Путешествие к далеким мирам

Легко подсчитать, за сколько времени ракета, летящая с круговой скоростью, совершит один оборот вокруг Земли, то есть каков будет период обращения вокруг Земли этого нового спутника.

Так, например, при полете у самой Земли период его обращения будет равен примерно 5070 секундам, или 1 часу 24 минутам. Меньше чем за 1 1/2 часа вокруг света!

С увеличением высоты полета период обращения будет увеличиваться. На высоте, равной земному радиусу, то есть 6378 километрам, период обращения будет равен уже примерно 14 200 секундам, или почти 4 часам.

Очень интересной оказывается такая высота полета, на которой период обращения ракеты вокруг Земли будет в точности равен 24 часам, то есть периоду одного оборота Земли вокруг своей оси. Эту высоту легко определить — она равна 5,64 земного радиуса, или примерно 35 800 километрам. [38] Если ракета будет мчаться вокруг Земли в плоскости экватора в том же направлении, в котором вращается Земля, то есть с запада на восток, со скоростью, равной круговой скорости на этой высоте (примерно 3080 метров в секунду), то она будет как бы висеть неподвижно над одной и той же точкой земной поверхности. Ракета будет напоминать вертолет, парящий неподвижно над Землей, хотя вместе с тем она будет с головокружительной скоростью мчаться вокруг нее. Если бы высота не была столь большой, то с такого космического корабля можно было бы спуститься по веревочной лестнице с таким же успехом, с каким это сделал летчик, доставивший с вертолета, парившего над стадионом «Динамо» в Москве, букет цветов футбольной команде, выигравшей первенство СССР по футболу.

38

Такая орбита спутника была предложена Циолковским.

Своеобразной особенностью обладает и орбита, радиус которой на 58 тысяч километров меньше радиуса лунной орбиты, равного, как известно, примерно 380 тысячам километров. Спутник, вращающийся по такой орбите, может находиться все время на прямой, соединяющей центры Земли и Луны, — он будет неизменно виден на фоне лунного диска.

При этом спутник окажется в так называемой точке либрации. Существуют и другие точки либрации (всего их 5), характеризующиеся тем, что в каждой из них спутник будет неподвижным относительно Земли и Луны. Эти точки найдены французским ученым Лагранжем в результате исследования проблемы «трех тел». [39]

39

Интересно отметить, что, по одному из предложений, в точке либрации, находящейся на прямой с центрами Земли и Луны и расположенной по ту сторону Луны на расстоянии около 65 тысяч километров от ее центра, целесообразно устроить космическую радиообсерваторию. Огромный радиотелескоп, расположенный на такой обсерватории, был бы полностью экранирован Луной от различных радиошумов, возникающих на Земле, и в результате работы электрических и радиоустановок и вследствие явлений в земной атмосфере. По другому предложению, в аналогичной внешней точке либрации в системе Солнце — Земля (на прямой за Землей) выгодно было бы разместить обсерваторию с мощным обычным оптическим телескопом. Это объясняется тем, что при всех преимуществах космической обсерватории, связанных с возможностью создания телескопов большого размера (об этом подробнее смотри в следующей главе), недостатком такой обсерватории является необходимость в защите телескопа от действия солнечного и земного излучения. Без такой защиты колебания температуры телескопа вызовут его деформации, а проникающий свет не позволит осуществлять фотографирование с большими выдержками. В указанной точке либрации телескоп будет защищен от этого нежелательного влияния, так как будет находиться в зоне постоянного «солнечного затмения». Правда, как показывает расчет, затмение будет только частичным, и идеальной в этом смысле была бы аналогичная точка за Марсом.

^{Точки либрации в задаче трех тел: Земля — Луна — искусственный спутник. Точки 2 и 3 соответствуют устойчивому равновесию (так называемые треугольные точки либрации, образующие с Землей и Луной равносторонние треугольники), точки 1, 4 к 5 — неустойчивому. Очевидно, что во всех точках либрации орбита спутника будет 27-дневной, как и орбита Луны.}

Циолковский первый в мире понял (независимо от него позже эта идея была высказана зарубежными учеными Обертом в Германии и Годдардом в США), какое огромное значение могут иметь искусственные спутники Земли для решения проблемы межпланетного полета, да и для многих других научных целей. Теперь уже эта роль спутников является общепризнанной — именно с запуска спутников начинается космическая эра в истории человечества.

Вот почему с таким восторгом была воспринята всей мировой наукой весть о запуске первого искусственного спутника Земли в Советском Союзе 4 октября 1957 года. Впервые в истории человек разорвал путы земного тяготения и вырвался на просторы мирового пространства. Эта замечательная победа человеческого гения открыла путь в Космос.

^{На официальной эмблеме Международного геофизического года Земля опоясана орбитой искусственного спутника.}

Первые советские искусственные спутники были созданы в связи с работами, выполнявшимися по программе Международного геофизического года, который начался 1 июля 1957 года и должен был закончиться 31 декабря 1958 года, но затем продлен еще на год — до 31 декабря 1959 года. Исследования, проводимые с помощью искусственных спутников, оказались, пожалуй, самым важным отличием этого геофизического года от двух предыдущих (они назывались полярными). Недаром даже официальной эмблемой геофизического года является изображение земного шара с мчащимся вокруг него искусственным спутником!

^{Общий вид трехступенчатой ракеты для запуска искусственного спутника «Авангард» (по журналу «Интеравиа», 1957 г.).}

Конечно, запуск искусственного спутника — сложнейшее техническое мероприятие, задача, посильная лишь для стран с передовой индустрией, высокоразвитой наукой, мощной реактивной техникой. Неудивительно, что во время геофизического года только две страны включили в план своих научных исследований запуск искусственных спутников — Советский Союз и США. Решить же эту задачу первому удалось Советскому Союзу — стране победившего социализма, родине реактивной техники.

Главная трудность создания искусственного спутника Земли связана с тем, что спутник должен двигаться на огромной высоте с колоссальной скоростью. Как же можно этого достичь?

Для того чтобы ракета, стоящая на Земле, превратилась в искусственный спутник, необходимо затратить какую-то энергию. Эта энергия будет израсходована на то, чтобы поднять ракету на высоту ее орбиты, сообщить ей нужную круговую скорость по орбите, пробить «панцирь» атмосферы, то есть преодолеть сопротивление воздуха, возместить различные другие потери энергии, неизбежные в таком полете. Необходимая для всех этих целей энергия должна быть заключена в топливе, запасенном на ракете. Какова же должна быть величина этой энергии?

Если бы ракета летела в свободном пространстве, где нет ни воздуха, ни силы тяжести, то вся энергия топлива, запасенного на ракете, расходовалась бы только на разгон ракеты, на увеличение скорости ее полета. В таком случае конечная скорость ракеты была бы, очевидно, гораздо большей, чем скорость ракеты, взлетающей с Земли. Неудивительно, что эту скорость часто называют идеальной, чтобы показать, что в действительности достичь ее нельзя.

Обычно в астронавтике запас топлива на ракете, необходимый для совершения какого-нибудь межпланетного полета, оценивают именно величиной идеальной скорости. [40] Чем сложнее и труднее полет, чем больше энергии нужно затратить на его осуществление, тем больше топлива нужно запасти на ракете, и, значит, тем больше должна быть идеальная скорость ракеты.

40

Иногда ее называют также характеристической скоростью, чтобы показать, что именно она характеризует необходимый запас топлива на ракете.

Если ракета должна стать искусственным спутником Земли, то величина необходимой идеальной скорости ракеты будет зависеть главным образом от высоты ее орбиты над Землей. Расчеты показывают, что эта скорость растет от 8 до примерно 13 километров в секунду, когда высота орбиты растет от нуля до 35 тысяч километров.

Методы, которыми можно воспользоваться для достижения необходимой скорости, известны, они определяются формулой Циолковского, — это увеличение скорости истечения газов из двигателя и увеличение относительного запаса топлива на ракете.

Вспомните еще раз дальнюю ракету, описанную в главе 6. Отношение взлетной и конечной масс этой ракеты равно 3,25, а скорость истечения — примерно 2100 метрам в секунду. Формула Циолковского показывает, что ракета, которая могла бы стать спутником, обращающимся вокруг Земли на высоте до 500 километров, должна иметь при указанном отношении масс скорость истечения газов порядка 7000 метров в секунду, что недостижимо для современной реактивной техники. При сохранении величины скорости истечения, равной 2100 метрам в секунду, соотношение масс должно равняться примерно 60, что может быть, хоть и не без труда, осуществлено с помощью трех- или четырехступенчатой ракеты.