Путешествие к далеким мирам
Шрифт:
Действительно, как избрать орбиту искусственного спутника?
Прежде всего возникает вопрос о положении плоскости орбиты по отношению к плоскости экватора, а также о целесообразном месте запуска. При решении этого вопроса приходится учитывать два противоречивых требования.
Чтобы использовать скорость, которую Земля имеет в своем вращении вокруг оси, полет спутника по орбите должен осуществляться в том же направлении, что и вращение Земли, то есть с запада на восток. При таком запуске спутник «бесплатно», без затраты топлива, получает ту скорость, которой обладает точка запуска в своем вращении вокруг оси Земли, как приобретает скорость поезда выпрыгивающий
Таким образом, чтобы облегчить задачу запуска спутника, плоскость его орбиты должна быть расположена под возможно меньшим углом к экватору, а точка запуска — возможно ближе к нему.
Но при таком выборе орбиты спутника он будет пролетать над очень узкой полосой земной поверхности, расположенной у экватора. Следовательно, возможности наблюдений за спутником и со спутника будут сильно ограниченны, а ведь такие наблюдения весьма важны. Зато наилучшей в отношении наблюдений была бы полярная, или меридиональная, орбита, при которой спутник обращался бы вокруг Земли в плоскости, проходящей через полюсы, то есть по меридиану. Правда, при этом была бы полностью потеряна выгода, которую можно получить, используя окружную скорость Земли вокруг оси. Чем ближе плоскость орбиты спутника к полярной, тем больше возможности научных наблюдений с помощью спутника, но вместе с тем больше и необходимый запас топлива на ракете для достижения заданной высоты орбиты.
Плоскости орбит спутников, запущенных в США, расположены под небольшим углом к экватору, примерно 30–35°, орбиты же советских спутников расположены под углом 65° к экватору. Это значит, что запустить советские спутники было труднее, но зато больше и научное значение этих спутников. [42]
Но вот плоскость орбиты избрана. Как теперь установить форму самой орбиты? Должна быть орбита круговой или эллиптической? Если будет избран эллипс, то насколько вытянутый, с какой высотой перигея и апогея, то есть наименьшей и наибольшей высотой?
42
Последний спутник США «Эксплорер» имеет угол орбиты 51°, а запущенный 14 апреля 1959 года спутник «Дискаверер» — орбиту, проходящую вблизи полюсов.
Конечно, наиболее просто было бы создать спутник, имеющий круговую орбиту на высоте, как уже говорилось, не менее 200 километров. Для запуска такого спутника потребовалось бы наименьшее возможное количество топлива. Но зато срок «жизни» такого спутника был бы также наименьшим — под действием воздушного сопротивления разреженной атмосферы первоначально круговая орбита превратится быстро в спиральную, спутник будет приближаться к Земле, терять высоту. В то же время он станет двигаться во все более плотной атмосфере, оказывающей ему все большее сопротивление, что еще сильнее снизит его скорость. Наконец все туже закручивающаяся спираль приведет спутник в столь плотную атмосферу, что, ворвавшись в нее с огромной, космической скоростью, спутник превратится в метеор — он вспыхнет, испарится. Так произойдет еще одна космическая катастрофа, на этот раз — с небесным телом, созданным рукой человека.
Чтобы удлинить срок жизни спутника, целесообразно увеличить его скорость при запуске выше круговой. Ниже, в главе 15, посвященной траекториям полета межпланетных кораблей, будет показано, что в этом случае орбита спутника будет уже не круговой, а эллиптической. Высота полета спутника над Землей будет при этом все время изменяться между перигеем и апогеем. Чем больше эта избыточная скорость при запуске спутника, тем более вытянутым окажется эллипс, тем больше будет высота апогея по сравнению с высотой перигея. Это и приведет к значительному увеличению срока жизни спутника. Теперь уже воздушное сопротивление, действие которого будет проявляться в моменты полета спутника у перигея, то есть на меньших высотах, будет постепенно снижать высоту апогея. [43] Эллипс, который описывает спутник вокруг Земли, постепенно начнет приближаться к кругу, его вытянутость — уменьшаться. Наконец спутник выйдет на круговую орбиту, а затем, как уже было сказано, перейдет на спиральный
43
Высота перигея будет также уменьшаться, но в десятки раз медленнее.
Так ценой затраты дополнительного топлива при запуске спутника можно увеличить высоту апогея его орбиты и, тем самым, срок его жизни. Понятно, конечно, что необходимость в дополнительном топливе усложняет ракету и увеличивает ее взлетный вес.
Как известно, первый спутник, запущенный в Советском Союзе, имел начальную высоту апогея 947 километров, второй спутник — 1671 километр, а третий спутник — 1880 километров. Следовательно, наряду со все возрастающим весом спутников увеличивалась и высота их над Землей и, соответственно, срок жизни. [44]
44
Миниатюрный американский спутник «Авангард» достиг максимальной высоты около 4000 километров.
Следует отметить, что большая вытянутость эллиптической орбиты, большая высота апогея дает и еще одно преимущество, помимо увеличения срока жизни. Совершая свои путешествия от перигея к апогею и наоборот, спутник пересекает различные слои земной атмосферы. Так, первый советский спутник в своем движении по орбите то входил в ионосферу, то выходил из нее, а второй и третий спутники, помимо этого, выходили практически вовсе за пределы земной атмосферы. Это чрезвычайно важно для некоторых исследований, о которых ниже будет сказано подробнее, в частности для исследований космических лучей.
Запуск советских искусственных спутников Земли был осуществлен с помощью составной многоступенчатой ракеты. Первый спутник, имевший шаровидную форму, был помещен в носовой части последней ступени ракеты и закрыт защитным носком-конусом, сбрасываемым в полете. Вторым спутником явилась сама последняя ступень ракеты, причем в этом случае также имелся сбрасываемый носок, защищавший при полете в плотной атмосфере научное оборудование спутника от воздействия давления встречного потока воздуха и перегрева. Таким же защитным носком был снабжен и третий спутник, который, как и первый спутник, при достижении орбиты отделился от последней ступени ракеты, так называемой ракеты-носителя, но, в отличие от него, имел не шаровидную, а конусообразную форму.
Примерное общее представление об устройстве ракет для запуска искусственных спутников Земли можно получить по американской ракете «Авангард», о которой были опубликованы подробные сведения. Одним из характерных отличий этой ракеты является отсутствие у нее стабилизаторов, что делает ракету похожей на простой карандаш или, еще лучше, на винтовочный патрон с пулей. Вместо стабилизаторов и рулей ракета управляется в полете путем изменения направления реактивной тяги двигателя, для чего весь двигатель должен поворачиваться на некоторый угол — до 4–5° от оси ракеты. Такая шарнирная подвеска двигателя для целей управления была в свое время предложена Циолковским и в 1931 году практически осуществлена в Советском Союзе. В ряде случаев она оказывается более выгодной по сравнению с обычными рулями, но обладает и некоторыми недостатками. В частности, отклонение двигателя от оси ракеты может быть лишь небольшим, так как иначе сильно усложняется подвод топлива к двигателю. Но из-за этого при запуске ракеты, когда она движется еще с малыми скоростями и потому неустойчива, управление ракетой может оказаться неудовлетворительным. Считается, что первые одна — две секунды после взлета могут оказаться роковыми для ракеты, если на нее подействует сильный порыв ветра.
Для запуска ракета устанавливается на специальной пусковой платформе высотой примерно 3,5 метра. В платформе имеется канал диаметром 2,5 метра для того, чтобы отвести газы, вытекающие из двигателя первой ступени ракеты при запуске. Так как газы имеют очень высокую температуру, то канал охлаждается водой. Для всех работ по монтажу ракеты и подготовке ее к запуску стенд имеет специальную высокую башню, которая перед запуском отводится в сторону по рельсовому пути.
Как же был осуществлен запуск советских искусственных спутников?