«Техника-молодежи» 1958№2, вкл, с.5-8

Желательно смотреть с разрешением 1280 Х 800

Арий Абрамович ШТЕРНФЕЛЬД, председатель Научно-технического комитета космической навигации секции астронавтики Центрального аэроклуба СССР, родился в 1905 году. Свою научную деятельность он посвятил решению проблемы космических полетов. Труд А. А. Штернфельда «Введение в космонавтику» удостоен в 1934 году Международной поощрительной премии Комитета астронавтики Французского астрономического общества. В 1956 году вышла в Москве новая книга А. А. Штернфельда «Искусственные спутники Земли»; сейчас подготовлено к печати второе издание ее. Ниже мы публикуем ответы А. А. Штернфельда на вопросы читателей.

НА ПОДСТУПАХ ВСЕЛЕННОЙ На цветной таблице в произвольном масштабе показаны слои атмосферы над нашей планетой, некоторые явления, происходящие в них, и технические средства, используемые для изучения атмосферы. Самый нижний слой — это одеяло Земли — тропосфера. В ней сосредоточено 79% всей массы атмосферы и почти вся атмосферная влага в виде паров, туманов и облаков. Выше находится стратосфера. Характерной особенностью этого слоя является наличие озона — трехатомного кислорода, нагреваемого ультрафиолетовой частью солнечной радиации. От высоты 80 км начинается ионосфера — слой, непрерывно бомбардируемый космическим и солнечным излучениями, а результате которых молекулы газов диссоциируют — расщепляются на атомы, приобретая электрический заряд. Свечением ионизированных частиц объясняются полярные сияния. В стратосфере сгорают метеоры. Справа условно изображено прохождение звуковых волн и радиоколебаний через атмосферу. От нагретого слоя (около 50 км высоты) отражаются звуковые лучи; лучи длинных и средних радиоволн отражаются от слоев ионосферы, расположенных на разных высотах, и только ультракороткие волны уходят в мировое пространство. Слева нарисованы технические средства, предназначенные для детального исследования свойств атмосферы; стратопланы и стратостаты поднимают ученых; выше с приборами поднимаются радиозонды и управляемые ракеты. Наконец уже за гранью атмосферы движутся созданные нами спутники Земли, о которых рассказывает сегодня А. А. Штернфельд.

А. ШТЕРНФЕЛЬД

О СПУТНИКАХ

1. Как объяснить движение искусственного спутника по круговой орбите?

— Брошенное горизонтально (на известной высоте) тело движется по дуге эллипса (Э₁, Э₂, Э₃, Э₄), имеющего один фокус в центре Земли (О), а другой (О₁, О₂, О₃, О₄) ближе к точке бросания. По мере увеличения начальной скорости размеры эллипса увеличиваются, а второй фокус эллипса приближается к центру Земли. При достижении определенной начальной скорости второй фокус тоже совпадает с центром нашей планеты, и эллипс превращается в окружность, движение по которой происходит с постоянной скоростью, равной начальной («круговая скорость»).

— В отличие от эллипсов, изображенных на предыдущем рисунке, такой эллипс имеет второй фокус по ту сторону центра нашей планеты, по отношению к точке запуска. По мере увеличения скорости запуска второй фокус удаляется от центра Земли. Вместе с этим поднимается потолок орбиты. Увеличение начальной скорости у поверхности Земли с 7,9 до 10 км/сек поднимет потолок орбиты на 3 земных экваториальных радиуса (орбиты 1 и 2). Дальнейшее увеличение этой скорости на 1 км/сек поднимет потолок на 25 радиусов Земли (орбита 3). При скорости 11,1 км/сек тело будет облетать Луну, оставаясь искусственным спутником Земли (орбита 4).

При скорости 11,2 км/сек («параболическая скорость») второй фокус удаляется в бесконечность, и эллипс разрывается, превращаясь в параболу (орбита 5). Это предельная скорость искусственного спутника: тело удаляется в бесконечность.

— Эта скорость может быть сколь угодно малой и зависит от удаленности апогея: чем дальше от центра Земли расположен апогей орбиты, тем меньше скорость движения спутника. Самое замедленное движение имеет спутник при прохождении через апогей, а самое быстрое — в перигее (ближайшая к Земле точка орбиты). Отношение между этими величинами напоминает известное правило рычага. Если, например, в перигее скорость спутника равна 5 км/сек, а апогей находится на расстоянии в пять раз большем перигея от центра Земли, то апогейная скорость составляет 1 км/сек (5 км/сек: 5).

— Нет. Если периоды обращения разных спутников одинаковы, то согласно третьему закону Кеплера большие оси орбит этих спутников также одинаковы. Поскольку же малые оси орбит имеют различные размеры, то средняя орбитальная скорость этих спутников тем меньше, чем более сплюснут эллипс.

— При движении спутника по эллиптической орбите его скорость оказывается то больше той скорости, которую он бы имел, если бы двигался по окружности с диаметром, равным большой оси эллипса, то меньше ее. Если разделить эллипс на две части его малой осью, то скорость спутника больше соответствующей круговой, когда он движется по той половине эллипса, которая ближе к Земле (часть эллипса, находящаяся внутри окружности), и меньше, когда он движется по другой половине (с наружной стороны окружности). Наконец скорости спутника в моменты, когда он проходит через концы малой оси эллипса (точки пересечения эллипса с окружностью), равны круговой скорости.

— Кажущееся движение двух спутников может происходить и в противоположных направлениях, хотя в действительности направления их движения могут в одном случае совпадать, а в другом быть противоположными.

Рассмотрим, например, два искусственных спутника, движущиеся в направлении вращения Земли, то есть с запада на восток в экваториальной плоскости по круговым орбитам с радиусами 33 800 и 59 400 километров. Допустим, что в некоторый момент времени оба спутника находились над головой наблюдателя в одной точке неба — в зените. Нижний спутник, имеющий период обращения 17,1 часа, за один час опишет на своей орбите дугу 360°: 17,1 = 21°, а верхний — с периодом обращения 40 часов пройдет за то же время дугу 360° : 40 = 9°. Между тем за этот же час наблюдатель, участвуя в суточном вращении Земли, пройдет в восточном направлении дугу 360° : 24 = 15°. Таким образом, за час нижний спутник обгонит наблюдателя на 21°—15° = 6°, а верхний отстанет от него на 15° — 9° = 6°. Наблюдателю же будет казаться, что спутники движутся на небесной сфере в противоположных направлениях (нижний — на восток, верхний — на запад), проходя каждый 1° за 10 минут.

— Конечно, но это будет иметь место только в случае запуска спутников на весьма большое апогейное расстояние. На рисунке и показаны случаи «качающихся» искусственных спутников, то есть спутников, видимое движение которых может быть колебательным: то с запада на восток, то с востока на запад и опять с запада на восток.

На рисунке изображены эллиптические орбиты экваториальных искусственных спутников. Для спутников, вращающихся в первой зоне, кажущееся направление движения будет совпадать с действительным, так как их угловая скорость больше угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси. Для других спутников, проходящих частично во второй и третьей зонах, кажущиеся и действительные направления будут совпадать только на части пути. Пока спутник находится вблизи Земли, его угловая скорость сравнительно велика и он кажется движущимся на восток, но по мере приближения спутника к указанной на рисунке межзональной границе видимое движение его по небесной сфере постоянно замедляется. В момент достижения спутником указанной границы он как бы на мгновение останавливается (угловая скорость обращается в нуль), чтобы начать затем двигаться в обратном направлении — с востока на запад. Последнее движение длится до тех пор, пока спутник вновь достигнет межзональной границы и видимое направление движения изменится.

— Поскольку Луна делает одно полное обращение вокруг своей оси примерно за четыре недели, потребовалось бы не менее двух недель для обследования всей ее поверхности с борта спутника в солнечном освещении и отраженном Землей свете. Но можно также применить ускоренный метод, не дожидаясь, чтобы Луна сделала полуоборот вокруг своей оси. Для этого, совершив одно обращение вокруг Луны с выключенным двигателем и обозрев полосу определенной ширины, космонавты смогут, пролетая, например, над полюсом, включить ракетный двигатель, чтобы повернуть плоскость орбиты спутника вокруг оси Луны на определенный угол по отношению к звездам. Таким образом, при следующем обращении спутника вокруг Луны по новой орбите астронавты увидят совершенно новые территории. Чем больше высота движения спутника, тем шире видимая полоса и тем меньше раз придется менять плоскость орбиты спутника. На рисунке показан такой ускоренный метод обозрения поверхности Луны в случае двукратного изменения плоскости орбиты, расположенной на высоте, равной радиусу Луны. Время обозрения Луны за три полных обращения спутника составляет всего пять с половиной часов. Цифрами отмечено, сколько раз можно со спутника обозреть данную площадь.

— Нет. Самым резким является это уменьшение в апогее. Как видно на рисунке, в перигее это уменьшение незначительно. Таким образом, эллиптическая орбита постепенно переходит почти в круговую, точнее — в частую спираль, вдоль которой в плотных слоях атмосферы спутник превращается в «падающую звезду».

— Да. Например, с помощью миниатюрного ракетного двигателя можно столкнуть со спутника космический планер со сравнительно небольшой скоростью в сторону, противоположную орбитальному движению (точка А). Тогда скорость планера сделается меньше орбитальной, и он по полуэллиптической орбите начнет приближаться к поверхности Земли (полуэллипс АВ). В перигее этой траектории планер войдет в плотные слои атмосферы (точка В на рисунке). Здесь и начинается торможение планера атмосферой. Когда скорость космического планера будет почти погашена и упадет у поверхности примерно до 100 км/сек, он сможет приземлиться подобно обычному планеру (точка С на рисунке).

— С очень высоко летящего искусственного спутника (точка А) спуск будет происходить несколько иначе, чем в предыдущем случае. Для облегчения задачи можно разделить операцию торможения на несколько этапов. Космический планер, обогнув Землю в очень разреженных слоях атмосферы (точка В на рисунке), возвращается в межпланетное пространство с уменьшенной скоростью. Вернувшись по эллипсу ВОВ в атмосферу Земли, планер опять замедляет свою скорость. Дальнейшее движение происходит по эллипсу ВСВ, вдоль которого, как и во время движения по предыдущему эллипсу, происходит охлаждение перегретых частей конструкции планера вследствие лучеиспускания. Наконец, пройдя спираль ВЕ, планер приземляется в точке Е.

На следующие вопросы мы попросили ответить тт. КАЗНЕВСКОГО В. П., ИСАКОВА П. К., РАПОПОРТ Т. Л. и ЛУЦКОГО В. К., написавших недавно интересную книгу «СТО ВОПРОСОВ И ОТВЕТОВ ОБ ИСКУССТВЕННЫХ СПУТНИКАХ ЗЕМЛИ» для издательства «Знание».

КАКОВЫ ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АСТРОНАВТИКИ НА БЛИЖАЙШИЕ ГОДЫ?

Самым трудным было сделать первый шаг в космос. Для этого требовалось достичь скорости 8 км/сек, в то время как современные сверхскоростные самолеты развивают не больше 1 км/сек. Для полного преодоления земного тяготения потребуется прибавить к круговой скорости всего 3 с небольшим километра в секунду. Это, конечно, значительно проще, чем увеличить скорость с 1 км/сек на 8 км/сек. Поэтому следует ожидать бурного развития астронавтики. Посылка автоматической ракеты на Луну может произойти в ближайшие несколько лет. Полет людей на круговые орбиты и на Луну — это тоже вопрос ближайших десятилетий. Для этого нужно только решить проблему возвращения с искусственного спутника. Полеты на соседние планеты будут осуществлены, как только будет построена атомная ракета, над созданием которой уже сейчас напряженно работают ученые ряда стран. Полеты к звездам — это пока дело далекого будущего, но уже сейчас решен ряд теоретических вопросов такого полета.

КАКИМ БУДЕТ КОРАБЛЬ ДЛЯ МЕЖПЛАНЕТНЫХ ПОЛЕТОВ?

При полете в межпланетном пространстве космическому кораблю не потребуются удобообтекаемые формы, свойственные современным самолетам и ракетам. Внешняя форма межпланетного корабля будет необычной.

Он представит собой ряд шарообразных и цилиндрических корпусов с большими удобными и просторными помещениями для астронавтов. Кабины межпланетного корабля будут более просторными, чем кабины самолета. Ведь при полете, например, на Марс астронавтам придется провести в корабле около одного года.

Межпланетный корабль будет иметь атомный реактивный двигатель и оборудоваться источником электроэнергии с использованием солнечной энергии, иметь надежные средства радиосвязи и совершенную радиолокационную аппаратуру, а также автоматическое управление, которое позволит точно выдерживать заданную траекторию и скорость полета.

После того как около Земли будет создана пересадочная космическая станция в виде искусственного спутника и доставлены на нее части межпланетного корабля, астронавты произведут его сборку. Собранный межпланетный корабль с орбиты искусственного спутника Земли отправится к планетам. Подлетая к планете, корабль затормозит свой полет и превратится сам в искусственного спутника планеты.

От корабля отделится небольшая посадочная «ракета-лодка», которая перенесет астронавтов на планету.

Возвращение на Землю будет происходить в обратном порядке. Отправляясь в обратный путь, посадочная «ракета-лодка» подлетает к поджидающему ее космическому кораблю-спутнику, который забирает астронавтов, включает двигатель и устремляется к искусственному спутнику Земли.

СМОГУТ ЛИ РАКЕТЫ С ЖИДКОСТНО-РЕАКТИВНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ДОСТИГНУТЬ ЛУНЫ?

Да, смогут, для этого потребуется прибавить еще одну — самое большее две ступени к ракете, которая забросила на орбиту первые ИСЗ. Так как отношение полезного веса к начальному весу ракеты при этом резко уменьшится, то нужно будет увеличить первые ступени ракеты.

Будущие искусственные спутники Земли обязательно будут использоваться как стартовые площадки для космических кораблей. Они обладают для этого рядом преимуществ.

Во-первых, сила притяжения Земли на спутнике уже частично преодолена, и остается прибавить к скорости спутника всего около 3 км/сек, чтобы ее преодолеть полностью.

Во-вторых, на будущих космических ракетах будут, вероятно, работать атомные, ионные или фотонные двигатели. Запуск таких ракет с поверхности Земли может иметь нежелательные последствия ввиду их радиоактивного действия. Старт же с искусственного спутника позволит избежать действия реактивной струи на земную поверхность и атмосферу.

Ускорения, развиваемые космическими кораблями, стартующими со спутника, могут быть совсем небольшими, и корабль может постепенно набирать скорость, что особенно облегчит работу будущим конструкторам новых типов ракет. В первый период полетов на жидкостных ракетах искусственные спутники можно использовать как станции для заправки топливом. Значение искусственных спутников, как будущих межпланетных вокзалов, безусловно, огромное.

ГДЕ НАЧИНАЕТСЯ СОСТОЯНИЕ НЕВЕСОМОСТИ?

Невесомость, то есть отсутствие веса, возникает после прекращения работы двигателей ракеты-носителя и вывода искусственного спутника Земли на заданную орбиту. Состояние невесомости длится в течение всего полета спутника в космосе. Во время запусков высотных ракет с помещенными в них животными — обезьянами, мышами, собаками — велись исследования поведения и состояния их внутри ракеты. Было установлено, что в состоянии невесомости у животных нарушается некоторая координация движений, они принимают самые неестественные позы, утрачивают способность захватывать пищу. Однако полет ракеты длится всего лишь несколько минут. Опыт с собакой Лайкой, помещенной на втором спутнике, показал, что при соответствующей тренировке и соответствующем оборудовании — специальной герметической кабины все жизненные функции организма протекают вполне нормально.

ЧТО БЫЛО БЫ, ЕСЛИ БЫ ПЕРВЫМ ИСКУССТВЕННЫМ СПУТНИКАМ СООБЩИЛИ СКОРОСТЬ БОЛЕЕ 8 км сек?

Можно сказать, что скорость полета определяет возможности ракеты.

Так, например, если первым советским спутникам придать скорость полета более 8 км/сек, то они смогли бы огибать Землю по все более вытянутым эллиптическим траекториям, среди которых была бы и траектория, огибающая Луну.

При скорости полета несколько больше 11,2 км/сек ракета навсегда удалится по параболической траектории в межпланетное пространство.

При скорости полета более 16 км/сек ракета навсегда покинет нашу солнечную систему и безвозвратно уйдет в космос. Такая скорость называется гиперболической скоростью, при ней ракета движется по гиперболической траектории.

Интересно отметить, что достигнутая первыми советскими спутниками скорость в 8 км/сек намного перекрывает значение круговых и параболических скоростей на поверхности Луны и Марса. На поверхности Луны круговая скорость составляет 1,669 км/сек, а параболическая 2,38 км/сек. На поверхности планеты Марс круговая скорость равна 3,562 км/сек, параболическая — 5,15 км/сек.

Последняя скорость 5,15 км/сек означает, что советская ракета-носитель наверняка могла бы уже сейчас стартовать с планеты Марс и достичь либо Земли, либо планеты Венеры.

ИЗ ВЫСКАЗЫВАНИЙ К. Э. ЦИОЛКОВСКОГО

«Никогда я не претендовал на полное решение вопроса. Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчет. И уже в конце концов исполнение венчает мысль. Мои работы о космических путешествиях относятся к средней фазе творчества. Более чем кто-нибудь я понимаю бездну, разделяющую идею от ее осуществления, так как в течение моей жизни я не только мыслил и вычислял, но и исполнял, работая также руками. Однако нельзя не быть идее: исполнению предшествует мысль, точному расчету — фантазия».

«Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а потом завоюет себе все околосолнечное пространство».

«У нас, в Советском Союзе, много юных летателей — так я именую детей-авиамоделистов, детей-планеристов, юношей на самолетах. Их у нас десятки тысяч. На них я возлагаю самые смелые надежды. Они помогут осуществить мои открытия и подготовят талантливых строителей первого межпланетного корабля.

Герои и смельчаки проложат первые воздушные трассы — Земля — орбита Луны. Земля — орбита Марса и еще далее: Москва — Луна, Калуга — Марс».

«Все, о чем я говорю, — слабая попытка предвидеть будущее авиации, воздухоплавания и ракетоплавания. В одном я твердо уверен, — первенство будет принадлежать Советскому Союзу».

«Мои труды не пропадут даром, к ним бережно относятся Коммунистическая партия и Советское правительство. Надо только работать, побольше работать. Ради дела можно только жить, и интересно жить!»