«Техника-молодежи» 1961 №6, с.20-22

На высоте 200 км от поверхности Земли она равна 7 790 м/сек.

А первая космическая скорость искусственного спутника, движущегося на таком же расстоянии от Земли, на каком находится Луна, должна равняться всего 1 км/сек.

Однако уменьшение круговой скорости с удалением от Земли совсем не означает, что для запуска спутника на далекие орбиты требуется меньше энергии. Наоборот, с увеличением высоты полета спутника расход топлива в ракете резко возрастает. И это вполне понятно — ведь энергия расходуется не только на разгон спутника, но и на его подъем.

А что происходит с кораблем, если ракета поднимает его на заданную высоту и сообщает скорость большую, чем круговая? В этом случае он начинает двигаться по эллиптической орбите. И чем сильнее его разгоняет ракета, тем дальше он удаляется от Земли. Поэтому с увеличением горизонтальной скорости круговая орбита превращается во все более вытянутый эллипс. Космический корабль, начавший свободный полет на высоте 200 км при скорости 11 км/сек. в точке максимального подъема достигнет орбиты Луны.

Пока мы рассматривали случаи, когда ракета выводит корабль на горизонтальный полет, то есть параллельно касательной к поверхности Земли. А что произойдет, если в конце пути ракета будет лететь наклонно и космический корабль, отделившись от нее, также полетит наклонно к горизонту? Оказывается, в этом случае корабль пойдет по эллиптической орбите, даже если его скорость будет равна круговой.

На рисунке в заголовке (1) показаны орбиты двух космических кораблей-спутников. Оба корабля начали свободный полет на одной и той же высоте — 400 км. Им была сообщена одинаковая по величине скорость. Один корабль двигался горизонтально и пошел по круговой орбите. А другой — под углом к горизонту. Когда второй корабль отделился от ракеты, он стал набирать высоту, при этом скорость его полета уменьшалась. В точке максимального подъема — в апогее — она стала равной 7 449 м/сек. Но на этой высоте корабль не сможет продолжать кругового движения, так как приобретенная им скорость недостаточна. Он станет снижаться, а скорость его за счет этого будет возрастать, пока в перигее не достигнет 7 902 м/сек. А это больше, чем круговая скорость для данной высоты. Поэтому корабль, пройдя перигей, продолжит полет по эллиптической орбите и будет вновь набирать высоту.

Путь второго корабля существенно отличается от пути первого. Но у их орбит есть и общие характеристики. Сумма высот перигея и апогея эллиптической орбиты равна удвоенной высоте круговой орбиты. И поэтому периоды обращения обоих кораблей вокруг Земли будут одинаковы. Оба космических корабля облетят земной шар за 92 мин. 29 сек.

Этим законам подчиняются полеты любых космических кораблей. Представьте себе, что на высоте 35 810 км запустили четыре спутника и сообщили им первую космическую скорость (рис. 2). Все они совершат полный оборот за одно и то же время — за 24 часа. Но направление полета выбрано для них различное, а поэтому и орбиты их будут неодинаковыми.

У спутника, движущегося по круговой орбите, линейные и угловые скорости будут постоянными в течение всего полета. Так как Земля и спутник совершают полный оборот за 24 часа, то угловые скорости их равны: за каждый час они поворачиваются на угол в 15°. Если спутник движется в плоскости экватора, то он будет находиться все время над одной точкой земной поверхности. Наблюдателю с Земли этот спутник покажется неподвижно висящим в небе.

У спутников, движущихся по эллиптическим орбитам, линейные и угловые скорости в разные моменты времени неодинаковы. Их угловая скорость будет то больше скорости вращения Земли, то меньше. И наблюдателю покажется, что спутник совершает колебательные движения: он движется то вперед, то назад. Чем больше вытянут эллипс, тем сильнее размах этих колебаний.

Таким образом, орбита космического корабля всецело зависит от величины и направления скорости. Если же известна орбита, то можно совершенно точно вычислить скорость спутника и в начале полета и в любой точке пути. У всех кораблей-спутников, движущихся за пределами атмосферы по одинаковым орбитам, независимо от их веса, размеров и внешней формы, скорости в соответствующих точках орбит одинаковы.

Космический корабль «Восток», на борту которого Ю. А. Гагарин совершил первый в мире полет в космос, двигался по эллиптической орбите с высотою перигея 181 км и апогея 327 км (рис. 4). По этим данным легко найти, что скорость его полета в точке максимального приближения к Земле достигала 7 843 м/сек, а минимальная — 7 671 м/сек.

Чем больше ускорение или торможение космического корабля (ΔV), тем большая часть веса корабля (ΔG) приходится на долю тормозной установки (вместе с горючим). Верхняя линия графика построена для худших топлив, нижняя — для лучших. От величины ускорения или торможения (ΔV) зависит также доля полезного груза — космонавта и оборудования его кабины (Gк) в общем весе корабля. Верхняя линия графика построена для лучших топлив, нижняя — для худших. 80-90% веса тормозной установки приходится на долю горючего.

Важно не только вывести корабль на орбиту, но и спустить его на Землю. Чтобы изменить высоту полета, надо изменить и его скорость.

Если у корабля, движущегося по круговой орбите, увеличить скорость, то он начнет двигаться по эллиптической орбите. Если же скорость уменьшится, то корабль тоже не сможет удержаться на круговой орбите; он станет двигаться по эллипсу, но приближаясь к поверхности Земли (рис 3). И чем сильнее тормозить его полет, тем ниже он будет опускаться.

На малых высотах атмосфера оказывает большое сопротивление полету, скорость корабля начнет резко падать, и вместе с тем снижается и высота полета. Корабль станет быстро приближаться к поверхности Земли.

Но не надо забывать, что у кораблей-спутников, движущихся на высоте в несколько сотен километров, скорость около 30 тыс. км/час. Чтобы безболезненно для космонавта погасить эту скорость и осуществить безопасную посадку корабля, требуется достаточно длительное время. Космический корабль «Восток» совершил посадку через 30 мин. после начала торможения.

Как же практически происходит снижение скорости космического корабля?

И при увеличении скорости корабля и при снижении включаются ракетные двигатели. Во время торможения двигатели должны быть направлены соплами вперед, чтобы струя газа вылетала навстречу полету. Тогда реакция струи, то есть сила тяги двигателя, будет тормозить корабль.

Скорость истечения газа из сопла ракетного двигателя колеблется в пределах примерно от 2 тыс. до 4 тыс. м/сек. И чем больше эта скорость, тем сильнее затормозится корабль при заданном количестве израсходованного топлива.

Для работы двигателей на космическом корабле необходим запас топлива. Теория движения ракет позволяет определить, сколько потребуется топлива для того, чтобы изменить скорость космического корабля на какую-либо заданную величину. Помимо веса топлива, расходуемого на изменение скорости космического корабля, учитывается также вес баков и вес двигателя, то есть суммарный вес всей установки, обеспечивающей торможение корабля.

Одна из главных задач инженеров, проектирующих тормозную установку, заключается в том, чтобы ее конструкция была по возможности легкой и чтобы большую долю ее веса составляло топливо, а не баки с двигателем. Какие же по весу установки необходимы для торможения полета? Для изменения скорости на 100 м/сек надо израсходовать совсем немного топлива: всего 3—6% от полного веса корабля. При этом даже не имеет особенно большого значения качество топлива и совершенство тормозной установки. Но при уменьшении скорости на 1 000 м/сек расход топлива составит примерно 25-50% от веса корабля. В этом случае качество топлива и характеристика тормозного устройства имеют большое значение. При торможении корабля еще большую роль играют скорость истечения газа и весовая характеристика. Например, при уменьшении скорости на 3 км/сек при худших значениях скорости истечения газа и характеристики тормоза на долю кабины останется лишь 3% от веса корабля, при лучших значениях — 42%.

— Я люблю перед сном пройтись на свежем воздухе! Рис. Г. КЫЧАКОВА

На какую же величину надо снизить скорость корабля-спутника для его безопасной посадки? Чтобы корабль сошел со своей орбиты и опустился в плотные слои атмосферы, достаточно сравнительно небольшого уменьшения его скорости. Но если корабль войдет в атмосферу с космической скоростью, то он нагреется и сгорит, подобно тому как сгорают метеориты. Следовательно, для безопасной посадки космического корабля надо замедлить его стремительный полет, уменьшив скорость до такой величины, при которой он безопасно пройдет атмосферу.

При решении этой задачи конструкторам приходится преодолевать сложные технические противоречия. Для того чтобы сильно замедлить полет корабля-спутника и относительно легко провести его через атмосферу, надо израсходовать много топлива. А если ограничиться незначительным уменьшением скорости, то спуск в атмосфере окажется более трудным. В этом случае надо устраивать на корабле специальную защиту от губительного нагрева. Например, защитить корабль толстым слоем жаропрочной керамики или сложной системой охлаждения. И то и другое устройства будут довольно тяжелыми. Задача же конструкторов — спроектировать такой корабль, который осуществит посадку при наименьшем весе всех посадочных устройств. А нельзя ли использовать для торможения корабля силу сопротивления воздуха? Для этой цели можно применить парашюты или сделать у корабля крылья и «оперение». Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки. Конструкторы космических кораблей выбирают наилучшие конструктивные формы для каждого создаваемого ими аппарата. Как показал полет космического корабля «Восток», эта задача блестяще решена советскими конструкторами. Юрий Гагарин, совершивший полет на этом корабле, дал высокую оценку его конструкции и выбранным способам приземления. Он сказал: «Спуск прошел успешно и показал высокую эффективность всех систем приземления».

Творцы советских космических кораблей и замечательный сын нашей Родины, первый в мире космонавт Ю. А. Гагарин открыли людям дорогу в просторы вселенной.

И мы верим, что вслед за первым орбитальным полетом человека наступит эра полетов космонавтов к другим планетам солнечной системы.