Голубая моя планета

До полета в космос человек все время оставался в привычном для него мире. Он не был ограничен в скорости передвижения, то есть передвигался с любой доступной ему скоростью. Мало того, в живой природе он постоянно видел пример для подражания.

Но в космосе не было ничего, что могло бы поддерживать жизнь человека. Здесь не оказалось ни пищи, пи воды, пи кислорода. Новая среда была чуждой, враждебной всему живому. Чтобы передвигаться здесь, требуется не любая, а лишь вполне определенная скорость. Чтобы космический корабль вышел на орбиту искусственного спутника Земли, ему надо было сообщить скорость, равную почти 28 тысячам километров в час. А чтобы отправиться к Луне или планетам, нужна еще большая скорость.

Сообщить кораблю такую скорость могут лишь мощные двигатели. И притом не любые, а только работающие на реактивном принципе, создающие силу тяги в результате истечения струи газов.

Дело в том, что в космосе движущийся аппарат практически не взаимодействует со средой. Поэтому здесь не применимы двигатели, движители, органы управления, применяемые на суше, в воде и воздухе. Чтобы маневрировать, уменьшать или увеличивать скорость, придавать космическому кораблю определенное положение в пространстве, нужно отбрасывать какую-то массу, взятую с собой на борт. Попробуйте, находясь в лодке, бросить в сторону тяжелый предмет - лодка тотчас двинется в противоположном направлении. Это и есть реактивный принцип движения. Источником энергии на борту является топливо. Химическая энергия топлива преобразуется в ракетном двигателе в кинетическую энергию газового потока, истекающего из сопла.

Нередко спрашивают: сколько же энергии нужно израсходовать для того, чтобы ракета могла достигнуть нужной скорости полета?

На этот вопрос дает ответ теория реактивного движения.

Чем большим запасом энергии обладает каждый килограмм топлива и чем совершеннее двигатель, тем большую скорость истечения приобретают продукты сгорания.

Циолковский установил зависимость скорости, которую может достигнуть ракета, от количества заправленного в нее топлива и от скорости истечения продуктов его сгорания из сопла двигателя.

Чем больше топлива находится на борту ракеты, тем выше достигаемая ракетой скорость. При этом речь идет не об абсолютных запасах топлива, а об отношении массы топлива к массе полезного груза и конструкции ракеты. Чтобы ракета могла достигнуть возможно большей скорости полета или смогла вывести па орбиту наибольшую полезную нагрузку, инженеры стремятся сделать ее конструкцию наилегчайшей, с тем чтобы возможно большая доля начальной массы ракеты приходилась на топливо и возможно меньшая на конструкцию, то есть на топливные баки, корпус, двигатель, аппаратуру управления и другие агрегаты.

Путь космического аппарата - это орбита, когда он движется вокруг Земли, или трасса, когда он летит к планетам. В том и другом случаях направление движения задается ему в течение нескольких минут, когда работают двигатели ракеты-носителя. В эти буквально считанные минуты на активном участке траектории аппарат набирает высоту и нужную скорость. Дальнейший многосуточный полет происходит по законам небесной механики с выключенным двигателем. В этот период аппарат подвергается лишь воздействию сил притяжения Солнца и планет. Часто космический аппарат даже отделяется от последней ступени ракеты-носителя и совершает полет самостоятельно, располагая лишь небольшими двигателями для стабилизации и ориентации в пространстве, для коррекции траектории и торможения при посадке, если последняя предусматривается.

Чтобы вывести аппарат на орбиту искусственного спутника Земли, направить его к Луне или Марсу, необходимо точно рассчитать траекторию движения ракеты-носителя и обеспечить достижение ею строго расчетной скорости. Поэтому успех всего полета фактически решается на активном участке, а правильный расчет активного участка и выполнение полета в соответствии с исходными данными являются главными, определяющими.

Для того чтобы спутник стал спутником, а космический корабль достиг Луны или Марса, надо к моменту окончания работы двигателей ракет-носителей вывести их в строго определенные точки пространства над поверхностью Земли, сообщив точно рассчитанные по величине и направлению скорости.

Несоблюдение этих условий обрекает полет на неудачу. Например, при старте к Луне при отклонении скорости ракеты в конце активного участка всего на несколько метров в секунду или направления па десятую долю градуса от расчетных приведет к тому, что аппарат не достигнет Луны.

Для определения скорости ракеты, которой она может достичь, израсходовав все топливо, пользуются формулой Циолковского. Однако эта формула представляет собой уравнение движения ракеты за пределами атмосферы и вне поля тяготения, то есть в свободном пространстве, где на ракету, кроме силы тяги двигателя, не действуют никакие другие силы: ни сила сопротивления воздуха, ни сила притяжения Солнца, Земли, ни других планет. А ведь активный участок ракеты проходит вблизи Земли, причем большая его часть - в атмосфере. Поэтому, естественно, притяжение Земли, сопротивление атмосферы уменьшают ее скорость. Чтобы в этом случае вычислить скорость ракеты, необходимо знать ее массу, размеры, форму, а также время, в течение которого ракета будет набирать скорость.

Сложность этой задачи очевидна, так как при ее решении приходится иметь дело с непрерывно изменяющимися величинами: меняется масса ракеты по мере расходования топлива, происходит разделение отработавших ступеней, все время увеличивается скорость, а с высотой изменяется плотность атмосферы и т. д.

Русский ученый Иван Всеволодович Мещерский, разработавший основы механики тел переменной массы, составил уравнение, описывающее движение тела переменной массы. По этому уравнению и производится расчет активного участка полета ракеты. Суть расчета состоит в том, что для каждого момента времени вычисляются силы, действующие на ракету, по равнодействующей всех сил - ускорению, а по ускорению - увеличение скорости за определенный отрезок времени.

С какими силами при этом приходится иметь дело? Во-первых, с тягой двигателя, во-вторых, с силой сопротивления воздуха и, наконец, весом ракеты. Между этими силами, образно говоря, идет борьба: тяга двигателя влечет ракету вперед, сопротивление воздуха препятствует ее движению, а вес ракеты тянет вниз. В полете величины этих сил изменяются. Меняется и направление их действия.

Расчет свободного полета ракеты в космическом пространстве происходит по законам небесной механики, как движение любого небесного тела.

Расчет траектории ракеты - задача чрезвычайно сложная и трудоемкая. А так как обычно выбирают наиболее выгодный (с разных точек зрения: энергетики, времени запуска, научной и др.) вариант полета, то приходится производить расчеты многих траекторий. При обычном способе расчета это потребовало бы очень много времени. Но на помощь ученым пришли электронные вычислительные машины, которые быстро и точно выполняют эту работу.

...До старта остается несколько минут. Представитель группы телеметрии сообщает о прохождении первой стартовой команды - «Ключ на старт». Это значит, что включаются все цепи, обеспечивающие одновременный запуск двигательных установок с центрального пульта и управление запуском автоматикой, чтобы время старта соответствовало расчетному с точностью до сотых долей секунды.

Одна за другой проходят последующие стартовые команды: «Протяжка», «Продувка», «Ключ на дренаж». По команде «Протяжка» осуществляется контроль состояния всех систем ракеты-носителя. Для этого протягиваются лепты телеметрической записи. Многоканальная телеметрическая информация, регистрируемая на лентах, позволяет оценить параметры всех систем и агрегатов ракетно-космического комплекса непосредственно перед стартом. По команде «Продувка» азотом продуваются трубопроводы и камеры сгорания двигательных установок. Команда «Ключ па дренаж» означает, что закрываются все дренажные клапаны и прекращается подпитка топливных баков.