Вилли Лей - Ракеты и полеты в космос

• Название: Ракеты и полеты в космос
• Автор: Вилли Лей
• Издательство: 1-я типография Министерства обороны Союза ССР
• Жанр: Техническая литература
• Год: 1960

Книга известного американского популяризатора ракетного дела и космических исследований Вилли Лея преследует цель показать в доступной форме развитие ракетной техники и идеи полета человека в космос, к другим небесным телам, с момента зарождения этой идеи и до наших дней.

Книга рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся вопросами ракетостроения и космонавтики.

---

Наличие внешней космической станции дает возможность осуществить полеты и к другим планетам солнечной системы. Предполагается, что ракеты для таких полетов также будут собираться на внешней станции. Рассмотрим теперь некоторые из особенностей межпланетного полета. Совершенно очевидно, что между полетом на Луну и полетом на одну из ближайших к нам планет имеется большая разница, определяющаяся не только расстоянием. Действительно, Луна удалена от Земли в среднем на 380 000 км, а минимальное расстояние до Венеры, нашего соседа, составляет 32 млн. км. Другой наш сосед—Марс удален от земли на 56 млн.км. Однако то, что коренным образом отличает полет на Луну от межпланетного путешествия, заключается не в расстоянии. Дело в том, что Земля вместе с Луной представляют собой замкнутую планетарную систему. В определенном смысле они являются единым целым, в ракета, покрывая расстояние между ними, по сути дела преодолевает только гравитационное поле Земли и Луны. И хотя Солнце обладает несравненно большей силой притяжения, действие которого ощущается даже на расстоянии 148 млн. км, тем не менее им можно пренебречь при полете на Луну, так как и Земля, и Луна, и космический корабль будут одинаково подвержены ему, или, как выражаются астрономы, они будут находиться в одном и том же потенциале гравитационного поля Солнца. Все три объекта будут двигаться приблизительно с одной и той же скоростью по отношению к Солнцу и примерно в одном и том же направлении.

Вертикальный подъем ракеты с немедленным возвращением на Землю можно сравнить с тем, что вы поднимаетесь со своего места в железнодорожном вагоне, подходите к окну и возвращаетесь назад. Пуск ракеты на Луну подобен переходу в другой вагон одного и того же поезда. При этом не имеет значения, стоит ли поезд или идет на полном ходу, потому что ваше место, окно и следующий вагон движутся с одинаковой скоростью. Но полет на Венеру или на Марс в нашем примере был бы равноценен выходу из поезда, и тогда скорость поезда стала бы важным фактором.

Все планеты солнечной системы движутся вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости. Только орбита планеты Плутон на самом краю солнечной системы и орбиты нескольких астероидов и комет наклонены под большим углом. Однако планеты движутся не с одинаковой скоростью; те, которые находятся ближе к Солнцу, имеют большую скорость обращения (рис. 72), которая необходима для того, чтобы оставаться на своих орбитах, то есть уравновешивать более сильное здесь притяжение Солнца.

Рис. 72. Участки орбит, проходимые Венерой, Землей и Марсом за 50 дней.

Представим теперь, что тело, движущееся по одной из внешних орбит, то есть со сравнительно небольшой скоростью, было внезапно заторможено какой-то внешней силой. В этом случае тело не сможет удержаться на своей орбите и начнет «скользить» по направлению к центру обращения— к Солнцу. Набирая при этом скорость, тело на определенном участке снова приобретет равновесие. Наоборот, какое-либо тело, получившее еще большую скорость, будет двигаться от центра, то есть от Солнца, преодолевая его притяжение.

С небольшим изменением эти рассуждения могут быть применены и к фактическим условиям солнечной системы. Допустим, что мы имеем большую ракету, способную развить вторую космическую скорость (11,2 км/сек) по отношению к Земле. До старта эта ракета является частью Земли, и ее орбитальная скорость по отношению к Солнцу составляет 29,6 км/сек. При вертикальном старте ракета либо добавит свою собственную скорость к скорости Земли, либо «вычтет» ее из скорости Земли (в зависимости от времени суток).

«Передняя сторона» Земли (та, которая ориентирована в направлении орбитального движения) является «утренней стороной». Значит, при старте на рассвете ракета добавит свою скорость, а при старте вечером - «вычтет» ее. Назовем эти два случая пуска «утренней» и «вечерней» ракетами. Схема на рис. 73, выполненная по расчетам немецкого профессора Вернера Шауба, показывает, что «утренняя» ракета, будучи «слишком быстрой» для земной орбиты, устремится на выход из солнечной системы в направлении орбиты Марса. Но при этом ракета обязательно попадет в гравитационное поле Солнца, которое постепенно затормозит ракету. Через шесть с половиной месяцев после старта ракета будет находиться в точке афелия, между орбитами Земли и Марса, а затем снова начнет «скользить» к Солнцу, набирая скорость. Спустя еще шесть с половиной месяцев, то есть через 13 месяцев после старта, «утренняя» ракета достигнет перигелия, который будет расположен в точке, где Земля была 13 месяцев назад. Земля же, разумеется, будет в это время находиться от этой точки на расстоянии одного месяца орбитального движения.

Рис. 73. «Вечерняя» и «утренняя» ракеты.

Затем «утренняя» ракета продолжит свое движение по орбите, снова достигнет афелия через шесть с половиной месяцев и снова вернется в точку, на орбите Земли; в общем, она будет вести себя как независимое небесное тело. Так будет продолжаться в течение 11 полных оборотов, потому что к концу 12-го полного оборота ракета встретит Землю и сгорит, войдя в ее атмосферу.

«Вечерняя» ракета, которая «вычтет» свою скорость из скорости Земли, будет двигаться внутрь солнечной системы. Для нее точка старта будет являться афелием, а перигелий будет находиться где-то между орбитами Земли и Венеры. В течение некоторого времени «вечерняя» ракета также будет независимой «планетой», но это время будет меньшим, чем в случае с «утренней» ракетой, так как к исходу восьмого оборота ракеты вокруг Солнца Земля совершит только 7, точнее, 6,96 оборотов. Поскольку и Земля и ракета будут иметь почти одинаковую скорость, будут двигаться в одном направлении и находиться почти в одной точке пространства, «вечерняя» ракета также столкнется с Землей.

Этим примером мы хотели показать принцип, на котором будет основан полет на ближайшую к нам планету. Может, однако, случиться так, что «утренняя» ракета приблизится к другому небесному телу, скажем, к такой малой планете, как Эрос, орбита которого проходит недалеко от точки афелия ракеты. Эрос будет чрезвычайно интересной целью уже хотя бы потому, что его орбита лежит частично внутри, а частично - вне орбиты Марса. Кроме того, известно, что Эрос не является сферическим небесным телом. Из-за малых размеров Эроса его гравитационное поле можно в расчет не принимать. Возможно, что эта малая планета будет первым объектом исследования после успешного завершения полета на Луну.

Еще одно принципиальное отличие полета на Луну от полета на другие планеты состоит в том, что в первом случае космический корабль может стартовать практически в любое время, тогда как корабль, предназначенный, например, для полета на Марс, должен стартовать, во-первых, в точно установленное расчетное время, а во-вторых, с точно определенной скоростью. Если суммарная скорость космического корабля и движения Земли будет слишком большой, корабль рискует просто пересечь орбиту Марса вместо того, чтобы выйти на нее. При выходе же его на орбиту Марса корабль и планета будут двигаться вокруг Солнца точно в одном направлении, хотя и не с одинаковой скоростью. Но если орбиты корабля и планеты пересекутся, корабль будет вынужден не только изменить направление движения, но и преодолеть разность в скоростях. Естественно, что в первом случае ему потребуется и большее количество топлива.

Первым, кто рассчитал потребность в топливе для межпланетных полетов, был доктор Вальтер Гоманн. Все «орбиты Гоманна», как их сейчас принято называть, являются по сути дела кеплеровскими эллипсами, которые лежат в плоскости эклиптики (орбиты Земли), следуют общему вращению солнечной системы и либо «касаются», либо пересекают орбиты по меньшей мере двух планет.

Я умышленно употребил фразу «следуют общему вращению солнечной системы». Ведь можно представить себе и даже рассчитать такой кеплеровский эллипс, который будет направлен в противоположную сторону, но подобная орбита окажется весьма неэкономичной. Орбиты, которые не следуют общему вращению солнечной системы, исключаются, как «невозможные» (рис. 74).

Рис. 74. Орбиты Гоманна. Слева - возможная орбита, двигаясь по которой тела следуют общему вращению солнечной системы, и невозможная орбита. Справа - три возможных орбиты, из которых одна (А) требует наибольшего времени и самого минимального расхода топлива.

Рассчитывая «возможные» орбиты-траектории, доктор Гоманн намеренно упростил расчеты, приняв, что орбиты внутренних планет лежат точно в одной плоскости и что они круглые, а не эллиптические. Последнее допущение имеет целью избавиться от усложняющего все расчеты факта, что планеты движутся в перигелии несколько быстрее, чем в афелии. Гоманн допустил также, что средняя орбитальная скорость планеты является верной для каждой точки орбиты. Выражаясь более научно, он допустил, что радиус-вектор в равные промежутки времени проходит равные участки и описывает равные углы.