Инженер-майор Е. РОЖКОВ

Еще совсем недавно полеты пилотируемых летательных аппаратов принято было измерять такими единицами, как километры и часы. Едва ли, например, кому-либо показалось бы удобным измерять дальность самолетов долями земного экватора.

Но после полетов советских летчиков-космонавтов Ю. А. Гагарина и Г. С. Титова стало ясно, что старый масштаб измерений явно мал. Действительно, дальность полета корабля «Восток-2», выраженная в километрах, требует почти астрономического порядка цифр — 700 000 км!

Сейчас принимает права гражданства новый масштаб измерений — витки и сутки. В этом заложен определенный смысл: речь уже идет не о том, чтобы человек только проник в космос и возвратился на Землю, а о том, чтобы сделать космический эксперимент максимально продолжительным, а следовательно, и максимально полезным для научных целей.

Продолжительность орбитальных космических полетов зависит от многих факторов. Их можно разбить на две группы. К первой относится все, что основано на внешнем воздействии космического пространства или вызывается условиями космического полета. Главное здесь — атмосферное торможение, метеорная опасность, невесомость и радиация. Эта группа, естественно, не поддается активному вмешательству человека.

Вторая группа — факторы, зависящие от активного воздействия человека или подчиняющиеся воле космонавта. Сюда входят сроки надежной работы систем жизнедеятельности, запрограммированный или аварийный моменты включения тормозной двигательной установки (ТДУ) и некоторые другие.

Рассмотрим влияние на продолжительность космического полета атмосферного торможения и метеорной опасности. Поскольку другие факторы связаны с медико-биологическими вопросами и конструктивными особенностями систем, упомянем о них лишь в самых общих чертах.

При движении любого тела, в том числе и космического корабля, о атмосфере — среде с конечной плотностью — возникает сила аэродинамического сопротивления, направленная в сторону, противоположную вектору скорости, и вызывающая вследствие этого тормозящее действие.

В результате торможения кинетическая энергия космического аппарата уменьшается и он постепенно теряет высоту орбитального полета. Полет в атмосфере, который происходит под действием только инерционных, гравитационных и аэродинамических сил, обычно называется естественным. Траектория его имеет спиралевидную форму (рис. 1).

По мере снижения процесс торможения прогрессирует, так как аппарат «захватывается» все более и более плотными слоями атмосферы. Достигнув определенной высоты (точка А на рис. 1), космический корабль прекращает орбитальный полет и переходит на траекторию непосредственного снижения или возвращения.

Для космических аппаратов баллистической формы (сфера, конусоид, параболоид, цилиндр и их комбинации), к которым можно отнести все искусственные спутники Земли, запущенные на орбиты до настоящего времени, советские космические корабли «Восток-1» и «Восток-2» и американскую капсулу «Меркурий», высота начала возвращения лежит в пределах 130-150 км.

Уравнение движения космического аппарата, записанное в проекции на направление вектора скорости, имеет вид:

(1)

Выражение принято называть баллистическим параметром (σ).

Рис. 1. Изменение орбиты космического летательного аппарата при естественном торможении (начальная орбита — эллиптическая).

Как видно из уравнения (1), процесс атмосферного торможения определяется двумя характеристиками — баллистическим параметром и плотностью.

Для возвращаемого на Землю космического летательного аппарата заданной конфигурации и веса можно считать, что его баллистический параметр не зависит от изменения высоты. При этом незначительным влиянием чисел Rе на с_х и расходом материала внешней обшивки за счет процессов сублимации практически можно пренебречь.

Другое дело плотность. Эта характеристика, как видно из рис. 2, с высотой меняется весьма существенно.

Приведенная на рис. 2 плотностная модель атмосферы получена советскими учеными с использованием новейших методой исследований: по торможению советских искусственных спутников Земли, методом диффузии паров натрия (искусственная комета} и, наконец, замерами давления непосредственно со спутников с помощью ионизационных и магнитных электроразрядных манометров.

Уравнение (1) совместно с другими соотношениями, определяющими движение космического летательного аппарата, а также плотностная характеристика атмосферы позволяют рассчитывать продолжительность естественного полета.

Расчетным путем получена зависимость продолжительности естественного полета корабля от начальной высоты для круговых начальных орбит при различных значениях баллистического параметра (рис. 3).

Если начальная орбита эллиптическая, то при торможении апогейное расстояние сокращается быстрее, чем перигейное (см. рис. 1). При этом эллиптичность орбиты непрерывно уменьшается и сама орбита в конце концов вырождается в круговую. Значения продолжительности естественного полета космического аппарата с баллистическим параметром, равным σ = 0,016, при начальных эллиптических орбитах и различных значениях высот перигея и апогея даны в табл. 1.

Рис. 2. Изменение плотности по высоте.

Таблица 1

Продолжительность полета наиболее чувствительна к изменениям перигейной высоты. Это и понятно. Ведь на процесс торможения при движении по эллиптической орбите наибольшее влияние оказывают более плотные слои атмосферы.

Первый советский искусственный спутник Земли, как известно, имел начальные высоты перигея и апогея соответствен Hп = 228 км и Hа=947 км, его баллистический параметр равнялся σ=0,091 (с_x =2,0, G=83,6 кг, S = 0,264 м²). Просуществовал он около 92 суток. Сравнивая этот результат с данными табл. 1 и учитывая некоторое расхождение в баллистических параметрах, можно отметить хорошую их сходимость.

Межпланетное пространство заполнено большим количеством движущихся частиц каменной или металлической структуры — метеорами. Скорость их движения огромна и колеблется в пределах от 11 до 70 км/сек. Метеорные тела бывают самых различных масс и размеров, от микропылинок до метровых глыб. В общем количестве метеорного вещесп приходящего в земную атмосферу, можно в некоторой степени судить по среднесуточному приросту массы Земли за счет твердых космических поступлений, который составляет от 4 до 6 тыс. т в сути

Изучение метеоров было начато учеными еще задолго до первых космических полетов и проводилось с помощью оптических наблюдений с Земли (по свечению метеоров, входящих в плотные слои атмосферы), по отражению радиосигналов, от метеорных ионизационных следов, путем регистрации метеорных частиц опциальными пьезодатчиками, установленными на высотных ракетах, и т. д.

В результате этих исследований установлено, что существуют две группы метеорных частиц. Первые образуют случайные по времени потоки — спорадические метеоры. Вторые — метеорные потоки, периодически пересекающие орбиту Земли и движущиеся по орбитам вокруг Солнца.

Для каждой осредненной массы спорадических метеоров подсчитано их действительное количество в атмосфере Земли. При этом некоторые исследователи считают, что метеорных частиц с массами менее 2,5 · 10^-13 г в солнечной системе практически не существует, поскольку они выталкиваются давлением солнечной радиации за пределы системы. Определен диапазон средней плотности метеорных частиц, равный 3-3,4 г/см³. Зная плотность и массу и условно принимая, что метеоры имеют шарообразную форму, можно составить таблицу, позволяющую оценивать размеры метеоров различных масс (см. табл. 2).

Статистические данные по метеорам позволяют рассчитать вероятность встречи с ними космических летательных аппаратов. Неплохие результаты по вероятности встречи космического аппарата с метеорами, масса которых равна или больше М, дает следующая формула:

(2)

где t — среднее время (в секундах) между двумя встречами с метеорами, масса которых равна или больше М (в граммах); Vср = 30 000 ÷ 50 000 м/сек — средняя скорость метеоров;. S — поперечный мидель космического аппарата (в м²).

Результаты расчета, выполненного с помощью формулы (2), для космического летательного аппарата с поперечным миделем S = 1 м² приведены в табл. 3.

Таким образом, вероятность попадания метеоров в космический корабль будет следующей:

— один раз в полтора суток — массой в 2,5 ·10^-9 г и более.

— один раз в пять месяцев — массой 2,5 · 10^-7 г и более.

— один раз в тридцать девять лет — массой 2,5 · 10^-5 г и более и т. д

С помощью таблицы легко подсчитать, что возможность столкновения космического корабля с крупными метеорами чрезвычайно мала. Так, с метеором диаметром 1 мм корабль (S=1 м²) может встретиться раз в 25.00 лет, а с метеором в 5 мм — всего лишь однажды за 330 000 лет.

Особый интерес представляет пробивная способность метеоров или глубина их проникновения в оболочку космического корабля при встрече с ним. Можно считать, что глубина проникновения метеоров в металлическую оболочку корабля равняется 8÷20 диаметрам метеорной частицы (по эквивалентному шарику).

Из табл. 2 следует, что заметные нарушения оболочки (от 1 мм и более) могут вызвать метеоры с массой не менее 2,5·10^-7 ÷ 2,5 · 10^-5. Вероятность встречи с такими метеорами невелика (см. таблицу).

Однако пренебрегать этой опасностью нельзя, так как по мере развития космонавтики появятся большие и долго-существующие станции в космосе, для которых метеорная опасность станет существенной. Не исключена возможность, что к этому времени будет создана эффективная противометеорная защита.

Рис. 3. Продолжительность естественного полета при начальной круговой орбите.

О радиационных поясах и о том, какую опасность представляют они для космонавтов, уже много писалось. Не вызывает сомнения то обстоятельство, что трассы современных пилотируемых космических кораблей должны проходить заведомо ниже или выше радиационных поясов. Ограничение, которое накладывает радиационный фон на высоту орбиты, уже само по себе оказывается на продолжительности орбитального полета.

Радиационные пояса, расположенные вокруг Земли, в принципе не являются непреодолимыми. Существует возможность создания противорадиационной защиты. Над практическим решением этой серьезной проблемы работают и инженеры и биологи. Как бы ни было оформлено возможное решение, пока ясно одно — без увеличения веса космического корабля, а значит и его стартовой энергетики, не обойтись. Будет ли достаточной такая защита, покажет будущее.

Пожалуй, наиболее важный фактор, влияющий на продолжительность космического полета, — срок гарантированно надежной работы систем, обеспечивающих космонавту нормальные условия жизнедеятельности на борту космического корабля (кондиционирование воздуха, регулирование давления и температуры, удаление продуктов жизнедеятельности)

Программа полета Г. С. Титова предусматривала суточное пребывание в космосе. Теперь известно, что все система обеспечения необходимых условий на борту корабля могли функционировать в течение десяти суток.

При включении тормозной двигательной установки скорость космического корабля резко уменьшается, он входит в плотные слои атмосферы и переходит на траекторию непосредственного снижения и затем совершает посадку.

Когда полет протекает нормально, команда на включение тормозной двигательной установки подается с Земли в соответствии с программой (после срабатывания автоматического цикла подготовительных операций), что обеспечивает посадку в заданный район. Однако в таких аварийных ситуациях, как случайная разгерметизация кабины, попадание крупного метеора, отказ каких-либо бортовых систем, непредусмотренное повышение радиационного фона или при плохом самочувствии космонавт, пользуясь аварийным включением тормозной двигательной установки, принимает решение о спуске, даже если консультация с Землей невозможна.

Для компенсации аэродинамического сопротивления можно использовать «компенсирующий» реактивный двигатель.

Поскольку едва ли возможно создать двигатель, который бы работал непрерывно многие сутки, наиболее вероятно импульсное приложение тяги. Для высокоорбитальных полетов такой двигатель может не потребоваться, но для продолжительных низкоорбитальных полетов он окажется необходимым.

Первыми советскими космонавтами положено начало систематическим полетам пилотируемых космических кораблей. Созданные в Советском Союзе ракеты-носители, космические корабли и подготовленные кадры летчиков-космонавтов обеспечат выполнение великой миссии человечества по проникновению в космос.