В частности, при расчете орбит полета космических ап­ паратов базой для образования таких систем координат слу­ жат различные линии и плоскости, образующиеся при рас­ смотрении собственного вращения Земли и движения ее вокруг Солнца. Если наблюдать из центра Земли за видимым движе­ нием Солнца среди звезд, то в течение года оно опишет на не­ бесной сфере некоторую замкнутую кривую, которую астроно­ мы называют эклиптикой. Плоскость, положенная на эту кри­ вую, называется плоскостью эклиптики. Очевидно, что центры Земли и Солнца всегда скользят по плоскости эклиптики.

Та точка небесной сферы, куда направлен северный конец оси вращения Земли, называется северным полюсом мира. Как известно, северный полюс мира лежит у «хвостика» созвездия Большой Медведицы. Проведем теперь воображаемую плос­ кость через центр Земли перпендикулярно оси ее вращения. Эта плоскость, пересекаясь с поверхностью Земли, даст нам экватор Земли, а пересекаясь с воображаемой небесной сфе­ рой — небесный экватор. Точки пересечения небесного эквато­ ра с эклиптикой носят в небесной механике название точек ве­ сеннего и осеннего равноденствия (рис. 11). В точке весеннего

равноденствия Солнце пересекает небесный экватор, переходя из южного полушария небесной сферы в северное. В точке

34

имеет период 18,6 года и называется нутацией земной оси. Нутация есть следствие действия притяжения Луны на земной сфероид. Знание прецессии и нутации баллистикам необходи­ мо, чтобы точно определить положение летящего космического аппарата или планет относительно поверхности Земли.

Ближайшим небесным соседом и верным спутником Земли

симальное — 405500 км. Средняя скорость по орбите вокруг Земли равна 1,02 км/сек.

Притяжение Солнца и в меньшей степени планет, а также сжатие Земли вызывают в движении Луны довольно значи­ тельные возмущения, или, как их еще называют, неравенства. Они проявляются в непрерывном изменении лунной орбиты. Неравенства движения Луны приводят к значительному ус­ ложнению расчета ее координат на небесной сфере. Геоцент­ рическое положение Луны, т. е. координаты Луны на фоне звездного неба относительно центра Земли, дается в астроно­ мических ежегодниках. Для приближенного определения этих координат можно также использовать астрономические ка­ лендари, выпускаемые на каждый текущий год.

Зная закон всемирного тяготения, сейчас мы можем решить следующую задачу:

Ч то с и л ь н е е п р и т я г и в а е т Л у н у — З е м л я и л и

С о л н ц е ?

На первый взгляд кажется, что поскольку Луна вращает­ ся вокруг Земли, то Земля должна сильнее притягивать к себе Луну, чем Солнце. Давайте проверим это, воспользовавшись формулой (2). С помощью этой формулы вычислим значения ускорений Луны в направлении к Земле и к Солнцу. Большим ускорениям будут соответствовать большие силы притяжения. Среднее расстояние от Земли до Луны — 384 000 км, от Солн­ ца до Луны — 150 млн. км, гравитационный параметр Земли

(табл. 1) Ь0 = 3,986ІО5км3/сек2, Солнца Ьо= 1,325• 1011 км3/сек2.

По формуле (2) получаем величину ускорения Луны к Зем­ ле — 2,7 мм/сек2 и к Солнцу — 10,6 мм/сек2. Неправда ли, очень странный вывод: Солнце притягивает к себе Луну при­ мерно в 4 раза сильнее, чем Земля! У вас сразу же возникнет вопрос — почему же тогда Луна не «падает» на Солнце, а продолжает как ни в чем не бывало устойчиво вращаться во­ круг Земли? Можно с уверенностью сказать, что точно также она будет вращаться и завтра, и через неделю, месяц, год и много-много тысячелетий. А ларчик открывается просто: при

36

решении задачи мы умышленно не упомянули одного обстоя­ тельства, а именно: притяжения Земли к Солнцу. Если Земля находится относительно Солнца на том же расстоянии, что и Луна, то она тоже будет иметь по направлению к Солнцу ус­ корение 10,6 мм/сек2. Значит, и Луна, и Земля одновременно «падают» на Солнце, и тогда говорить о притяжении к Солнцу только одной Луны совершенно не имеет смысла. Вот по этой причине Луна вращается (и будет вращаться!) вокруг Земли и не «падает» на Солнце.

Здесь не случайно принят термин «падает». Как мы убедим­ ся в дальнейшем, движение по орбите есть не что иное, как беспрерывное падение с одновременным продвижением вперед.

В реальных условиях Луна и Земля всегда, за исключени­ ем только двух положений, находятся на различных расстоя­ ниях от Солнца. Значит, и ускорения их движения к Солнцу, в соответствии с формулой (2), будут различными. Однако разность этих ускорений невелика и составляет в наихудшем случае всего 0,025 мм/сек2, но она является одной из причин возникновения упомянутых неравенств в движении Луны.

Где бы ни находился космический аппарат, на него будут всегда действовать силы притяжения всех планет. Чем ближе к планете аппарат, тем сила притяжения этой планеты по срав­ нению с другими будет больше. Следовательно, относительно каждой планеты можно выделить некоторые окрестности, внут­ ри которых отношение сил притяжения других планет к силе притяжения данной планеты становится достаточно малым, и поэтому напрашивается мысль о том, что для приближенного решения задач полета космического аппарата вблизи планеты можно пренебречь этими силами. Такую область баллистики определили как сферу действия. Сферой действия малого не­ бесного тела по отношению к большому небесному телу назы­

ляется в основном тюлем тяготения малого небесного тела, а остальные небесные тела вызывают только некоторые возму­ щения в его движении.

Это — качественное определение сферы действия. В небес­ ной механике оно имеет строгое математическое выражение, с помощью которого вычисляются радиусы'сфер действия. На­ пример, радиус сферы действия Земли по отношению к Солн­ цу составляет 930 тыс. км. Следовательно, траектория движе­ ния Луны целиком лежит внутри сферы действия Земли. По­ этому сфера действия Луны определяется по отношению к Земле, а не к Солнцу и радиус ее равен 66 тыс. км. Космиче­

37

ский корабль — материальное тело с определенной массой — можно также рассматривать как своеобразную планету, и поэтому для него тоже может быть определена сфера дейст­ вия, внутри которой проявляется в основном только сила тя­ готения самого корабля. Для низколетящих спутников (высо­ та полета 200—500 км) радиус сферы действия их чрезвычай­ но мал и не превышает единиц сантиметров. А это значит, что сфера действия такого спутника расположена внутри корабля, так как именно от его центра ведется отсчет радиуса.

Введение сфер действия планет позволило простыми спо­ собами находить приближенные траектории движения косми­ ческих аппаратов как в окрестностях планет, так и в межпла­ нетных полетах. Например, траекторию полета к Венере мож­ но условно разделить на три части: движение в сфере дейст­ вия Земли (без учета притяжения всех планет), полет под влиянием притяжения только Солнца и движение внутри сфе­ ры действия Венеры.

Для того чтобы ощутить величины возмущающих ускорений при движении космического аппарата внутри сферы действия Земли, были рассчитаны максимальные значения соответст­ вующих возмущающих ускорений, а также их отношения к ус­ корению земного притяжения в зависимости от высоты над по­ верхностью Земли. Расчеты показывают, что возмущающие ускорения, вызываемые притяжением Луны, примерно в 2,2 раза превосходят возмущающее ускорение от Солнца. Начи­ ная с высот порядка 20 000 км, возмущения от притяжения Лу­ ны и Солнца превосходят аномалии силы тяжести (напомним, что аномалии силы земного притяжения возникают в резуль­ тате отклонения поверхности геоида от земного эллипсоида)

и, начиная с высот порядка 50 000 км, превосходят все осталь­ ные гравитационные возмущения.

Но спутники не могут летать, как говорится, «где попало». Вблизи Земли их ждет плотное воздушное покрывало, а вдали от нее уже проявляется притяжение Солнца. Поэтому, изучая движение спутников, важно знать верхнюю и нижнюю грани­ цы района, в котором они могут летать длительное время.

Сфера действия не является тем рубежом, далее которого спутники существовать не могут. Однако до недавнего време­ ни вопрос о верхней границе существования спутников не был определен ;в виду значительных математических трудностей. Честь решения этой задачи принадлежит известному советско­ му ученому профессору Г. А. Чеботареву. Результаты своей ра­ боты он доложил на проходившей летом 1969 года в Болгарии Международной конференции.

38

Расчеты Г. А. Чеботарева показали, что наибольшее рас­ стояние от Земли, на котором спутник еще остается спутником, а не межпланетным кораблем, составляет ни много ни ма­ ло 1400 тыс. км. Дальше им полет запрещен: влияние Солн­ ца приведет к тому, что спутник уйдет из-под контроля Земли. Аналогичные расчеты Чеботарев проделал и для всех осталь­ ных планет нашей системы и выяснил точно, где могут и где не могут проходить орбиты искусственных спутников этих планет. Ведь настанет когда-нибудь такой момент, когда человек по­ шлет автоматы-разведчики, сделанные на Земле, к своим со­ седям по космосу, чтобы с орбиты искусственных спутников заглянуть в інезнакомый нам мир с'близкого расстояния подоб­ но тому, как сейчас спутники изучают Землю и Луну.

Следует подчеркнуть, что работы Чеботарева далеко выхо­ дят за рамки определения верхней границы существования спутников. Другая и не менее важная ее часть состоит в опре­ делении границ Солнечной системы и, в частности, возможно­ сти существования десятой планеты.

Возможно, что когда-то найдут и десятую планету. Если Земля — наш дом, то город, в котором мы живем — Солнеч­ ная система, пополнится еще одним, а может быть и большим числом домов или кварталов. В будущем не последнее слово в этом принадлежит и космическим аппаратам.

В разреженной атмосфере

«Землю окружает тонкий слой воздуха» — так говорят и пишут часто. И действительно, до запуска первых искусствен­ ных спутников мы совершенно мало знали о верхних слоях ат­ мосферы, ее протяженности, высоте и только лишь догадыва­ лись о ее строении. С момента полета спутников за какое-ни­ будь десятилетие наши знания об атмосфере расширились на­ столько, насколько только могли мечтать все предыдущие по­ коления исследователей.

Еще совсем недавно атмосферу считали только разрежен­ ным слоем воздуха, со всех сторон обволакивающим Землю, летящую в черной пустоте космического пространства. Пред­ полагалось также, что атмосфера распространена над поверх­ ностью Земли на относительно небольших высотах, составляю­ щих каких-нибудь несколько сотен километров. Теперь мы с уверенностью утверждаем, что атмосфера простирается по меньшей мере до высот 50 тыс. км. Земля, следовательно, яв­ ляется крошечным ядром в толстой скорлупе атмосферы.

Атмосфера, образно говоря, «дышит» во времени и в про­

39

странстве. Ее состояние определяется прежде всего влиянием Солнца.

Солнце представляет собой гигантский раскаленный шар, выбрасывающий во все стороны горячий газ. Вот что писал о. Солнце М. В. Ломоносов:

Там огненны валы стремятся ,И не находят берегов.

Там вихри пламенны крутятся, Борющись множество веков; Там камни, как вода, кипят, Горящи там дожди шумят.

Истекающий из Солнца газ благодаря своей высокой тем­ пературе (около миллиона градусов) преодолевает силы при­ тяжения Солнца и в окрестности Земли движется почти с по­ стоянной скоростью, достигающей 500 км/сек. Излучение Солн­ ца и высокая температура ионизуют истекающий газ и поэтому каждый атом его несет электрический заряд. Геофизики нашли подходящее название потоку зарядов, назвав его солнечным ветром. Значит, строго говоря, полет Земли в солнечном про­ странстве происходит не в пустоте, как думали раньше, и по­ этому Земля представляется космическим лайнером, а мы — пассажирами на нем, летящими вокруг Солнца со скоростью 29 км/сек и обдуваемыми солнечным ветром. Атмосфера и маг­ нитное поле Земли представляют собой защитный барьер, с которым сталкиваются ионы солнечного ветра, с беспощад­ ностью защищающий Землю от проникающей радиации. Аре­ на столкновения ионов с атмосферой образует своеобразный фронт, который удачно назван стоячей ударной волной в сол­ нечном ветре. Это название не случайно: оно во многом соот­ ветствует обтеканию шарика сверхзвуковым потоком в аэроди­ намической трубе. Картину обтекания Земли, как ее представ­ ляет себе Д. Кинг-Хили, вы можете увидеть на рис. 14. При спокойном Солнце ударная волна располагается на расстоя­ нии 10—15 земных радиусов на освещенной стороне, т. е. на высотах 60—90 тыс. км. До ударной волны солнечный ветер течет ровно и спокойно. Внутри ударной волны располагается зона турбулентного течения, т. е. солнечный ветер отклоняет­ ся от своего первоначального направления течения, изменяет свою скорость, возникают завихрения, и течение становится не­ равномерным. Затем идет еще одна хорошо заметная граница, которая расположена на высоте 50 тыс. км на линии Солн­ це — Земля и называется магнитопаузой. В области за магни­ топаузой начинается внешняя часть земной атмосферы, назы-

40

75 000 км от освещенной стороны Земли формируется ударная волна.

ваемая магнитосферой. Эта часть околоземного пространства в значительной мере заполнена ионами и контролируется маг­ нитным полем Земли в большей мере, чем силой тяготения.

Характер изменения свойств атмосферы, ее состава, плот­ ности, температуры наглядно иллюстрируются диаграммой, представленной на рис. 15. На высотах вплоть до стратосферы вы можете побывать на современном пассажирском самолете. И вас совершенно не удивляет, что по мере подъема на высоту температура воздуха за бортом понижается и где-то на высо­ тах 10—25 км остается примерно постоянной и равной — 60°С. Летчики-космонавты, побывавшие на больших высотах, ска­ жут вам, что в дальнейшем температура начинает возрастать, и на высоте 200—300 км она достигает 700°. Но это совсем не означает, что космонавт, вышедший из корабля, должен сгореть, так как воздух настолько разрежен, что он не ощутит его температуру и будет нагреваться солнечными лучами, а не воздухом.

Приведенная диаграмма показывает некоторое среднее, или, как говорят, стандартное состояние атмосферы. Измене-

41