Солнечная система (Астрономия и астрофизика): читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Рис.13

Если 11,9<ρ<15,6, то трехимпульсный переход по-прежнему экономичнее двухимпульсного, но только для достаточно удаленного расположения точки А2. Если запретить далеко отрываться от родной Земли, то перелет Гомана-Цандера может все же оказаться оптимальным.

Перелеты Штернфельда — еще и средство изменения плоскости орбиты. Если точка А2 расположена очень далеко, то импульс скорости υ2 там очень мал. Его можно направить в любом направлении, затрачивая дополнительно совсем мало топлива, и получить орбиту желаемого наклона.

Покинем теперь околоземное пространство и устремимся к другим планетам. Как ни удивительно, ничего нового изобретать не придется. Достаточно в наших рассуждениях заменить Землю Солнцем, орбиту старта — орбитой Земли и орбиту финиша — орбитой планеты-цели. Правда, около самих планет надо учитывать их притяжение. Но зона, в которой это притяжение существенно (так называемая сфера влияния планеты), очень мала по сравнению с межпланетными расстояниями. Как применяется описанная теория в космонавтике? Почти каждая траектория перелета КА на околоземных орбитах или полет к Луне, Венере, Марсу представляет собой сокращенный эллипс Гомана-Цандера. Слово «сокращенный» означает, что радиус-вектор, соединяющий центральное тело и КА, поворачивается на угол, несколько меньший 180°. Так что траектория КА близка к оптимальной, но отличается от нее, причем почти всегда в одну сторону. Объясняется это тем, что мы учитывали до сих пор лишь один фактор — расход топлива. Но время перелета также играет не последнюю роль. Чем оно короче, тем лучше: меньше нужно запасать энергии для работы приборов, меньше вероятность выхода приборов из строя. А уж для пилотируемых полетов роль времени не нуждается в пояснении. Далее требуется уменьшить чувствительность к неизбежным неточностям при выведении на орбиту. А эллипс Гомана-Цандера к ним очень чуток. Немного не добрал скорость — и уже недолет. Все это и заставляет сокращать переходную орбиту.

А где же перелеты Штернфельда? В межпланетных полетах они вряд ли будут применяться. Они выгоднее двухимпульсных лишь для достижения Урана, Нептуна, Плутона и …Солнца. Но и прямой-то полет к внешним планетам требует десятков лет. А уж трехимпульсный перелет с вылетом из Солнечной системы займет сотни и тысячи лет. Недопустимо затянется и полет к Солнцу. Но не надо отчаиваться — мы расскажем о других путях достижения этой цели.

Радиус лунной орбиты содержит 60 радиусов Земли, так что ρ значительно превышает предел 15,6. Полет к Луне через залунные области даст экономию около 8% топлива. Пока такая схема перелета не применялась: ведь время в пути — несколько месяцев вместо нескольких дней прямого полета. Но не исключено, что при освоении Луны для товарных ракетных поездов будет использоваться именно траектория Штернфельда. Сегодня же по подобным траекториям часто выводят на орбиту 24-часовые ИСЗ: это оптимальный способ получить высокую орбиту нулевого наклона при запуске с космодрома с широтой, превышающей 40°. Отметим очередной космический парадокс: легче вывести КА на орбиту Луны, чем на орбиту 24-часового ИСЗ, в 9 раз более близкую.

Сфера влияния планеты очень мала. Но проникновение в нее может дать значительный эффект. КА попадает туда всегда с гиперболической скоростью — ведь он приходит из «бесконечности», имея там уже немалую скорость. Траектория относительно планеты в сфере влияния представляет собой небольшой кусок гиперболы. Для инопланетного зрителя результатом почти мгновенного прокола сферы влияния явится поворот вектора скорости на угол α между асимптотами (рис.4). Но в системе Коперника с центром в Солнце к скоростям относительно планеты нужно еще прибавить гелиоцентрическую скорость самой планеты. В результате скорость КА изменится и по направлению, и по величине. Мы не только можем развернуть КА по нашей воле, но еще и увеличить (а если нужно, и уменьшить) его скорость. Энергия здесь черпается (или отдается) из кинетической энергии обращения планеты вокруг дневного светила. Поскольку масса КА неизмеримо меньше массы планеты, изменение энергии планеты не ощутимо никакими самыми точными приборами.

Чем теснее подходит частица к притягивающему центру, тем меньше угол α между асимптотами отличается от 180° и тем эффективнее гравитационный маневр. Но мы не можем подлететь к центру планеты ближе, чем на ее радиус (с учетом атмосферы). А чем массивнее планета, тем больше ее размер. Поэтому на первый взгляд трудно сказать, какие планеты лучше подходят для гравитационного маневра. Поскольку же масса растет пропорционально кубу радиуса, вывод однозначен: чем массивнее планета, тем большие возможности предоставляет она для маневрирования. Маломассивный Меркурий и Марс не в состоянии сколько-нибудь существенно изменить орбиту КА. Венера и Земля уже способны на это. Однако для значительного изменения орбиты потребуется несколько сближений с этими планетами, причем сближения можно чередовать в любой последовательности. Например, три раза подряд подойти к Венере и затем два раза к Земле. Мощный преобразователь орбит — Юпитер: достаточно однократного прохождения вблизи него, чтобы покинуть Солнечную систему или упасть на Солнце.

Для маневра можно использовать и гравитационное поле Луны: для переходов внутри системы Земля-Луна и для выхода из этой системы в межпланетное пространство.

Первый в мире гравитационный маневр был совершен в 1959 г. зондом «Луна-3». В результате искусного использования гравитационного поля Луны (несмотря на его малость!) «Луна-3», стартовавшая с северного полушария Земли, облетев наш естественный спутник, вернулась снова в Северное полушарие, что тогда казалось неслыханным чудом. Так в СССР были получены первые фотографии обратной стороны Луны.

Сейчас гравитационное маневрирование стало обычным. Именно таким образом американский зонд «Вояжер-2» после пролета Юпитера достиг Сатурна, а затем Урана и Нептуна (рис.14). Советские «Вега-1» и «Вега-2» встретились с кометой Галлея после гравитационного маневра в поле Венеры. Американский «Международный исследователь комет» встретился с кометой Джакобини-Циннера после сложных маневров в системе Земля-Луна. Множественные маневры в поле Земли и Венеры совершили «Галилео» и «Кассини». Международный зонд «Улисс», предназначенный для исследования полярных областей Солнца, смог высоко подняться над плоскостью эклиптики только за счет гравитационного маневра в поле Юпитера.

Рис.14

В будущем, возможно, предпримут запуск зонда в солнечную корону. Для прямого падения на Солнце нужно погасить орбитальную скорость Земли (30 км/с), а полет через Юпитер требует добавки 12 км/с к орбитальной скорости Земли. Можно достичь окрестностей Солнца, используя лишь маневры у Венеры и Земли, но такой полет потребует около десятка тесных сближений с этими планетами. Гравитационный маневр у Юпитера — единственное приемлемое средство достижения Плутона, Харона и других тел пояса Койпера.

До сих пор мы рассматривали импульсные перелеты. Даже гравитационный маневр можно считать импульсным. Но уже испытываются и скоро станут обычными так называемые двигатели малой тяги. Тяга у них малая, но работать она может месяцы и годы. Начальный участок траектории в этом случае представляет собой раскручивающуюся спираль. Двигатели малой тяги работают на иных принципах, чем обычные химические импульсные двигатели большой тяги. Например, в электрореактивных двигателях до огромных скоростей ускоряется пучок ионов. Поэтому такие двигатели очень экономичны. Для маневров на орбите они незаменимы. Однако с их помощью КА не может оторваться от Земли: реактивное ускорение много меньше ускорения свободного падения g. Так что начальный участок траектории, упоминающийся выше, это — первоначальная орбита, на которую КА выводится классической ракетой-носителем.

К двигателям малой тяги можно отнести и солнечный парус. Давление света в обычных условиях едва или вовсе не ощутимо. Но если в космосе развернуть парус из тончайшей пленки площадью в несколько тысяч квадратных метров, то этого хватит для создания малой, но длительной тяги. Запаса топлива как для корабельного, так и для космического паруса не требуется. Солнечный парус пока лишь испытывается: только недавно были созданы легкие, прочные и непрозрачные пленки. Обратите внимание: пленка должна быть непрозрачной (лучше — зеркальной), иначе свет ее «не заметит» и никакого давления не окажет. Полеты под солнечными парусами — дело ближайшего будущего. Где же они наиболее эффективны?

Сила солнечного излучения ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца. В окрестностях Марса она в два раза слабее, чем у Земли. В окрестностях Юпитера — в 30 раз слабее, Нептуна — в 900 раз. Поэтому солнечный парус разумно применять для маневрирования на околоземных орбитах и для полетов к Марсу и во внутренние области Солнечной системы: к Венере, Меркурию, Солнцу. При полете к Солнцу надо еще добиться, чтобы парус не сгорел и не расплавился.

Те же обстоятельства определяют и эффективность солнечных батарей. За орбитой Марса они неэкономичны. Лететь к Юпитеру и дальше можно только с атомными источниками электричества на борту.

При движении на высотах 200-1000 км. ИСЗ медленно, но неуклонно тормозится сопротивлением верхних слоев атмосферы. Спутник движется в окружающей среде со скоростью порядка 8 км/с. По сравнению с ней собственная скорость атмосферы мала. Сопротивление можно считать направленным прямо против вектора скорости ИСЗ. Ориентация орбиты в этом случае сохраняется. Но размеры и форма меняются существенно. Плотность воздуха падает с высотой очень быстро. Падает с высотой и скорость ИСЗ. Поэтому для низкоперигейного ИСЗ, эксцентриситет орбиты которого не исчезающе мал — хотя бы больше 0,01 — основное торможение осуществляется в окрестности перигея. Из-за этого на каждом витке значительно уменьшается высота апогея, и лишь ненамного — высота перигея. Орбита становится все ближе и ближе к круговой. Далее торможение равномерно распределяется по траектории и спутник начинает плавное снижение по спирали. Парадоксально, но скорость его при этом увеличивается!

Дело тут в следующем. Торможение в атмосфере приводит к уменьшению механической энергии спутника. Последняя складывается из кинетической и потенциальной (гравитационной). Снижаясь, ИСЗ теряет потенциальную энергию. Расчеты показывают, что несмотря на потерю механической энергии, кинетическая энергия возрастает. Так происходит вплоть до входа в плотные слои атмосферы (для Земли — ниже 150 км.). Там уже сопротивление воздуха становится сравнимым с притяжением. В результате — перегрузки, обгорание и падение скорости. Мелкие спутники сгорают, не долетая до земли. Крупные спутники и последние ступени ракет-носителей обгорают, разваливаются, а их обломки падают на Землю со скоростями в десятки метров в секунду. И лишь самые крупные долетают до поверхности планеты с существенно большими скоростями. Таковы, скажем, орбитальные станции «Скайлэб», «Салют», «Мир». Когда кончается ресурс такой станции, ее спуск специально регулируют, чтобы упала она в ненаселенной местности или в океан. К сожалению, это не всегда удавалось. «Скайлэб» и «Салют-7» разбились не совсем так, как планировалось в центрах управления. К счастью, катастроф все же не произошло.

До сих пор мы рассматривали атмосферу лишь как причину торможения ИСЗ. Вспомним о самолетах — воздух может быть и источником подъемной силы. Это качество давно уже используется в космонавтике. При спуске пилотируемые космические корабли благодаря небольшой подъемной силе сейчас сравнительно долго проходят верхние слои атмосферы, что значительно уменьшает перегрузки. Иногда используется эффект отражения от атмосферы. Это явление напоминает пускание «блинчиков» на воде, когда брошенный полого плоский камень многократно отражается от водной глади.

Сопротивление атмосферы и подъемную силу можно комбинировать с гравитационным маневром. Например, проникнув сначала в верхние слои атмосферы Венеры для последующего достижения околосолнечного пространства. Или для того, чтобы погасить гиперболическую планетоцентрическую скорость и стать спутником планеты. Такие маневры уже использовались для перевода американских зондов на околомарсианскую орбиту (к сожалению, не всегда удачно).

Довольно регулярно, раз в десяток лет, желтые издания публикуют мрачные прогнозы профессиональных и полупрофессиональных запугивателей населения о парадах планет. Две последних шумихи приходятся на 1978 и 1999 гг. Введенный термин означает такую конфигурацию планет, когда все они находятся на одном луче, исходящем от Солнца. Разберем здесь два вопроса: как часто случаются парады и возможны ли они вообще; что они несут нам. Начнем с последнего.

Пресса действует по шаблону египетских жрецов (см. выше) с небольшими модификациями. Вместо затмения — парад планет. Вместо запугивания во время явления — его предсказание и обещания землетрясений, извержений вулканов, наводнений, пожаров (к этому обязательному набору-минимум добавляют по вкусу засуху, тайфуны, саранчу, эпидемии, войны и т.д. и т.п.). Предположим, парад планет действительно состоялся. Как это отразится на Земле?

Это было бы чудное зрелище! Простым глазом вы увидите ночью Марс, Юпитер и Сатурн рядышком друг с другом. В небольшой телескоп к ним добавятся Уран и Нептун. А днем в телескоп вы увидите то, что еще никто никогда не наблюдал: черная капля Венеры ползет по диску Солнца, потом ее обгоняет меньшая столь же черная капля Меркурия. Словом, днем и ночью красота неописуемая (которая спасет мир, если верить Ф.М. Достоевскому). Но наши мозахисты-предсказатели-несчастий об этом даже не упоминают! А будет ли заметно физическое воздействие планетной конфигурации на Землю? То-то и оно, что нет. Разберем по порядку возможные механизмы влияния.

1) Гравитация: приливы на Земле. Мы знаем, что влияние гравитации на явления, происходящие на поверхности Земли, осуществляется приливными силами. Примем приливное ускорение от Луны в подлунной точке, когда Луна находится на среднем расстоянии от Земли, за единицу. Соответственно лунное приливное ускорение в моменты прохождения Луной перигея и апогея будет 1,15 и 0,85. Наибольшее приливное ускорение от Венеры, когда последняя находится в нижнем соединении, равно 10^—4; от Юпитера, когда последний в противостоянии, равно 10^—5. От остальных планет оно в десятки, сотни и тысячи раз меньше.

Таким образом, влияние планет ничтожно и тонет не только каплей в море лунных и солнечных приливов, но даже в их вариациях от недели к неделе. Но давайте забудем о лунных и солнечных приливах, будто их и нет вовсе. Даже тогда парад планет не внесет практически ничего. Ведь он добавляет всего несколько процентов к приливу от Венеры в нижнем соединении, а такое событие случается чаще, чем раз в два года!

2) Гравитация: приливы на Солнце. Планеты вызывают приливы и на Солнце, что в принципе может вызвать нежелательные землянам изменения. Эти приливы на Солнце столь же ничтожны, что и на Земле. По-прежнему главный прилив — от Венеры, затем — от Юпитера, а от остальных планет не будет и процента. По-прежнему парад планет не вызовет ничего, даже если забыть о малости воздействия. Приливы от Венеры и Юпитера будут складываться каждые четыре месяца (в моменты, когда для жителя Венеры Юпитер находится в соединении или противостоянии), добавка же от парада практически нулевая.

3) Электромагнетизм. Земля имеет сильное магнитное поле, мощные радиационные пояса заряженных частиц. Влияние планет на электромагнитные поля Земли ничтожно. Еще меньше электромагнитное влияние планет на Солнце.

А был ли парад планет? Разумеется, парада не было ни разу за всю историю Солнечной системы и не будет никогда. Ведь плоскости планетных орбит не совпадают. Для парада нужно, чтобы нашелся такой момент t0, в который все плоскости планетных орбит пересекались бы по одной прямой (общей линии узлов). Вдобавок и сами планеты должны оказаться на этой прямой, да еще с одной стороны. История орбит в Солнечной системе прослежена на миллиарды лет вперед и назад, и такого момента в ней нет.