Текст книги "Путешествие к далеким мирам"
Автор книги: Карл Гильзин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 17 (всего у книги 26 страниц)
Правда, задача инспектора в этом случае неизмеримо проще задачи штурмана межпланетного корабля: направление движения обеих машин одинаково, а вот как направлены скорости межпланетного кораб-ля и небесного тела? Только зная эти направления, можно уверенно определить скорость корабля. Для этого можно воспользоваться, например, радиоэхом от двух разных небесных тел.
Кстати сказать, принципиально возможно использовать этот метод определения скорости корабля и без помощи эха. Нужно лишь установить истинную величину «красного смещения» для радиосигналов, излучаемых каким-либо космическим излучателем, и сравнить ее с величиной, измеренной с Земли; разница будет определяться собственной скоростью движения корабля. [109]109
Еще одно интересное использование явления смещения частоты излучения в астронавтике связано с возможностью проверить с его помощью некоторые выводы теории относительности, что имело бы принципиальное значение для науки. Такая возможность открывается в результате запуска искусственных спутников Земли. Заключается она в следующем. Если со спутника, особенно находящегося на значительной высоте над Землей, излучать радиоволны определенной длины и затем принимать их на Земле, то можно сравнить изучаемую и принимаемую частоты. Если правильны выводы теории относительности, то в поле земного тяготения частота радиоволн, движущихся к Земле, должна увеличиться на определенную величину, то есть должно наблюдаться смещение частоты, только в данном случае не «красное», а «фиолетовое». Совпадение измеренного смещения с предсказанным теорией относительности служило бы ее подтверждением. Другое такое подтверждение могло бы быть получено по измерениям вращения перигея орбиты искусственного спутника, которое также должно иметь место в соответствии с теорией относительности (это было проверено по отношению к орбите Меркурия).
[Закрыть]Таким образом можно определить скорость корабля по «красному смещеник» не только радиоволн, но и видимого света звезд. Между прочим, в 1956 году впервые удалось непосредственно сравнить «красное смещение» радиосигналов, излучаемых одной парой галактик, с «красным смещением» излучаемого ею же видимого света. Очень интересно, что оба метода измерения дали одну и ту же скорость «убегания» галактик – примерно 17 тысяч километров в секунду.
В общем, можно сказать, что разработка методов космонавигации в основном еще впереди. Здесь непочатый край работы для ученых, штурманов, изобретателей. Может быть, со временем и кто-либо из юных читателей этой книги предложит метод, который станет наиболее принятым в астронавтике.
Конечно, в первое время, когда начнут совершаться межпланетные полеты, навигация в мировом пространстве будет осуществляться именно с помощью указанных выше методов, главным образом с использованием оптических средств. Может быть, только некоторую помощь штурману корабля окажут его коллеги, оставшиеся на Земле. С помощью радиолокационных станций они будут наблюдать за полетом корабля, сверять его курс с заданным и сообщать на корабль по радио о всех необходимых поправках. Вычисление таких поправок представляет собой весьма громоздкую и трудоемкую операцию, и оно будет осуществляться сложными электронными вычислительными машинами.
Зато потом, по мере освоения мирового пространства и накопления опыта межпланетных полетов, космонавигация все в большей степени будет становиться автоматической. За штурманом сохранится только наблюдение за действием автоматической навигационной аппаратуры и вмешательство в случае аварийной необходимости. Корабль поведут по курсу автоматы.
По-разному может осуществляться это автоматическое вождение корабля в Космосе.
Можно, например, создать сложный «автопилот-автоштурман», мозговой центр на корабле, который должен заменить штурмана. Такой автопилот представит собой, по существу, сложную электронную вычислительную машину, которую вряд ли удастся создать без широкого применения полупроводников. Да и с их помощью непросто придать такой машине приемлемые для космического корабля размеры и вес.
Перед взлетом автопилот получит задание в виде заранее рассчитанного маршрута. Это задание может закладываться в машину, например, в виде магнитной ленты, как это делается в некоторых из существующих электронных машинах. Выполняя полученное задание, автопилот станет включать и выключать в нужные моменты основной и рулевые двигатели корабля, осуществлять другие операции по его управлению. Все операции по определению координат корабля, его скорости и направления движения будут осуществляться также автоматически, хотя бы с использованием описанных выше методов. Так же автоматически автопилот рассчитывает все необходимые поправки к курсу, и сам же осуществит их с помощью органов управления корабля. Полученный исправленный курс автопилот вычертит на новой магнитной ленте или же изберет одну из запасных лент с заранее рассчитанными курсами.
Можно обойтись без сложного и громоздкого оборудования на борту корабля, если удастся обеспечить непрерывную радиосвязь корабля с Землей. В этом случае электронно-счетную машину автопилота можно установить на Земле. Понятно, что она окажется более совершенной, ибо исчезнут ограничения в размерах и весе. Приборы на самом корабле и на Земле станут непрерывно следить за полетом корабля и устанавливать все отклонения от заданного курса. Данные этих «наблюдений» получит наземный «мозговой центр», который выработает необходимые поправки к курсу и, в свою очередь, передаст их на корабль. Без вмешательства человека, автоматически, придут в действие органы управления корабля, чтобы выполнить команду, полученную с Земли. Курс выправится. Только в некоторые моменты полета, в частности при посадке на планету, управление кораблем придется осуществлять, очевидно, с его борта.
Со временем, когда мировое пространство будет освоено человеком и межпланетные полеты станут частыми и регулярными, окажутся возможными и методы автоматической радионавигации, широко применяемые в настоящее время в авиации и при наведении управляемых снарядов. Тогда уже исчезнет необходимость в определении координат корабля, величины и направления скорости его полета, без чего не может обойтись космонавигация при всех других методах, описанных выше. На помощь придет радиолуч радиолокационной установки – его можно «протянуть» от одной планеты к другой, для чего на планетах придется соорудить радиомаяки. Их можно соорудить и на спутниках планет или же сами маяки превратить в искусственные спутники планет или Солнца. Маяки могут излучать и «плавающие» радиолучи, периодически покрывающие значительную часть пространства, или же посылать радиоимпульсы во всех направлениях.
Но как же с помощью этих радиолучей управлять кораблем? Систем радионавигации может быть много. В одном случае радиолуч все время ведет корабль: он не выходит из луча так же, как не выходит из него наводимый на цель управляемый снаряд. Луч направлен все время на цель, и полет происходит по кратчайшей прямой – это потребует увеличенного расхода топлива и будет возможно только для курьерских перелетов более далекого будущего. В другом случае радиосигналы, получаемые кораблем от нескольких радиомаяков, установленных в разных точках пространства (достаточно четырех таких маяков), дадут радиоавтопилоту все необходимые данные для управления кораблем. В третьем случае… но, пожалуй, достаточно. Сейчас еще трудно сказать, какому методу радионавигации будет отдано предпочтение штурманами межпланетных кораблей будущего. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками. Одно ясно – по мере развития астронавтики участь межпланетных штурманов будет непрерывно облегчаться: им придут на помощь многие замечательные достижения науки, чтобы привести корабль к далекой цели с минимальной затратой топлива.
Но до тех пор штурманам космических кораблей придется нелегко. Мы уже говорили, как трудно установить отклонение межпланетного корабля от правильного курса. А ведь это только часть дела. Как устранить отклонения? Как заставить корабль снова лечь на нужный курс?
На первый взгляд кажется, что это очень просто. Стоит включить двигатель корабля – и он заставит его лететь в нужном направлении. В действительности дело обстоит гораздо сложнее. Конечно, поправки к курсу должны быть осуществлены с помощью двигателей корабля – основных или рулевых. Но в каком направлении и на какое время должна быть приложена к кораблю их тяга, чтобы получить нужный эффект? Ведь нужно иметь в виду, что приложение к кораблю силы в некотором направлении вовсе не вызовет его движения именно в этом направлении: вспомните детскую игрушку – гироскоп, который движется иногда совсем не туда, куда его толкаешь! Эффект этого действия силы в общем случае будет более сложным, так как полученное кораблем в результате действия силы ускорение сложится с ускорением, которое уже имеет корабль в своем движении по траектории.
Так, например, если к кораблю, летящему по эллиптической орбите вокруг Солнца, приложить силу, касательную к траектории, чтобы увеличить скорость, оказавшуюся меньше заданной, то в результате не только возрастет большая ось эллипса, но и увеличится его эксцентриситет. Точно так же сила, приложенная к кораблю в направлении, перпендикулярном траектории, не только изменит эксцентриситет эллипса, но и вызовет его вращение в пространстве.
Именно поэтому расчет необходимых изменений траектории полета корабля и есть такое сложное дело. Вероятнее всего, переход корабля с ошибочной траектории на нужную будет производиться не сразу, в результате одного приложения силы к нему, а в виде сложного маневра с переходом через промежуточные траектории.
Понятно, что осуществление всех необходимых расчетов штурманом корабля в полете представляет собой весьма нелегкую проблему. Каким бы хорошим математиком ни был штурман (а он должен быть очень хорошим математиком!), все равно ему не справиться с ней без помощи вычислительных машин – просто времени не хватит.
Сможет ли корабль поддерживать в полете двухстороннюю радиосвязь с Землей, с другими планетами или с другими кораблями, находящимися в мировом пространстве?
Специалисты-радисты утверждают, что эта связь – задача, посильная для современной радиотехники. Конечно, самое простое – связь Земли с кораблем, так как на Земле может быть сооружена мощная радиостанция, а дальность приема пропорциональна мощности, точнее – корню квадратному из мощности передающей станции. Больше всего потребная мощность будет в том случае, когда станция излучает радиоволны во всех направлениях. Расчеты показывают, что в этом случае наземная станция мощностью 100 киловатт может быть услышана на корабле, имеющем антенну площадью 1 кв. метр, с расстояния до 10 миллионов километров. Совсем не так много! Чтобы увеличить дальность приема в 5 раз, мощность передающей станции придется увеличить в 25 раз, то есть до 2500 киловатт. Но ведь наиболее мощные земные радиопередатчики имеют в настоящее время мощность порядка 1000 киловатт. Как же в таком случае обеспечить связь с кораблем, летящим, например, на Марс? Ведь для этого понадобится станция огромной мощности!
Но дело значительно облегчается, если станция будет передавать радиоволны только в нужном направлении – на корабль. При этом дальность приема станции даже мощностью 100 киловатт может достичь 100 миллионов километров. Нужно только точно знать местоположение корабля. Интересно, что положение может еще улучшиться, если воспользоваться неисчерпаемым источником холода мирового пространства. Действительно, эта, на первый взгляд, несколько неожиданная возможность связана с увеличением чувствительности радиоприемника при его охлаждении. Такое охлаждение уменьшает шумовой фон, покрывающий слабые радиосигналы, и потому позволяет принимать сигналы меньшей силы, или, что то же самое, на большем расстоянии. Предварительные расчеты показывают, что эта неожиданная служба, которую может сослужить нам Космос, позволит увеличить дальность приема раза в три. [110]110
Еще больший эффект дадут молекулярные усилители радиоволн, за создание которых А. М. Прохорову и Н. Г. Басову в 1959 году присуждена Ленинская премия. Они увеличат дальность приема по крайней мере в 10 раз.
[Закрыть]
Увеличения дальности приема можно добиться, если перейти с голосовой радиосвязи на телеграфную или кодированную. Это позволяет растянуть продолжительность приема и, соответственно, принимать более слабые сигналы. Так, если обычное минутное послание растянуть при передаче на целый час, то дальность приема возрастет примерно в 8 раз. Все эти средства, включая использование на корабле антенны увеличенной поверхности, могут обеспечить прием земной радиостанции на корабле, совершающем практически любой полет в солнечной системе.
Гораздо сложнее, конечно, передача с корабля на Землю, так как возможная мощность станции на корабле, естественно, меньше. Зато, правда, облегчается остронаправленная передача, так как на корабле всегда знают, где Земля… Кроме того, в будущем, несомненно, будут найдены способы создать мощные и легкие передающие радиостанции для космических кораблей. Поэтому можно думать, что корабль будет в состоянии поддерживать двухстороннюю связь с Землей.
Если же понадобится связь одного корабля с другим, находящимся на таком большом расстоянии, что непосредственно ее установить не удастся (ведь это самый тяжелый случай), то можно будет воспользоваться связью через земную станцию или же через ретрансляционные автоматические станции, которые когда-нибудь начнут свою вечную вахту на космических трассах. Эти станции будут получать слабые сигналы и усиливать их для повторной передачи в пространство. Как видно, гений человека может преодолеть и, казалось бы, непреодолимые препятствия!
Скорее «сдаст» иной раз… сам радиолуч. Ведь даже ему, мчащемуся со скоростью света, придется затратить иногда немало времени, чтобы перекрыть огромные расстояния мирового пространства. Вот то, о чем никогда не должен будет забывать экипаж космического корабля и о чем никогда не задумываются радисты самолетов на Земле!
Глава 17ВЗЛЕТ, ПОСАДКА…
Курсантам авиашкол наибольшие переживания доставляет, пожалуй, посадка, знаменитые «три точки».
И в межпланетном полете едва ли не самый неприятный момент – посадка, хотя и по другим причинам, чем в авиации. Впрочем, взлет межпланетного корабля тоже по-своему неприятен. Вероятно, немало раз учлетам Школы командиров межпланетных кораблей придется совершать взлеты-посадки с инструктором, пока они получат право на самостоятельный вылет.
Взлет межпланетного корабля… Какая захватывающая картина! Сколько раз человеческая мысль рисовала себе эти волнующие мгновения расставания с родной Землей для гигантского прыжка к далеким мирам! Впрочем, гораздо проще представить себе напряжение последних минут перед стартом корабля, трогательные прощальные приветствия и последние просьбы, вроде передачи приветов общим марсианским знакомым, чем продумать все необходимое для обеспечения удачного старта.
А подумать придется о многом. Здесь и время взлета, и его направление, и скорость, и «программа» дальнейшего полета в земной атмосфере, и расход топлива на взлет, и самочувствие пассажиров, и многое другое.
Наиболее просто решается вопрос о месте взлета межпланетного корабля. К счастью, космопорт может быть расположен почти в любой точке земного шара, так что будущие межпланетные путешественники не должны будут обязательно отправляться к экватору, как это некоторые предлагают. Конечно, расположение точки взлета на экваторе представляет некоторое преимущество в том отношении, что при этом наиболее полно используется скорость вращения Земли вокруг своей оси. При взлете с экватора корабль получает дополнительную скорость – 465 метров в секунду. Чем больше географическая широта точки взлета, то есть чем ближе она к полюсам, тем меньше этот выигрыш, становящийся равным нулю при взлете с полюса. При расположении космопорта в средних широтах – скажем, в районе Москвы – прирост скорости составит примерно 260 метров в секунду. В погоне за остальными 200 метрами вряд ли будет иметь смысл отправляться за тропики, хотя, конечно, взлет с какой-нибудь высокогорной площадки, расположенной на Кавказе или Памире, был бы выгодным во многих отношениях.
Время отлета корабля не должно быть обязательно определено с точностью до секунд, и даже долей секунд, как это иногда пишут, так что и с этим дело обстоит сравнительно просто. Во всяком случае, не будет такой угрозы, что пропущенная для взлета секунда заставит перенести его на следующий день или даже на следующий год. Вместе с тем, конечно, полной свободы выбора в этом отношении тоже не будет. В частности, как уже указывалось в главе 15, полеты по направлению к Солнцу должны начинаться днем, а от Солнца – ночью, причем наивыгоднейшее время будет зависеть от географических координат, времени года, цели и проч.
Гораздо серьезнее вопрос о направлении взлета корабля, подвергнутый тщательному изучению еще Циолковским. Здесь приходится считаться с двумя противоречивыми требованиями. С одной стороны, продолжительность полета в земной атмосфере хотелось бы сделать минимальной, так как это уменьшило бы потери скорости из-за сопротивления воздуха. Для этого целесообразно пересекать атмосферу по кратчайшему пути, то есть осуществлять взлет вертикально. Но, с другой стороны, вертикальный взлет приводит к новым потерям в скорости корабля – под действием силы тяжести (так называемые гравитационные потери). Если корабль взлетает вертикально, то влияние силы притяжения к Земле уменьшает конечную скорость корабля, которую он приобретает в результате работы двигателя. Чем больше время такого подъема и меньше допустимые в полете ускорения, тем сильнее сказывается это тормозящее действие силы тяжести. Ведь если бы ускорение, сообщаемое двигателем кораблю, только равнялось ускорению силы тяжести, то корабль просто повис бы в воздухе, не набирая высоты. Это обстоятельство делает целесообразным горизонтальный взлет, при котором сила тяжести не уменьшает скорости корабля. А это значит, что нет необходимости и увеличивать потребный запас топлива.
При более пологом взлете корабля потеря скорости под влиянием силы тяжести будет меньше.
Какое же направление все-таки избрать: вертикальное, горизонтальное или наклонное?
Вообще говоря, в каждом конкретном случае можно было бы избрать наивыгоднейший угол наклона линии взлета в зависимости от допустимых в полете ускорений, лобового сопротивления корабля и других факторов. Именно так обычно и рисуют взлет межпланетного корабля – по длинной взлетной дорожке, уходящей на эстакаде высоко в небо. Однако, вероятнее всего, взлет межпланетного корабля будет осуществляться все же не так. Он будет скорее напоминать запуск тяжелых дальних ракет, описанных в главе 6, да и всех других высотных и космических ракет – ведь теперь уже накоплен немалый опыт в этом отношении.
Для взлета корабль будет, вероятно, установлен в вертикальном положении на свои собственные опоры – шасси, снабженные мощными амортизаторами, типа самолетных. Вертикальное положение корабля целесообразнее с точки зрения его прочности. Вдоль оси корабля при взлете или посадке действуют силы, в несколько раз превышающие его собственный вес, так что корабль рассчитан на эти продольные нагрузки. В боковом же направлений и прочность и жесткость корабля, имеющего легкую оболочку, явно недостаточны, он не рассчитан на большие поперечные нагрузки, и потому горизонтальное положение корабля, вероятнее всего, будет нежелательным. К слову сказать, и посадка корабля на планетах, в особенности лишенных атмосферы, будет заведомо производиться тоже в вертикальном направлении, на такое же опорное шасси.
Взлетать корабль будет вертикально и, поднимаясь так же вертикально, прямо в небо, начнет набирать высоту, чтобы как можно скорее пересечь наиболее плотные слои атмосферы, оказывающие наибольшее сопротивление полету. На высоте между 10 и 20 километрами приборы управления полетом корабля отклонят направление полета от вертикального. Корабль начнет полет по криволинейной траектории на восток.
Кстати, об управлении кораблем в полете. Этому вопросу, естественно, уделено много внимания во всех работах по астронавтике, начиная с Циолковского, ибо межпланетный корабль должен быть свободно управляемым в любой момент своего полета. Циолковский не только впервые сформулировал проблему управления межпланетным кораблем, но и предложил решения этой проблемы, к которым в дальнейшем не было добавлено ничего принципиально нового. Некоторые из этих предложений Циолковского уже получили широкое применение в реактивной технике – в частности для дальних управляемых в полете ракет. [111]111
Циолковскому же принадлежит и самая идея автоматического управления полетом ракеты. Им же изобретен и автопилот, получивший в настоящее время широкое применение в авиации.
[Закрыть]Для управления при полете в атмосфере корабль будет снабжен, очевидно, воздушными, аэродинамическими рулями, вроде применяемых на самолетах. Однако такие рули не могут, конечно, ничем помочь при полете в безвоздушном пространстве. Мало того: даже при полете в атмосфере они иногда не справляются с задачей. Так бывает, например, в начале взлета, когда скорость корабля еще недостаточна для того, чтобы рули были эффективными, а также при полете в верхних, разреженных слоях атмосферы.
Так может быть устроено шасси межпланетного корабля.
Поэтому корабль будет снабжен наряду с воздушными еще и газовыми рулями, то есть рулями, расположенными в струе газов, вытекающих из двигателя. Поворот газовых рулей отклоняет реактивную струю, создавая боковое усилие, которое изменяет направление полета корабля. В некоторых случаях для этой же цели двигатель устанавливают на ракете так, что он сам может несколько поворачиваться, изменяя направление силы тяги. Этот метод управления принят для ракеты «Авангард» в США. Двигатель первой ступени этой ракеты установлен на шаровом шарнире, как это и предлагал Циолковский, и может поворачиваться примерно на 4–5° в каждую сторону от осевого направления.
Для управления кораблем, летящим в мировом пространстве, такие методы, однако, непригодны, так как включать главный двигатель корабля специально для целей управления не всегда будет целесообразно, а иногда и просто невозможно. Управление в мировом пространстве должно основываться на других принципах. Для этой цели можно, например, установить вспомогательные рулевые жидкостные ракетные двигатели. [112]112
При этом надо помнить, что раз вызванное этими двигателями вращение корабля будет продолжаться, пока его не прекратит толчок в обратном направлении.
[Закрыть]Можно также использовать то обстоятельство, что летящий корабль не может быть без помощи внешних сил повернут вокруг своего центра тяжести. [113]113
Так называемый закон сохранения момента количества движения.
[Закрыть]Если внутри корабля вращать какую-нибудь массу в одну сторону, то корабль сам начнет вращаться в другую. Следовательно, для целей управления можно установить внутри корабля быстро вращающийся диск. С его помощью можно поворачивать корабль в нужном направлении.
Башня для подготовки к запуску высотной ракеты.
Конечно, так можно повернуть корабль только вокруг его центра тяжести. Для изменения направления полета корабля без двигателя не обойтись.
Но вернемся к нашему взлетающему кораблю. Криволинейный полет корабля с работающим двигателем будет продолжаться со все возрастающей скоростью, переходя постепенно почти в горизонтальный. На высоте около 100 километров корабль будет лететь уже под небольшим углом к горизонту, почти горизонтально. Такой облет Земли будет длиться до тех пор, пока скорость корабля станет круговой (около 7,9 километра в секунду). Как только его скорость станет больше круговой, корабль начнет удаляться от Земли.
Траектория взлета корабля.
Продолжительность разгона корабля, то есть его полета с работающим двигателем, будет определяться величиной ускорения при взлете и необходимой скоростью. Очевидно, чем больше ускорение и чем меньше конечная скорость, тем короче будет этот период разгона. О потребной конечной скорости мы уже говорили выше, она должна быть не меньше, чем скорость отрыва, а может быть, и намного больше, если совершается курьерский полет. Наиболее вероятна конечная скорость в диапазоне от скорости отрыва, то есть примерно 11 километров в секунду, до освобождающей скорости, то есть 16,7 километра в секунду.
Что касается ускорения корабля, то должна быть избрана наибольшая возможная величина этого ускорения. Теоретически наивыгоднейшим было бы мгновенное увеличение скорости корабля от нуля до конечной скорости, так как при этом не было бы никаких потерь скорости, связанных с разгоном корабля. [114]114
В частности, не приходилось бы затрачивать топливо на ускорение самого топлива и его подъем в поле тяготения – это уменьшило бы взлетный вес ракеты в несколько раз. Если бы не эта затрата топлива, то, вероятно, наиболее привлекательным межпланетным полетом был бы полет с постоянным ускорением, равным ускорению земного тяготения. При этом вес пассажиров все время оставался бы равным земному и они не ощущали бы никаких перегрузок. В то же время за сравнительно короткое время такого равноускоренного полета корабль достиг бы огромных скоростей и даже самые дальние полеты длились бы немного времени. Так, например, при полете на Луну первую половину пути скорость корабля непрерывно возрастала бы в течение примерно двух часов, причем корабль достиг бы скорости порядка 70 километров в секунду, а вторую половину пути происходило бы торможение, так что к моменту посадки на Луну скорость корабля была бы полностью погашена. Все путешествие длилось бы менее четырех часов. Такой же полет до Венеры длился бы 1,5 суток и даже до Плутона всего 18 дней! Конечно, с помощью химических топлив подобный полет совершить невозможно. Только с помощью атомной энергии, когда ее научатся полностью и эффективно использовать в реактивных двигателях, станут, вероятно, возможными подобные космические полеты. Пока же единственным способом преодолеть силу земного тяготения является скорость, которую нужно сообщить кораблю сразу при старте. Сделать это можно только с помощью мощных жидкостных ракетных двигателей.
[Закрыть]Но это, конечно, невозможно. Мало того: ускорения при разгоне корабля должны быть, в общем, весьма небольшими, что связано главным образом с теми инерционными перегрузками, которые может выдержать человек. Правда, не только одно это ограничивает допустимые ускорения при взлете – ограничивает их и прочность корабля; он тоже рассчитывается на определенные инерционные нагрузки, при увеличении которые сильно увеличивается расчетный вес корабля. Кроме того, ускорения ограничиваются и тем, что скорость корабля на малых высотах, в плотном воздухе, не может быть слишком большой из-за опасности перегрева корабля в полете – опасности, которая является главной при посадке корабля.
Однако решающим оказывается влияние инерционных перегрузок, допустимых с точки зрения здоровья пассажиров. Вероятнее всего, в связи с этим будет принята величина ускорения корабля при взлете, равная примерно 40 метрам в секунду за каждую секунду взлета, то есть в 4 раза превышающая ускорение земного тяготения.
Принятая величина ускорения означает, что при вертикальном взлете корабля его скорость будет увеличиваться каждую секунду на 30 метров, а при горизонтальном – на 40 метров в секунду, как это показано на рисунке на стр. 205. Так как вертикальный подъем длится до тех пор, пока корабль не достигает высоты 10–20 километров, то к концу вертикального взлета скорость корабля составит примерно 1 километр в секунду. Такие скорости не представляют еще опасности в отношении нагрева на высотах больше 20 километров. Время вертикального подъема будет равно примерно 35–40 секундам, то есть меньше чем за ¾ минуты корабль будет уже на высоте более 20 километров. Дальнейший разгон будет происходить по криволинейной, все более пологой траектории с увеличением скорости каждую секунду в среднем примерно на 35 метров в секунду. [115]115
Здесь принята, ради осторожности, потеря скорости 5 метров в секунду, хотя более вероятным будет принятое ниже значение в 2–3 метра в секунду.
[Закрыть]При этом условии конечная скорость, допустим, 11,5 километра в секунду, будет достигнута на пути полета, равном примерно 1600 километрам. Время такого полета составит около 5 минут, а общее время разгона с работающим двигателем – менее 6 минут.
К моменту остановки двигателя, то есть в конце так называемого активного участка траектории, корабль будет находиться на высоте, вероятно, немногим меньше 1000 километров над Землей. Эта высота должна быть учтена при определении необходимой конечной скорости, так как с увеличением расстояния от Земли скорость отрыва уменьшается. На высоте 1000 километров скорость отрыва будет равна уже не 11,2 километра в секунду, а примерно 10,5 километра в секунду, что несколько уменьшает потребное время работы двигателя и соответствующий расход топлива.
Однако этот выигрыш будет, наверное, перекрыт возникающей под действием силы тяжести потерей скорости корабля при взлете. Если считать, что в среднем за все время разгона по этой причине теряется скорость от 2 до 3 метров в секунду, то общая потеря составит 700 – 1000 метров в секунду.
Дополнительное уменьшение скорости будет вызвано сопротивлением, которое оказывает воздух летящему с большой скоростью межпланетному кораблю. Точный подсчет этой потери скорости межпланетного корабля в настоящее время невозможен, несмотря на все успехи науки о полете в воздухе – аэродинамики. Быстрое развитие реактивной авиации привело к необходимости расчета лобового сопротивления самолетов, летящих со скоростью, близкой к скорости звука, и на высотах больше 15 километров. С этой задачей аэродинамика больших скоростей, так называемая газодинамика, справляется уже неплохо. Однако полет межпланетного корабля будет протекать в условиях, сильно отличающихся от полета самых скоростных и высотных современных самолетов. В большей мере здесь подходит опыт, полученный в самые последние годы при испытаниях тяжелых дальних и стратосферных ракет, а в еще большей мере – опыт запуска первых советских искусственных спутников Земли и космической ракеты, но этот опыт еще очень мал.
Межпланетный корабль при взлете проходит через ряд режимов полета, начиная с самых малых скоростей и высот и кончая полетом на огромных высотах, в весьма разреженной атмосфере и с колоссальной, космической скоростью – в десятки тысяч километров в час.
Точные законы сопротивления при полете в таких условиях науке пока неизвестны, хотя эти вопросы подвергаются в настоящее время тщательному теоретическому и экспериментальному исследованию. Ясно, во всяком случае, что сопротивление при таком полете по своей физической сути связано с иными явлениями, чем хорошо изученное обтекание в полете с околозвуковыми скоростями в плотном воздухе. Главное здесь заключается в том, что при полете в плотном воздухе его можно рассматривать как непрерывную, сплошную жидкую среду – так велико число столкновений молекул воздуха с поверхностью летящего тела каждое мгновение. Совсем иначе обстоит дело на огромных высотах, где воздух очень разрежен. В этих условиях летящее тело не обтекается потоком сплошной «жидкости», а бомбардируется дождем изолированных, свободных молекул. Сопротивление при таком свободно-молекулярном обтекании подчиняется совсем иным законам. Кроме того, между этими двумя крайними режимами существуют различные переходные. Наибольшая величина лобового сопротивления будет, как показывает приближенный расчет, соответствовать полету корабля на высоте около 10 километров.
Все это позволяет в настоящее время оценить потерю скорости межпланетным кораблем при взлете, связанную с воздушным сопротивлением, только приближенно. Конечно, эта потеря будет зависеть от формы и размеров корабля. Очевидно, корабль должен будет иметь, по крайней мере при взлете, форму большой крылатой ракеты. Крылья, весьма полезные при взлете в качестве стабилизатора, а также отчасти и в связи с развиваемой ими подъемной силой, оказываются необходимыми при посадке. Вероятно, они будут сделаны стреловидными и, может быть, выдвижными, как на некоторых экспериментальных самолетах. Это позволит изменять площадь поверхности и стреловидность крыльев в зависимости от скорости полета корабля – по мере разгона крылья будут убираться, а их стреловидность увеличиваться.
Различные сферические и другие плохо обтекаемые формы кораблей, которые иной раз предлагаются в связи с отсутствием воздушного сопротивления в мировом пространстве, приведут к недопустимой потере скорости при взлете и потому вряд ли найдут применение. [116]116
Наблюдение за одним из метеоров, произведенное в Москве, показало, что его скорость за секунду полета на высоте 40 километров уменьшилась с 56 до 14 километров в секунду. Вот как велико аэродинамическое торможение даже при полете в очень разреженной атмосфере. Иногда оно достигает 100 километров в секунду за секунду.
[Закрыть]
Чем больше по размерам корабль, тем меньшую относительную потерю скорости при взлете вызовет воздушное сопротивление.
Расчет, произведенный для стратосферной ракеты весом 50 тонн, показал, что скорость ракеты к концу активного участка траектории, то есть к моменту конца разгона ракеты двигателем, уменьшается за счет воздушного сопротивления примерно на 5 процентов. Поэтому можно думать, что для тяжелых межпланетных кораблей, основная часть траектории полета которых пролегает в верхних, самых разреженных слоях атмосферы, потеря будет не больше этой, а даже меньше. Вряд ли мы сильно ошибемся, если предположим, что потеря скорости межпланетного корабля при взлете из-за сопротивления атмосферы не превысит 3 процентов, то есть составит примерно 300 метров в секунду. [117]117
Называются даже и меньшие цифры, до 1 про цента, которые кажутся, однако, все же слишком оптимистическими. При экспериментальных запусках наиболее высотных ракет эта потеря достигала 7 процентов.
[Закрыть]
Общая потеря скорости межпланетного корабля при взлете с Земли будет равна сумме обеих потерь, вызываемых действием земного тяготения и воздушным сопротивлением. Величина этой потери зависит от весьма многих факторов, но она, вероятно, будет близкой к 1000–1500 метрам в секунду. Эта скорость должна быть прибавлена к необходимой конечной скорости корабля в конце активного участка траектории, чтобы получить величину идеальной скорости, по которой должен быть подсчитан запас топлива на корабле. Следовательно, в наилучшем случае, когда должна быть получена только скорость отрыва, которую, как мы видели выше, можно принять равной 10,5 километра в секунду, идеальная скорость равна 11,5 – 12 километрам в секунду.
