Путешествие к далеким мирам

Но неужели нет возможности измерить скорость движения корабля непосредственно в данный момент, а не ее среднее значение за довольно большое время?

Такая возможность имеется. Метод, о котором идет речь, уже не раз с успехом использовался наукой для определения скорости движения. В частности, астрономы с помощью этого метода установили, что многие звездные системы — галактики — удаляются от нас и определили скорость их «разбегания». Для этого они воспользовались так называемым эффектом Допплера.

Многие из читателей, наверное, наблюдали, как меняется тон паровозного гудка, когда мимо проносится на большой скорости железнодорожный поезд. Как только поезд промчится мимо станционной платформы и уже не приближается, а удаляется от вас, вы слышите гудок более низкого тона, басовитый. То же произойдет, если гудящий паровоз будет стоять неподвижно, а проноситься мимо него будете вы на проходящем поезде. Частота воспринимаемого звука меняется в зависимости от того, как направлена относительная скорость источника звука и наблюдателя. Если источник звука и наблюдатель сближаются, частота повышается, если удаляются — частота понижается. Это же явление наблюдается и в случае распространения электромагнитных волн — таковы общие свойства волнообразного движения. Например, если источник света удаляется от наблюдателя, то он кажется ему более «красным», то есть спектр излучаемого этим источником света как бы смещается в сторону более длинных волн — красных. Именно таким образом и было установлено упомянутое выше «разбегание» галактик.

Это дает принципиальную возможность определить скорость движения корабля путем измерения сдвига частот, или так называемой Допплеровской частоты радиосигналов, излучаемых передатчиком корабля. Так, в частности, удавалось поступать и с первыми советскими спутниками Земли. Если уловить на самом корабле радиоэхо сигнала, посланного кораблем и отраженного от какого-нибудь небесного тела, то, очевидно, Допплеровская частота удвоится — первый сдвиг произойдет при отражении сигнала от поверхности небесного тела, второй — при приеме этого радиоэха на корабле. В результате частота принятого сигнала будет отличаться от частоты посланного радиопередатчиком корабля, что и позволит определить величину относительной скорости корабля. Вот так же поступают иногда инспектора ОРУДа — регулировщики движения на скоростных автотрассах, когда хотят установить, не превышает ли дозволенную скорость водитель автомашины. Они облучают быстро идущую автомашину лучом радиопередатчика, установленного на служебном автомобиле или мотоцикле, и по Допплеровской частоте отраженного сигнала судят о скорости ее движения (шкала прибора показывает километры в час, так что пересчитывать ничего не приходится).

Правда, задача инспектора в этом случае неизмеримо проще задачи штурмана межпланетного корабля: направление движения обеих машин одинаково, а вот как направлены скорости межпланетного кораб-ля и небесного тела? Только зная эти направления, можно уверенно определить скорость корабля. Для этого можно воспользоваться, например, радиоэхом от двух разных небесных тел.

Кстати сказать, принципиально возможно использовать этот метод определения скорости корабля и без помощи эха. Нужно лишь установить истинную величину «красного смещения» для радиосигналов, излучаемых каким-либо космическим излучателем, и сравнить ее с величиной, измеренной с Земли; разница будет определяться собственной скоростью движения корабля. [109] Таким образом можно определить скорость корабля по «красному смещеник» не только радиоволн, но и видимого света звезд. Между прочим, в 1956 году впервые удалось непосредственно сравнить «красное смещение» радиосигналов, излучаемых одной парой галактик, с «красным смещением» излучаемого ею же видимого света. Очень интересно, что оба метода измерения дали одну и ту же скорость «убегания» галактик — примерно 17 тысяч километров в секунду.

109

Еще одно интересное использование явления смещения частоты излучения в астронавтике связано с возможностью проверить с его помощью некоторые выводы теории относительности, что имело бы принципиальное значение для науки. Такая возможность открывается в результате запуска искусственных спутников Земли. Заключается она в следующем. Если со спутника, особенно находящегося на значительной высоте над Землей, излучать радиоволны определенной длины и затем принимать их на Земле, то можно сравнить изучаемую и принимаемую частоты. Если правильны выводы теории относительности, то в поле земного тяготения частота радиоволн, движущихся к Земле, должна увеличиться на определенную величину, то есть должно наблюдаться смещение частоты, только в данном случае не «красное», а «фиолетовое». Совпадение измеренного смещения с предсказанным теорией относительности служило бы ее подтверждением. Другое такое подтверждение могло бы быть получено по измерениям вращения перигея орбиты искусственного спутника, которое также должно иметь место в соответствии с теорией относительности (это было проверено по отношению к орбите Меркурия).

В общем, можно сказать, что разработка методов космонавигации в основном еще впереди. Здесь непочатый край работы для ученых, штурманов, изобретателей. Может быть, со временем и кто-либо из юных читателей этой книги предложит метод, который станет наиболее принятым в астронавтике.

Конечно, в первое время, когда начнут совершаться межпланетные полеты, навигация в мировом пространстве будет осуществляться именно с помощью указанных выше методов, главным образом с использованием оптических средств. Может быть, только некоторую помощь штурману корабля окажут его коллеги, оставшиеся на Земле. С помощью радиолокационных станций они будут наблюдать за полетом корабля, сверять его курс с заданным и сообщать на корабль по радио о всех необходимых поправках. Вычисление таких поправок представляет собой весьма громоздкую и трудоемкую операцию, и оно будет осуществляться сложными электронными вычислительными машинами.

Зато потом, по мере освоения мирового пространства и накопления опыта межпланетных полетов, космонавигация все в большей степени будет становиться автоматической. За штурманом сохранится только наблюдение за действием автоматической навигационной аппаратуры и вмешательство в случае аварийной необходимости. Корабль поведут по курсу автоматы.

По-разному может осуществляться это автоматическое вождение корабля в Космосе.

Можно, например, создать сложный «автопилот-автоштурман», мозговой центр на корабле, который должен заменить штурмана. Такой автопилот представит собой, по существу, сложную электронную вычислительную машину, которую вряд ли удастся создать без широкого применения полупроводников. Да и с их помощью непросто придать такой машине приемлемые для космического корабля размеры и вес.

Перед взлетом автопилот получит задание в виде заранее рассчитанного маршрута. Это задание может закладываться в машину, например, в виде магнитной ленты, как это делается в некоторых из существующих электронных машинах. Выполняя полученное задание, автопилот станет включать и выключать в нужные моменты основной и рулевые двигатели корабля, осуществлять другие операции по его управлению. Все операции по определению координат корабля, его скорости и направления движения будут осуществляться также автоматически, хотя бы с использованием описанных выше методов. Так же автоматически автопилот рассчитывает все необходимые поправки к курсу, и сам же осуществит их с помощью органов управления корабля. Полученный исправленный курс автопилот вычертит на новой магнитной ленте или же изберет одну из запасных лент с заранее рассчитанными курсами.

Можно обойтись без сложного и громоздкого оборудования на борту корабля, если удастся обеспечить непрерывную радиосвязь корабля с Землей. В этом случае электронно-счетную машину автопилота можно установить на Земле. Понятно, что она окажется более совершенной, ибо исчезнут ограничения в размерах и весе. Приборы на самом корабле и на Земле станут непрерывно следить за полетом корабля и устанавливать все отклонения от заданного курса. Данные этих «наблюдений» получит наземный «мозговой центр», который выработает необходимые поправки к курсу и, в свою очередь, передаст их на корабль. Без вмешательства человека, автоматически, придут в действие органы управления корабля, чтобы выполнить команду, полученную с Земли. Курс выправится. Только в некоторые моменты полета, в частности при посадке на планету, управление кораблем придется осуществлять, очевидно, с его борта.

Со временем, когда мировое пространство будет освоено человеком и межпланетные полеты станут частыми и регулярными, окажутся возможными и методы автоматической радионавигации, широко применяемые в настоящее время в авиации и при наведении управляемых снарядов. Тогда уже исчезнет необходимость в определении координат корабля, величины и направления скорости его полета, без чего не может обойтись космонавигация при всех других методах, описанных выше. На помощь придет радиолуч радиолокационной установки — его можно «протянуть» от одной планеты к другой, для чего на планетах придется соорудить радиомаяки. Их можно соорудить и на спутниках планет или же сами маяки превратить в искусственные спутники планет или Солнца. Маяки могут излучать и «плавающие» радиолучи, периодически покрывающие значительную часть пространства, или же посылать радиоимпульсы во всех направлениях.

Но как же с помощью этих радиолучей управлять кораблем? Систем радионавигации может быть много. В одном случае радиолуч все время ведет корабль: он не выходит из луча так же, как не выходит из него наводимый на цель управляемый снаряд. Луч направлен все время на цель, и полет происходит по кратчайшей прямой — это потребует увеличенного расхода топлива и будет возможно только для курьерских перелетов более далекого будущего. В другом случае радиосигналы, получаемые кораблем от нескольких радиомаяков, установленных в разных точках пространства (достаточно четырех таких маяков), дадут радиоавтопилоту все необходимые данные для управления кораблем. В третьем случае… но, пожалуй, достаточно. Сейчас еще трудно сказать, какому методу радионавигации будет отдано предпочтение штурманами межпланетных кораблей будущего. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками. Одно ясно — по мере развития астронавтики участь межпланетных штурманов будет непрерывно облегчаться: им придут на помощь многие замечательные достижения науки, чтобы привести корабль к далекой цели с минимальной затратой топлива.

Но до тех пор штурманам космических кораблей придется нелегко. Мы уже говорили, как трудно установить отклонение межпланетного корабля от правильного курса. А ведь это только часть дела. Как устранить отклонения? Как заставить корабль снова лечь на нужный курс?

На первый взгляд кажется, что это очень просто. Стоит включить двигатель корабля — и он заставит его лететь в нужном направлении. В действительности дело обстоит гораздо сложнее. Конечно, поправки к курсу должны быть осуществлены с помощью двигателей корабля — основных или рулевых. Но в каком направлении и на какое время должна быть приложена к кораблю их тяга, чтобы получить нужный эффект? Ведь нужно иметь в виду, что приложение к кораблю силы в некотором направлении вовсе не вызовет его движения именно в этом направлении: вспомните детскую игрушку — гироскоп, который движется иногда совсем не туда, куда его толкаешь! Эффект этого действия силы в общем случае будет более сложным, так как полученное кораблем в результате действия силы ускорение сложится с ускорением, которое уже имеет корабль в своем движении по траектории.