Кинофантастика
Шрифт:
Классический спутник имеет баллистический коэффициент порядка 0,01[13]. У обломка же — например, у куска алюминиевой обшивки толщиной несколько миллиметров — баллистический коэффициент может быть в десять раз больше. Это значит, что торможение обломка ввиду силы трения в атмосфере будет значительнее, чем торможение МКС: он будет терять все больше высоты на каждой орбите. Скажем, разница высот между МКС и типовым обломком на общей орбите составит порядка нескольких сот метров! Для сравнения: МКС ежемесячно теряет 2 км высоты. Если бы МКС пролетала в некий момент времени через большое облако обломков, то впоследствии орбита последних оказывалась бы более разбросанной во времени — плюс-минус 4 минуты — и в пространстве — не менее чем на несколько сот метров ниже станции. В отличие от того, что показано в фильме, вероятность столкновения при последующем сближении была бы крайне мала. Добавим к этому, что Ковальски сообщает не только о периоде обращения обломков, но и об их скорости — 80 тыс. км/ч, что вдвое больше скорости вращения Земли! Иначе говоря, обломки должны были бы вообще унестись вдаль без малейшего шанса на возвращение!
Завершая эту тему, отметим, что засорение околоземного пространства космическим мусором вызывает все большую озабоченность. Считается, что вероятность утраты спутника, запущенного на замусоренную орбиту, составляет
Невесомость и гравитация
Странно, что фильм назвали «Гравитация», ведь почти все его действие происходит в невесомости при вроде бы полностью отсутствующей силе тяжести. Думаете, космонавты на МКС парят совершенно свободно ввиду нулевого тяготения? Ничего подобного. Притяжение Земли остается ощутимым на любом удалении от ее центра, хотя и ослабевает в зависимости от расстояния. МКС обращается на высоте примерно 400 км, что в 50 раз выше самой высокой горы, но составляет всего лишь 1/16 земного радиуса. На этой высоте сила тяжести всего на 12 % слабее, чем на поверхности Земли. Но раз гравитация в космосе не исчезает, то как объяснить свободное парение астронавтов, словно на них не действует тяготение?
Чтобы понять происхождение невесомости, вспомним для начала, что испытать ее можно, даже не поднимаясь на орбиту Земли: достаточно погрузиться в «Аэробус А300 Zero-G» компании Novespace[14]. Этот самолет, специально оборудованный для научных экспериментов, описывает параболические траектории, позволяющие каждому испытать свободное падение продолжительностью в два десятка секунд. Пассажиры, свободно парящие в салоне, испытывают на себе то, что составляло сущность мысленного эксперимента Эйнштейна в 1907 году. В ходе работы над проблемой гравитации его посетила «счастливейшая во всей (его) жизни» идея: он заметил, что «гравитация имеет только относительное существование <…> Для наблюдателя в состоянии свободного падения… никакого гравитационного поля не существует». Эта идея опирается на тот факт — экспериментально подтвержденный с высокой точностью спутником «Микроскоп» в 2017 году, — что в гравитационном поле все тела падают одинаково, независимо от их массы и состава. Знаменитый мысленный эксперимент Галилея (возможно, апокрифический) со свободным падением тел с высоты Пизанской башни именно это и демонстрирует. Брошенные с одинаковой высоты и без замаха большое каменное ядро и легкий деревянный шар того же размера достигают земли одновременно. Дэвид Скотт, астронавт «Аполлона-15», повторил этот эксперимент на Луне, где отсутствует атмосфера, мешающая движению. Перед работающей камерой соколиное перо (кстати, посадочный модуль назывался «Фэлкон» — «сокол») и геологический молоток коснулись лунной поверхности одновременно.
На орбите ситуация такая же, как на борту «Аэробуса Zero-G»: астронавты тоже испытывают состояние свободного падения! А поскольку все тела падают одинаково, то астронавты наблюдают их как относительно неподвижные, свободно парящие по станции относительно них самих. Единственная разница (зато какая!) заключается в том, что на орбитальной станции свободное падение происходит постоянно. От падения на Землю их спасает высокая скорость (у МКС она равна 28 тыс. км/ч): они несутся к Земле, но никак на нее не упадут, потому что все время промахиваются! Если бы не земное притяжение, оставаться вблизи Земли было бы затруднительно, так как инерция заставляла бы их продолжать движение по прямой с постоянной скоростью, удаляясь от нашей планеты. Изгибая траекторию полета станции вместе с пассажирами, земное притяжение делает ее почти кольцевой.
Реактивное кресло
В начале фильма командир корабля Ковальски снует вокруг челнока «Эксплорер» и космического телескопа в особом кресле. Это точь-в-точь знаменитый MMU, пилотируемый маневренный модуль — разработка НАСА для автономного передвижения астронавтов при выходе в открытый космос. MMU крепится на спине скафандра. Маневрирование обеспечивается за счет суммарной тяги 24 сопел, выбрасывающих жидкий азот. MMU использовался в трех полетах американского космического челнока в 1984 году, после чего был забракован, так как его сочли слишком опасным для астронавтов. Затем была создана менее мощная модель SAFER (упрощенный спасательный модуль для внекорабельной деятельности), которая используется теперь при всех выходах астронавтов МКС в открытый космос для случаев непредвиденного удаления от борта.
Важность такого кресла-самолета объясняется тем, что невесомость в космическом вакууме полностью меняет способ перемещения. Зачем земным средствам транспорта — автомобилям, поездам, кораблям, самолетам — двигатель? Для перемещения, скажете вы. Верно, но не только: еще — и это главное — для преодоления силы трения — в воздухе ли, на дорожном ли полотне, — сопротивляющейся движению после начального ускорения. Если выключить мотор, силы трения возобладают, машина станет замедлять ход и остановится. В космическом вакууме никакое трение не препятствует движению. Малейшее приложение силы порождает неостановимое движение! Неверный маневр при перемещении астронавта вдоль МКС может отправить его в смертельный дрейф, если он не пристегнут ремнем безопасности (как и происходит в начале фильма). Из-за той же самой инерции Стоун не может прекратить вращение вокруг своей оси, начавшееся после того, как героиню выбросило из челнока «Эксплорер» при столкновении с облаком обломков. Если вы начнете движение в космосе, вас ничто не остановит… Поэтому автономное перемещение в космическом пространстве требует какой-то «опоры». На практике в космическом кресле применены «огнетушители» — мини-ускорители, разгоняющие его короткими толчками: выбрасываемый ими с большой скоростью азот толкает астронавта в направлении, противоположном выбросу. Но после прекращения тяги кресло продолжает движение, сохраняя приобретенную скорость. Для остановки вторым, симметричным первому ускорителем создается тяга той же силы, но в противоположную сторону. Это в начале фильма и проделывает Ковальски. Мы наблюдаем, как он управляет своим MMU сериями коротких симметричных импульсов. Так же поступает Стоун, выравнивая модуль «Союз» и китайскую станцию.
Жизнь висит на волоске
После того как командир спас астронавтку Стоун, оба героя добираются до МКС и отчаянно пытаются за нее зацепиться, чтобы прекратить движение, потому что в MMU у Ковальски закончился газ. Стоун, на свое счастье, запутывается
ногами в стропах пристыкованного к МКС модуля «Союз», и это останавливает ее движение. Она ловко хватает Ковальски за руку и не дает ему уплыть в пустоту. При этом стропы остаются натянутыми, как будто Ковальски тащит в сторону непреодолимая сила. Она и заставляет его пожертвовать собой, выпустив руку Стоун. Его отбрасывает прочь, отчего стропы обвисают, и его самоубийство спасает Стоун жизнь. Эта сцена — классика кино: герои до последнего мгновения держатся за руки, вися над пропастью. Если разжать хватку, то несчастный рухнет вниз, неумолимо увлекаемый земным притяжением. Но в космосе герои, неподвижные по отношению к МКС и находящиеся поэтому на одной с ней орбите, могли бы преспокойно перестать держаться за руки и вернуться по стропам, просто держась за них, чтобы не отцепиться. Притягиваемые Землей, они обладают достаточной скоростью — это орбитальная скорость МКС, — чтобы вечно мимо нее промахиваться! Поэтому вся сцена — вопиющая ошибка, если считать, конечно, что МКС и астронавты пребывают в невесомости, то есть в свободном падении на Землю под действием собственного веса. Правда, у режиссера могут быть смягчающие обстоятельства. Дело в том, что космическая станция тоже подвергается действию силы трения ввиду наличия на высоте 400 км остаточной атмосферы. Эту силу, пусть и малую, нельзя полностью игнорировать, так как она приводит к уменьшению высоты полета МКС, теряющей на каждом витке, как уже говорилось, несколько метров. Точное значение этой потери высоты зависит от ориентации солнечных панелей: ее можно свести к минимуму сворачиванием этих панелей, когда они не используются (в тени Земли), или, наоборот, довести до максимума, если МКС нужно опустить. Подсчеты показывают, что лобовое сопротивление, испытываемое МКС, составляет порядка нескольких ньютонов, то есть оно меньше натяжения стропы, на которой висит (на Земле) груз в 1 кг. Таким образом, натяжение стропы можно считать следствием силы лобового сопротивления в атмосфере: все происходит так, как если бы МКС была большим парусом, который ловит слабенький ветерок, дующий в атмосфере на такой высоте. Вот только силы, сообщаемой этим парусом, совершенно недостаточно, чтобы Ковальски был вынужден разжать пальцы…Рандеву на орбите
В фильме нет отрицательного героя, эта роль отдана законам физики, управляющим орбитальной механикой. С ними и ведет постоянную борьбу Стоун, перебирающаяся со станции на станцию. Ее трудности проистекают из того обстоятельства, что преследование в космосе — совсем не то же самое, что преследование в автомобиле внизу, на Земле. Во втором случае для поимки объекта преследования достаточно разогнаться быстрее него. В космосе наращивание скорости с целью достижения намеченной отметки приводит к неожиданным последствиям, так как на движущиеся объекты воздействует также земное притяжение. Для успеха космического рандеву мало попасть в нужный момент в нужное место, требуется обладать еще и нужной скоростью. Вспомним, что для поддержания определенной орбиты объект должен иметь высокую скорость и что две разные орбиты — это и две разные скорости (скорость уменьшается с сокращением радиуса орбиты). Изменение скорости немедленно приводит к изменению орбиты! Поэтому настигнуть спутник, летящий на одной с вами орбите, чрезвычайно трудно. Привычный образ мыслей побуждает нас и здесь действовать, как на шоссе: спутник и я движемся с одной скоростью, так как находимся на одной орбите. Я ускорюсь и поймаю его!
Что тут не так? Все! Устремляясь к цели, вы увеличиваете свою суммарную энергию и вылетаете на более удаленную от Земли орбиту, уменьшив этим свою орбитальную скорость! И наоборот, направившись в противоположную цели сторону и уменьшив свою суммарную энергию, вы переходите на более близкую к Земле орбиту и увеличиваете свою орбитальную скорость. Вы никогда не достигнете одного и того же места, двигаясь с одной и той же скоростью. Если два объекта находятся на разных орбитах, то задача все равно остается сложной, но уже ближе к осуществлению! Поскольку скорость на орбите зависит от радиуса орбиты, предметы на разных высотах движутся с разными скоростями. Трудность в том, что для перехода с орбиты на орбиту нужно добавлять или сбрасывать сотни, а то и тысячи километров в час, причем проделывать это в строго определенный момент. К тому же орбиты могут быть наклонены друг к другу, что заставляет корректировать также и направление своего движения. В действительности космический телескоп и МКС имеют совершенно разные орбиты: телескоп летит на 200 км выше станции, и его орбита наклонена на 28,5° к плоскости экватора, тогда как наклон орбиты МКС — 51,6°. Быстрое вычисление показывает, что скорость телескопа на 450 км в час меньше. Та же трудность существует с китайской станцией «Тяньгун»: если радиус ее орбиты близок к радиусу орбиты МКС, то наклон составляет только 42,8°. Устроить космическое рандеву, включая только посадочные силовые установки модуля «Союз» (существующие на самом деле!), практически нереально. Идея использовать такую установку, как космический двигатель[15], хороша, но не лишена серьезных недостатков. Вспомним, что для точного маневрирования объекта в космосе желательно, чтобы за каждым толчком следовал импульс в противоположном направлении, как у космического кресла Ковальски. Силовая установка типа «огнетушитель» на это неспособна. К тому же если ее тяга происходит не по оси, проходящей через центр гравитации тела Стоун, то она начнет быстро вращаться! Наконец, для эффективности этой тяги двигаться следует спиной к цели, пятясь, что тоже не облегчает маневр. Поэтому ухищрения, к которым прибегает Стоун со своей силовой установкой для сближения со станцией «Тяньгун», никогда не позволили бы до нее добраться.
Возвращение в атмосферу
Добравшись все-таки до китайской станции и устроившись в ее спасательной капсуле, Стоун падает на Землю. Поверхность капсулы раскаляется докрасна из-за аэродинамического трения. Даже при слабой плотности верхних слоев атмосферы это трение очень существенно, так как скорость вхождения капсулы в атмосферу примерно равна ее скорости на орбите, составляя порядка 28 тыс. км/ч. Температура наружных деталей может достигать 2000 °C, поэтому капсула должна иметь термический щит. Эта защита совершенно необходима, как показывает взрыв челнока «Колумбия» при возвращении на Землю 1 февраля 2003 года из-за повреждения его термозащиты еще при старте. Трение в атмосфере приводит к торможению капсулы, падение которой перестает быть свободным, то есть под воздействием одной гравитации. Это замедление может достигать высоких величин и в несколько раз превысить земное притяжение, создавая внутри капсулы искусственное тяготение. При этом в фильме шлем от скафандра Стоун продолжает плавать по кабине, как на орбите! Эта ошибка тем удивительнее, что замедление в фазе вхождения в атмосферу и его воздействие на астронавтов достоверно показаны в других фильмах. Уже после съемок пришлось приложить старания, чтобы добавить плавающий шлем в сцене, где правильнее было бы без этого обойтись. Можно было бы неплохо сэкономить, просто дав создателям фильма кое-какие советы из области физики…