Текст книги "Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек"
Автор книги: Сергей Бердышев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 25 страниц)
Реактивное движение впервые было открыто самой природой. Оно широко применяется многими живыми существами. Медузы, например, перемещаются в толще воды, порождая реактивную тягу своими колоколами. Ритмично расширяя и сжимая колокол, медуза то вбирает в него воду, то выталкивает ее. В результате выброса из своего тела большой массы вещества (воды), медуза толкает сама себя вперед. Тем самым примитивное морское животное более успешно повторяет трюк барона Мюнхгаузена, якобы вытащившего себя за волосы из болота.
Удачливее оказались кальмары. В процессе эволюции эти головоногие моллюски приобрели мощную водометную установку, способную быстро выбрасывать большую массу воды через специальное сопло. Благодаря такому приспособлению кальмары развивают невиданные скорости. Некоторые виды даже научились искать спасения от хищника в воздушной среде. Уплывая прочь от преследователя, эти т. н. летучие кальмары разгоняются до скорости, позволяющей им выпрыгнуть из родной водной стихии и лететь некоторое время в воздухе.
О существовании реактивной тяги люди догадывались давно. Доказательством тому служит способ надувания парусов, который сводится к следующему. Кормчий судна устанавливает на корме мехи, в которые закачивает воздух. Полными мехами затем надувается парус, и судно таким способом приводится в движение. До открытия законов реактивного движения люди поняли, что способ неосуществим и судно двигаться не будет.
Сформулированный позднее закон реактивного движения объясняет, почему так происходит. Сила ветра, производимого мехами, равна реактивной тяге, развиваемой этими же мехами и направленной в противоположную сторону. Результирующая двух равных по модулю и противонаправленных сил всегда равна нулю. Стало быть, судно должно было неподвижно стоять на месте.
Одним из наиболее примечательных устройств, сконструированных Героном, была реактивная сфера. В ней находилась вода, которая на пламени доводилась до кипения. Пар выходил из сферы через изогнутые трубки и силой отдачи заставлял сферу вращаться. Это устройство отдаленно напоминает сегнерово колесо и фактически является первой в истории паровой турбиной.
Ньютон, опираясь на свой закон противодействия, развил идею реактивного автомобиля. Впервые такие автомобили были сконструированы в 1928 г. и работали на сложном химическом топливе. Автомобиль Ньютона был оснащен паровым двигателем. Нагретый пар с силой выбрасывался из сопла и приводил устройство в движение. В начале Нового времени изобретатель Ремзи предлагал проект парохода, который под напором выбрасывает из специальных резервуаров воду, чем приводит себя в движение. Проект Ремзи так и не был осуществлен, но зато натолкнул P. Фултона на идею создания обыкновенного парохода.
Китайские хроники сообщают, что ракетное летательное устройство было изобретено задолго до настоящего времени. Пятьсот лет тому назад, в 1500 г., человек по имени Ван-Ху изготовил аппарат, поднимаемый над землей силой реактивной тяги. Тягу создавали 47 пороховых ракет, использовавшихся китайцами для организации фейерверков. Ракеты были привязаны Ван-Ху к обыкновенному плетеному стулу, на котором изобретатель мечтал совершить полет.
По приказу Ван-Ху все 47 ракет были одновременно зажжены. Если верить хроникам, стул поднялся вместе с изобретателем и улетел высоко в небо, после чего этого человека никто больше не видел. Затем в течение длительного времени люди изобретали массу всевозможных устройств, предназначенных для полета, преимущественно нереальных, фантастических, а подчас и просто комических. Даже в произведениях великого французского фантаста XIX в. Ж. Верна нет ни намека на использование реактивной тяги для космических полетов, о которых он так много писал.
Идея ракетного двигателя зародилась на рубеже XIX–XX вв. Она заинтересовала одновременно нескольких ученых и инженеров. Наиболее полно она была проработана в трудах замечательного ученого-самоучки К. Э. Циолковского. В 1900–1903 гг. он окончательно обосновал необходимость использования реактивного двигателя для осуществления межпланетных перелетов и прочих космических путешествий. Аэропланы и дирижабли не могут совершать полетов в пустоте межпланетного пространства, поскольку они опираются на воздух, а в пустоте опираться не на что. Необходимо, чтобы движущая сила исходила из самого тела.
Если оно станет ежесекундно терять большую часть своей массы и на высокой скорости ее отбрасывать, то в результате придет в движение в любой среде – воздухе, воде и даже вакууме. Запасом такой балластной массы послужит топливо. Оно будет непрерывно сжигаться и выбрасываться через сопло. Возникнет реактивная тяга, и ракетный снаряд будет увлечен ею в направлении, обратном потоку газов от сгоревшего топлива. Интерес к ракетным летательным устройствам возник в обществе после научного признания трудов Циолковского.
Ученый активно сотрудничал с энтузиастами ракетной техники. Приверженцем идей Циолковского и его последователем был М. К. Тихонравов – изобретатель первой в мире жидкостной ракеты ГИРД-09. Естественно, этот снаряд не был предназначен для полетов в космическое пространство. Он был рассчитан на полеты в высшие слои атмосферы. Аббревиатура ГИРД расшифровывается как Группа изучения реактивного движения. В состав этой группы, помимо Тихонравова, входили замечательные конструкторы ракетной техники ФА. Цандер и С. П. Королев.
Дальнейшая история отечественной и мировой космонавтики связана с именем Королева, под руководством которого проводилось создание и запуск первых искусственных спутников Земли, первых орбитальных биолабораторий, первых лунников и первых пилотируемых космических кораблей. Современные космические ракеты представляют собой сложные, высокотехничные устройства.
Эти снаряды имеют четыре т. н. ступени – блоки с реактивными двигателями и запасами топлива. Дело в том, что пустые, отработавшие топливные баки создают балластную массу для ракеты. Поэтому понадобилось оснащать ее отделяемыми ступенями. Как только одна из ступеней истратит свой запас горючего, она отбрасывается. Это значительно уменьшает массу ракеты.
Среди последних крупных достижений мировой космонавтики следует отметить создание Международной орбитальной станции, сборка и заселение которой начались в 2001 г. Примечательны также и другие проекты, например полет зонда «Галилей» к Юпитеру в 1989–1995 гг. Работа зонда на орбите вокруг этой планеты продолжалась по 2000 г. В 1997 г. был запущен и подключился к нему Зонд «Кассини», окончательной целью путешествия которого является прибытие к Сатурну и детальное обследование его спутника Титана. Прибытие к этой планете произойдет в 2004 г.
Интересны полеты автоматических станций (АС) «Лунар Проспектер» в 1998 г. и «Марс Одиссея-2001», продолжающиеся в настоящий момент (2001–2002 гг.). На каждой из этих станций был установлен детектор нейтронов, необходимый для поиска грунтовых вод. Детектор АС «Лунар проспектер» обнаружил ледяные шапки в полярных районах Луны. Детектор АС «Марс Одиссея-2001» ведет поиск грунтовых вод на красной планете.
Итак, возможен ли полет к звездам, о котором никто никогда не слышал? Вполне возможен, причем как в теории, так и на практике. В такой полет было отправлено уже несколько автоматических станций, проводивших исследования дальних планет Солнечной системы.
Американский аппарат «Пионер-10» удалился за орбиту Плутона 15 февраля 1986 г., став первым устройством, покинувшим пределы Солнечной системы. Это устройство несет на борту рисованное послание разумным обитателям других миров, которых когда-нибудь, возможно, достигнет. В настоящее время межзвездные перелеты осуществляют, кроме «Пионера-10», несколько других аппаратов, запрограммированных на полет за пределы Солнечной системы: «Пионер-11», «Вояджеры-1 и 2» и «Улисс» (Улисс – латинизированное имя мифического царя Итаки, путешественника Одиссея).
Разумеется, человек мечтает о гораздо более значительных событиях – о пилотируемых полетах к звездам. К сожалению, они почти неосуществимы. Во-первых, такой полет будет длиться как минимум сотни тысяч лет. До ближайшей к нам звезды Проксимы Центавра полет на максимальной скорости, которую может развить современная космическая ракета (11,2 км/с), затянется на 112,5 тыс. лет.
Впрочем, теоретически эта проблема разрешима, если погрузить космонавтов в состояние анабиоза. Но значение этого полета для земной науки будет ничтожным, т. к. за 112 тысячелетий добытые звездоплавателями измерения и фотоснимки окажутся малоинформативными.
Во-вторых, полеты на световой или субсветовой скорости технически невозможны. Теоретически вполне реально сконструировать воспетый фантастами фотонный двигатель, который «сжигает» антивещество и порождает чудовищную тягу. Но летательный аппарат, движущийся на столь большой скорости, немедленно взорвется под действием космических лучей, которые поступают из глубин Галактики и пронизывают космическое пространство насквозь. Для обычной ракеты они не опасны, но для фотонной губительны. Если им навстречу движется на субсветовой скорости какой-то объект, то эти лучи для него уплотняются и превращаются в непробиваемый поток разрушительной энергии. С таким потоком предстоит столкнуться фотонной ракете. Способов защиты от него не существует даже теоретически.
Тяготение универсально
В 1609 г. немецкий астроном и математик И. Кеплер издал свой труд «Новая астрономия», в котором обосновал вращение Земли и остальных планет вокруг Солнца. Еще раньше, в 1543 г., это сделал великий польский астроном и врач Н. Коперник, но он не мог найти объяснения некоторым странностям планетных орбит.
Кеплер справедливо заключил, что планетные орбиты имеют форму немного вытянутого эллипса, оттого движение этих светил на небе представляется земному наблюдателю неправильным.
Открытие немецкого астронома значительно продвинуло науку вперед и упорядочило систему физических знаний человечества. За формулировку законов обращения светил Кеплеру присудили полушутливый, но торжественно звучащий титул «законодателя неба». Однако астроном не смог ответить на главный вопрос: что заставляет космические тела двигаться вокруг Солнца и почему это движение происходит по столь необычной, замкнутой траектории. Ответ на него был найден спустя более чем полвека гениальным английским физиком И. Ньютоном.
Закон Всемирного тяготенияО Ньютоне, как и о любом великом человеке, существует множество удивительных легенд. Говорят, что еще в детстве он проявлял неординарные способности, например, соорудил занимательную игрушку, двигателем которой служило беличье колесо.
Естественно, никаких книг или журналов «Сделай сам» под рукой у мальчика не было. Говорят также, что маленький Ньютон не любил учиться, но поставил перед собой цель стать первым учеником школы, чтобы превзойти заносчивых отличников. И это мальчику удалось.
Этому ученому приписывают постройку деревянного моста в Кембридже, собранного без единого гвоздя. Имеются также сведения о том, что Ньютон был крайне рассеян. Как-то раз, например, он, задумав сварить яйцо, опустил в кипяток свои часы.
Рассеянность гения – явление обычное, т. к. научная работа требует максимальной концентрации и не позволяет отвлекаться на посторонние вещи. Сам физик признавался, что успех в изысканиях возможен лишь тогда, когда ум не занят ничем другим, кроме поиска ответа к поставленной задаче. Насколько сложен был этот поиск, легко судить каждому, кто помнит приемы дифференцирования из школьной программы. Если ученики в школе решают дифференциальные уравнения по готовым формулам, то Ньютон так сделать не мог. Формул в те времена не существовало, равно как и самого дифференцирования. Оно было открыто самим Ньютоном. А решал он свои задачи (бывшие гораздо сложнее школьных) путем геометрических построений и расчетов. Геометрические приемы великого физика, по выражению одного из его биографов, напоминают старинное рыцарское оружие, которое современный человек не в силах ни поднять, ни представить, как с его помощью можно сражаться. Без дифференциальных же уравнений Ньютон никогда не смог бы получить желаемого результата.
Он измерял связанное с силой ускорение, которое является производной скорости, а скорость представляет собой производную от пройденного расстояния. Точное определение понятию «сила» дал именно Ньютон. Сила – это действие одного тела на другое (пассивное), вызывающее ускорение или деформацию пассивного тела. Если тело под действием силы приобретает ускорение, то оно направлено одинаково с вектором силы. Обе величины тесным образом взаимосвязаны и даже пропорциональны друг другу.
Интересно в таком случае, какая сила заставляет тела падать на Землю. Эта сила должна быть направлена к центру Земли и сообщать падающим телам одинаковое ускорение свободного падения практически в любом месте планеты. На самом деле, как сейчас достоверно установлено, ускорение свободного падения сильно меняется в зависимости от широты и массы вещества в данном участке планеты. По этой причине земной шар не является идеальным шаром. Он сильно сжат в Северном полушарии, имеет отчасти грушевидную, а отчасти картофелевидную форму, за что называется среди географов не шаром, а геоидом. Впрочем, из-за сходства с картофелиной некоторые предлагают называть форму нашей планеты потатоидом (буквально «картошковидный»).
Мысли о существовании такой силы зародились у Ньютона, когда ему было 23 года. Если верить дошедшей до нас истории, поводом для столь глубоких мыслей послужило яблоко, которое упало на голову молодому гению во время его отдыха в саду. Четко сформулировать закон всемирного тяготения Ньютон смог, когда занялся астрономией. Сила притяжения наглядно проявляется в космосе, где одни тела обращаются вокруг других.
Во-первых, причиной столь отчетливой выраженности являются колоссальные массы тел, сопоставимые с массой земли. Два человека притягиваются слабо из-за своей ничтожной массы, тогда как тяжелые планеты обладают колоссальной гравитацией (от латинского gravis – «тяжелый»). В зависимости от массы тело способно развивать определенную силу притяжения и таким образом взаимодействовать с другими телами. Верно ли это суждение? Ньютон попытался найти закономерности в движении Луны по околоземной орбите.
Луна обращается вокруг нашей планеты под действием силы тяжести, которая направлена к центру планеты. Сила сообщает спутнику ускорение, которое нетрудно замерить астрономическими методами.
Затем ученый сравнил ускорение Луны с ускорением свободного падения, которое сообщается падающим телам у земной поверхности. Оказалось, что ускорение убывает пропорционально квадрату расстояния, а значит, точно так же ведет себя и сила тяготения. Ньютон задается новым вопросом: как будет двигаться тело под действием силы тяжести, убывающей пропорционально квадрату расстояния?
Над этим вопросом работал и английский астроном Э. Галлей. Он предположил, что яркие кометы, наблюдаемые учеными вот уже 6 столетий подряд с четким интервалом во времени, – это периодические появления одной и той же кометы. Она находится в Солнечной системе и обращается вокруг Солнца, как и планеты. Ныне этот небесный объект называется кометой Галлея.
Астроном вычислил, что комета должна двигаться по эллиптической орбите с периодом около 76 лет, однако ничем более доказать свои суждения не смог. Тогда Галлей решил обратиться за помощью к Ньютону, о работах которого случайно услышал. Ньютон к тому времени уже точно знал, что сила, обратно пропорциональная квадрату расстояния, заставляет тело двигаться по эллипсу или подобным фигурам, относящимся к т. н. коническим сечениям. Между учеными завязалась дружба, и впоследствии их исследования во многом дополняли друг друга, что, несомненно, их значительно обогащало.
Современные астрономы могут точно сказать, что все тела в пределах Солнечной системы движутся по коническим сечениям. Преимущественно орбиты имеют эллиптическую форму, но есть гиперболические и параболические (у комет вблизи Солнца), а также приближенно круговые (у Луны и галилеевых спутников Юпитера). Подтвердилась и другая догадка Ньютона. Он первым предположил, что Вселенная бесконечна, иначе она бы сжалась под действием гравитации в точку. Мир действительно не имеет границ, он беспределен.
Ньютон утверждал: «Тяготение универсально», т. е. всемирно. Оттого его закон гравитации вошел в физику как закон всемирного тяготения. Если следовать научной строгости, то закон не соблюдается одинаково во всем бесконечном пространстве Вселенной. Но в каждой отдельно взятой точке космоса закон действует безупречно, а сама гравитация распространена повсеместно. Она представляет собой поле, отдаленно напоминающее магнитное. Через это поле массы обмениваются гравитационным взаимодействием и за счет этого взаимно притягиваются.
Притягивают и притягиваются все физические тела. Яблоко, например, тоже притягивает Землю, а наша планета падает на яблоко. К сожалению, мы не можем наблюдать подобный процесс. И этому существует объяснение. Два тела своими гравитационными полями приводятся в движение, протекающее относительно общего центра масс. Для системы тел Земля – Луна центр масс лежит внутри земного шара. Для Солнечной системы он лежит глубоко в горячих недрах Солнца. Для системы тел Земля – яблоко он находится почти в центре планеты. Туда и стремится попасть яблоко.
Если бы яблоко и планета имели примерно равные массы и размеры, то оба обращались бы вокруг общего центра масс.
Они не служили бы фокусом орбиты. Так происходит с двойными звездами. Находясь на поверхности Земли, люди могут видеть лишь действие земного тяготения, собственного притяжения мы не ощущаем. А оно существует.
Подсчитаем, с какой силой притягиваются два человека. Пусть это будут Дон Жуан и Красавица. Если они стоят в 100 м друг от друга, то величина силы составит 3 на 10-11 Н (ньютонов). Для сравнения отметим, что ручная сила, т. е. сила сжатия кисти, 18-летнего юноши равна 485 Н. Будучи в космосе, Дон Жуан приблизился бы к Красавице примерно за 8 с, не прилагая при этом усилий мышц благодаря гравитации. Но на Земле осуществить такой полет никак нельзя, поскольку тяготению между столь малыми массами здесь препятствует сила трения, равная 200 Н. Для преодоления трения Дон Жуану придется совершить мышечную работу.
Возвращаясь к разговору о Ньютоне, хочется отметить, что, в отличие от многих других ученых, он заслужил признание еще при жизни. На закате дней имя Ньютона было озарено лучами славы, он пользовался заслуженным почетом и уважением со стороны знати, коллег-ученых, простолюдинов. Однако гениальный ученый не испытывал головокружения от неожиданного признания, но скромно объяснял: «Я и видел далеко лишь потому, что, как карлик, стоял на плечах гигантов». Эти слова физика – своего рода дань уважения предшественникам, благодаря научному опыту которых стали возможными и его открытия.
Важнейшие изобретения баллистикиЗаконы, сформулированные Ньютоном, позволяют человеку не только изучать Вселенную на расстоянии, но и разрабатывать технику космических полетов. Чтобы создать аппарат, способный покинуть поле земного тяготения и уйти к другим планетам, требуется сначала рассчитать особенности его движения. Ведь без математики инженеры не смогут узнать о скоростях, ускорениях, нагрузках и энергетических затратах, с которыми предстоит столкнуться проектируемому реактивному снаряду во время намеченного полета.
Нужно установить, при какой оптимальной массе возможны наилучшие условия старта, наиболее экономичная и целесообразная траектория на том или ином участке полета и т. д. Прикладная физическая дисциплина, занимающаяся вычислениями такого рода и описанием полета реактивных снарядов, носит название космической баллистики. Баллистика вообще представляет собой науку о движении снарядов под действием на них всевозможных сил.
Баллистика занимается, кроме прочего, изучением полета боевых снарядов. Само название орудия восходит к латинскому слову «баллиста». Так древние римляне окрестили метательное осадное орудие, применявшееся при штурме укрепленных городов. Наиболее простейший вариант, с которым имеют дело современные баллистики, занимающиеся динамикой космических полетов, – это поведение реактивного снаряда в гравитационном поле.
Задачей ракетной техники является выведение в космическое пространство (на орбиту или межпланетную трассу) летательного аппарата и любого другого тела, которые носят название полезного груза. Полезным грузом может быть все: модуль орбитальной станции, шаттл, искусственный спутник, межпланетный зонд, сами космонавты. Полезный груз, в отличие от самого снаряда, будет выполнять работу вне Земли.
Масса полезного груза очень велика, поэтому, чтобы вынести его в космос, требуется затратить большое количество энергии. Беспредельно уменьшать массу невозможно, поскольку в этом случае многие технические узлы не станут функционировать. Если же на орбиту отправляется космонавт, то его массу и массу необходимых ему пищи и кислорода невозможно сократить ни при каких условиях. Поэтому перед баллистиками встает проблема стартовой скорости ракеты.
В течение всего полета двигаться на одной и той же скорости снаряд не может, поскольку нести большую массу, достигающую порядка 10 т минимум, можно лишь при больших запасах энергии. Однако столь внушительное количество топлива само обладает солидной массой. В итоге придется добавлять топливо для перевозки топлива и далее до бесконечности. Возможен ли полет без непрерывных энергетических затрат?
Вполне! Именно так летит с силой брошенный камень. Человек сообщает ему энергию лишь в момент броска – «старта». В дальнейшем камень летит самостоятельно. Чем большей начальной скоростью он обладает, тем больше у него шансов улететь как можно дальше. Соответственно, ракета также должна стартовать на большой скорости. Чем больше скорость, тем меньше расход топлива и меньше масса снаряда. Следовательно, ракета свободно выйдет на орбиту или даже покинет поле земного тяготения.
В первом случае, как показывают подсчеты, стартовая скорость снаряда должна равняться второй космической, т. е. 7,91 км/с. По мере возрастания начальной скорости ракета сможет приобретать все более сложную (вытянутую, эллиптическую) околоземную орбиту. Стартовав на скорости 11,19 км/с, снаряд способен беспрепятственно уйти в мировое пространство. Конечно, улететь к Марсу можно и на скорости, равной 7,9 км/с и даже 80 км/ч! Однако запасы топлива потребуются столь значительные, что колосс не пролетит и ничтожной доли пути.
Первая и вторая космические скорости были достигнуты человеком 4 октября 1957 г. при запуске первого искусственного спутника Земли и 2 января 1959 г. при запуске первой космической ракеты в направлении Луны. Оба аппарата были запущены за пределы земной атмосферы отечественными учеными. Третья космическая скорость в настоящее время не достигнута. Она необходима, чтобы преодолеть притяжение Солнца и покинуть пределы Солнечной системы. Эта скорость равна 16,67 км/с у земной поверхности. Летательные аппараты, ушедшие за пределы Солнечной системы («Пионеры», «Вояджеры»), использовали гравитационные маневры и веньерные двигатели, чтобы выйти из поля солнечной гравитации.
Заботы баллистиков не ограничиваются изучением брошенных кем-то камней. Ракету при всем желании нельзя отправлять в космос со столь большим ускорением. Реактивный снаряд приобретает необходимую скорость постепенно, поскольку большое ускорение опасно перегрузками, которые не выдержит не только человеческий организм, но и сложная техника. Таким образом, стартовая скорость подбирается весьма скрупулезно. Математически высчитывается участок траектории, на котором необходимо перейти на космическую скорость. Ускорение подбирается с учетом не только перегрузок, но и сопротивления воздуха, которое может составлять свыше 40 т.
Выход на орбиту является наиболее ответственным этапом полета. Баллистики различают несколько типов выхода, называемых схемами выведения: активный вывод, баллистический вывод и эллиптический вывод. Активный вывод имеет свои преимущества, но он наименее подходящий.
При такой схеме выведения двигатели должны работать на полную мощность в течение всего полета. Две остальные схемы используют маневры с орбитами (эллиптический) и экономят топливо (баллистический), подключая все мощности двигателей лишь на определенных участках трассы.
