Текст книги "Возвращение из космоса"

Автор книги: В. Парфенов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 5 страниц)

В. А. Парфенов
ВОЗВРАЩЕНИЕ ИЗ КОСМОСА

ВВЕДЕНИЕ

12 апреля 1961 года произошло величайшее событие в истории нашей планеты – советский космический корабль «Восток» с человеком на борту совершил триумфальный полет вокруг земного шара и вернулся на священную землю нашей Родины. Первым в мире облетел вокруг Земли на космическом корабле, в 30 раз более быстроходном, чем «Ту-104», советский летчик майор Юрий Алексеевич Гагарин. Пройдут века, но никогда не померкнет сияющая слава этого весеннего дня. Люди будущего позавидуют нам, свидетелям беспримерной победы человеческого разума.

Так осуществилась вековая мечта человечества о полете в космос.

В этом подвиге проявился гений советского народа, воплощена могучая сила социализма, о которой с такой прозорливостью говорил В. И. Ленин еще в годы, когда только начиналась практическая разработка первых планов строительства социализма.

На протяжении более чем сорока лет советский народ одержал много выдающихся побед всемирно исторического значения. Перед всем миром убедительно, зримо демонстрировал он огромные преимущества нового, социалистического строя перед строем капиталистическим. Эти преимущества с особой силой подтвердились успешным полетом космического корабля, открывшим человеку путь во Вселенную.

Человек побывал в космосе и вернулся на Землю! Весть об этом великом событии с быстротой молнии разнеслась по всем континентам. Как знаменательно и как закономерно для нашего времени, что эту весть сообщила миру страна строящегося коммунизма. Коммунизм стал гордым знаменем прогресса человеческого общества, с ним связаны ныне самые лучшие, самые светлые надежды всего передового человечества. Коммунизм возвышает человека, раскрывает перед ним красоту жизни свободного творческого труда во имя общего блага людей, пробуждает в каждом неиссякаемую энергию.

Первый в мире летчик-космонавт Герой Советского Союза коммунист Юрий Алексеевич Гагарин стал гордостью всего прогрессивного человечества.

В те минуты, когда космический корабль возвратился из космоса и приземлился в заранее намеченном районе, Н. С. Хрущев направил отважному сыну Родины Ю. А. Гагарину добрые слова сердечного приветствия:

«Весь советский народ восхищен Вашим славным подвигом, который будут помнить в веках как пример мужества, отваги и геройства во имя служения человечеству.

Совершенный Вами полет открывает новую страницу в истории человечества, в покорении космоса и наполняет сердца советских людей великой радостью и гордостью за свою социалистическую Родину».

Широким фронтом наступает советская наука на тайны природы. На одном направлении мы первыми в мире вырываемся к звездам, на другом – проникаем в микромир, штурмуя структуру элементарных частиц. Все созданное и создаваемое советскими людьми: и прекрасные воздушные лайнеры, и атомный ледокол «Ленин», и крупнейшая в мире домна, и первый на планете пилотируемый космический корабль «Восток» – все это звенья одного и того же грандиозного процесса – создания материально-технической базы коммунизма.

Родина Ленина широко использует открытия своих ученых, мощь своей индустрии, чудеса автоматики для решения мирных проблем, волнующих все человечество.

Радостно сознавать, что великий подвиг советского народа в завоевании космических дорог совершен накануне исторического XXII съезда партии – съезда строителей коммунизма. К этому событию в жизни партии и всего нашего народа каждый труженик готовит достойные подарки. Самым большим' из таких подарков является первый в истории человечества полет в космос и возвращение на Землю пионера звездоплавания Юрия Гагарина.

Эта книжка, которая перед тобой, дорогой читатель, писалась еще до полета человека в космос. В преддверии этого великого события все мы лишь мечтали об этом дне, жадно читали обо всем, что печаталось о будущих полетах в космос, изучали литературу, рассказывающую о физических условиях полета летательных аппаратов за пределами атмосферы.

Обеспечение безопасности полета человека вокруг Земли и к планетам солнечной системы – грандиозная задача. Чтобы в общих чертах рассказать о ней, пришлось бы написать большую книгу. В брошюре «Возвращение из космоса» такая задача и не ставится. В ней сделана попытка рассказать только о том, с какими трудностями приходится сталкиваться при конструировании летательных аппаратов, способных вернуться из космоса сквозь атмосферу на поверхность Земли.

Какие же основные научно-технические проблемы встали перед учеными, разрабатывавшими способы возвращения на Землю космических кораблей?

В ясные ночи каждый из нас наблюдал, как «падают звезды». Темный небосвод, усыпанный неподвижными, слабо мерцающими далекими светилами, вдруг прочеркивается яркой точкой. Это – метеоры. Ежечасно в наш воздушный океан влетают из космоса десятки тысяч тонн каменных и железных тел – от легких пылинок до многотонных глыб. Железо-каменный «дождь» не опасен для жителей планеты, потому что он раскаляется при полете через плотные слои атмосферы и обычно испаряется, не долетев до поверхности Земли.

Так же сгорают и искусственные спутники Земли, если они не имеют средств для постепенного уменьшения космической скорости и для защиты стенок от «небесного огня».

Чтобы летательный аппарат был способен постепенно уменьшить космическую скорость до «обычной» (околозвуковой) скорости, он должен либо иметь на борту тормозные ракеты, создающие обратную тягу, либо распускать огромные парашюты, способные выдерживать высокие температуры торможения и большие аэродинамические нагрузки.

Но тормозные ракеты требуют много топлива, а жаропрочные парашюты-зонты пришлось бы делать из тяжелых металлических тканей и стальных балок [1]. Что выгоднее с точки зрения веса и габаритов? Ответ на этот вопрос далеко не простой.

При входе в плотные слои атмосферы космическое тело разогревается до температур, при которых все известные на Земле вещества переходят в газообразное состояние, т. е. испаряются. Но, оказывается, сам процесс испарения твердых тел можно использовать для защиты спутника от сгорания.

Возможность постройки возвращаемых спутников во многом определяется успехами в разработке новых материалов космической техники, способных сохранять свою прочность при разогреве, не взаимодействовать с кислородом верхних слоев атмосферы, а значит, и не разрушаться от коррозии, защищать экипаж и приборы от космического и рентгеновского излучений.

Чтобы изучить свойства новых материалов, необходимо всесторонне испытать их в условиях, близких к космическим. А для этого приходится создавать «космос» на Земле.

Небольшая книжка, которая у тебя в руках, читатель, расскажет об этих сложных задачах.

* По цифре в скобках читатель может найти в конце брошюры сведения о книге или журнале, в которых этот вопрос рассматривается более подробно.

ГОЛУБОЙ ОКЕАН

Если в жаркий летний полдень выйти в поле и посмотреть вдаль к горизонту, можно увидеть, как бурлит дно воздушного океана. Отражаясь от дороги, от вспаханной земли, от нагретых солнцем строений, дрожит волнующееся голубое марево. Это поднимается к небу нагретый воздух.

Над горизонтом в эти часы встают белые кучевые облака. Они громоздятся все выше, приобретая причудливую форму, час от часу увеличиваясь в размерах. Вот их уже становится так много, что в своем движении по голубому небу они закрывают солнце.

По листьям деревьев пробегает ветерок. Вначале он еще слаб, ленив и не приносит прохлады. Но вдруг на пыльном проселке поднимается маленький вихрь. Вот он качнул гриву травы и буйно разметал сухие былинки, схватил клубок пыли на дороге и помчался к опушке леса. С каждой минутой порывы ветра становятся сильнее. Над вашей головой медленно разрастается серая громада грозовой тучи. Входит в глубокий вираж парящий ястреб и со скольжением уходит к лесу.

В эти часы при полете самолета на малых и средних высотах сильно болтает. Даже тяжелый скоростной самолет, летящий вблизи грозовой наковальни, временами проваливается на сотни метров вниз, затем тут же подбрасывается вверх, резко кренится на бок.

Воздушный океан волнуется, взбудораженный неравномерным нагревом солнца. Волнение со дна его распространяется на всю толщину нижнего придонного слоя, называемого тропосферой. Этот слой имеет важное значение для всего живого на земле. Над полюсами он имеет толщину около 8 км, а над экватором – 16 км [2]. Тропосфера содержит 90 % всей массы атмосферы. В ней разыгрываются «сражения» между теплыми и холодными массами воздуха, в ней «создается» погода.

Плотный слой воздуха сохраняет от испарения воду морей и океанов. Не будь воздушной оболочки, вся вода испарилась бы и наша планета в конце концов превратилась бы в выжженную пустыню. Тропосферные ветры переносят в виде облаков на большие расстояния массы воды и питают сушу благодатными дождями. Толща воздушного океана смягчает солнечное облучение поверхности нашей планеты, которое несет не только тепло, но и смертельные лучи. Без воздуха на поверхности земли днем кипела бы вода, а ночью из-за беспрепятственной отдачи тепла в пространство температура снижалась бы до минус 10 °C.

Выше тропосферы – до высоты 80 км над уровнем моря-простирается слоистая оболочка – стратосфера (рис. 1). Ее все настойчивее штурмуют крылатые летательные аппараты.

На высотах 30–40 км стратосфера содержит озон, который в крупных дозах очень ядовит для человека [3]. Озон-нестойкая разновидность кислорода. Он образуется в результате поглощения воздухом ультрафиолетовых лучей солнца. Таким образом, кислород стратосферы служит как бы защитным зонтом Земли, не пропускающим значительную часть опасной ультрафиолетовой радиации.

Выше 40 км воздух настолько разрежен, что атмосфера уже не задерживает космические и ультрафиолетовые лучи. Здесь не сгорают от трения о воздух метеорные тела, прилетающие из космического пространства. Поэтому, если летательный аппарат поднимается выше 40 км, он попадает в область метеорных дождей.

Встреча в пути с крупными метеорами при полете в верхней атмосфере, конечно, маловероятна. Но, как показали наблюдения за искусственными спутниками Земли, столкновения с мелкими частицами, влетающими в атмосферу с космическими скоростями, вполне вероятны [3].

Следующий, третий, «этаж» атмосферы ученые называют ионосферой. Она простирается выше 80 км и называется та. к потому, что ультрафиолетовые лучи спектра вызывают в этом слое разрушение молекул воздуха.

_{Рис. 1. Строение воздушной оболочки Земли}

Обычно атомы и молекулы воздуха электрически нейтральны, потому что каждому электрону, имеющему отрицательный заряд, соответствует протон с положительным зарядом в ядре. Однако при определенных условиях электрон может оказаться выбитым из атома и нейтральная ранее частичка превращается в электрически заряженный ион.

Разрушаются атомы и молекулы потоком ультрафиолетовых лучей и космическим излучением.

Под действием электрических сил ионы могут перемещаться. Поэтому ионосфера хорошо проводит электрический ток. Это ее свойство умело используют радисты. Оказалось, что электропроводящие слои ионосферы меняют направление радиоволн. Длинные волны отражаются от нижних слоев ионосферы, короткие – от более высоких. И только ультракороткие пробивают ионосферу и уходят в космическое пространство (см. рис. 1). Если бы не было в атмосфере Земли многослойного ионосферного «этажа», многие радиоволны с Земли уходили бы в межпланетное пространство и передача радиосигналов на большие расстояния-с одного континента на другой – в определенных диапазонах частот была бы невозможной.

На 100-километровой высоте ионосфера поглощает все рентгеновские лучи солнечного спектра и этим защищает организмы от лучевой болезни, которой подвержены все живые существа при длительном облучении этими лучами.

Из мирового пространства на нашу планету низвергается ливень атомных осколков – ядер атомов водорода. Они долетают до поверхности воздушного океана и, сталкиваясь с атомами газов воздуха, разрушают их. Образуется вторичное излучение, несущее уже меньшую энергию. Таким образом, в верхних слоях атмосферы происходит ослабление космических лучей – имеется как бы еще один предохранительный зонт.

Воздух хорошо пропускает солнечные лучи, несущие тепло и свет на нашу планету. Поверхность земли, нагретая солнцем, отдает тепло нижнему слою воздуха. Чем ближе к земле, тем теплее воздух. С высотой температура вначале постепенно падает, в среднем на 6,5 градусов на каждый километр.

В средних широтах уже на высоте в 11 км температура воздуха достигает минус 56 °C. В слое от 11 до 25 км температура остается постоянной [4]. Затем она начинает повышаться и на высоте 48 км достигает примерно 1 °C. На этом уровне она удерживается до высоты 53 км.

Почему на этом «этаже» воздух так нагрет? Потому что здесь, как отмечалось выше, в состав воздуха входит озон, при образовании которого поглощаются ультрафиолетовые лучи Солнца.

При дальнейшем подъеме температура воздуха повышается и на высоте 130 км уже стоит 70-градусная «жара». Предполагается, что температура на высоте 200 км может подняться до 600-80 °C. Такие большие температуры объясняются действием солнечной энергии, которая ионизирует воздух: ведь процесс ионизации сопровождается поглощением тепловой энергии Солнца. Некоторые ученые считают, что такое резкое повышение температуры воздуха связано с поглощением тепла от Солнца космической пылью.

Сразу же возникает вопрос: почему искусственные спутники Земли, летающие в «жарких» верхних слоях атмосферы, не плавятся и даже сохраняют температуру своих стенок, близкую к обычной?

Дело в том, что воздух там очень сильно разрежен, и поэтому тепло от него к поверхности летательного аппарата передается плохо. Ведь количество тепла, которое получает тело в нагретом воздухе, определяется не только скоростью движения молекул, но и количеством «ударов» этих быстрых молекул о поверхность аппарата. А число ударов зависит от плотности воздуха.

Плотность воздуха тоже не остается постоянной. На высоте 10 км она почти в четыре раза меньше, чем на уровне моря, где давление воздуха считается нормальным. На расстоянии 20 км от Земли давление воздуха составляет 6 %, а на высоте 100 км – всего 4 стотысячных процента нормального давления. Примерно так же изменяется и плотность воздуха.

С поднятием в верхние слон атмосферы масса воздуха, заключенного в одном кубическом метре, становится все меньше и меньше. Если на уровне моря кубометр воздуха имеет массу в 1 кг 225 г, то на высоте 30 км – всего 18 г.

Какую же глубину имеет воздушный океан?

Совсем недавно ученые полагали, что уже на высоте 1000 км исчезают следы воздуха. Искусственные спутники Земли сообщили другое-сильно разреженная газовая среда, способная тормозить полет летательного аппарата, простирается на высоту 2500–3000 км над уровнем земных морей [5]. Но еще выше простирается так называемая внешняя атмосфера: ее следы обнаруживаются до высоты многих тысяч километров!

Таким образом, воздушный океан, на дне которого кипит жизнь, самый глубокий. В отличие от водных океанов он не имеет резко очерченных границ и постепенно переходит в вакуум мирового пространства. Это свойство имеет огромное значение для постепенного гашения космической скорости при возвращении космического летательного аппарата в атмосферу Земли. Ведь если бы воздушный океан и межпланетное пространство имели такую же резкую границу, как вода и воздух, то возвращающийся космический корабль неминуемо разбился бы о поверхность воздушного океана.

ИЗ КОСМОСА – НА ОРБИТУ ВОКРУГ ЗЕМЛИ

Представим себе, что космический корабль выполнил задание по исследованию одной из планет и возвращается на Землю. Он летит во много раз быстрее артиллерийского снаряда, выстреленного из мощной пушки.

Если бы межпланетный корабль вошел в воздушный океан без снижения скорости, он сгорел бы подобно небесному камню еще на подступах к плотным слоям атмосферы. Ведь при торможении тела, движущегося с огромной скоростью, его энергия движения переходит в тепловую. Именно поэтому расплавляется свинцовый сердечник пули при ударе о каменную стену, нагревается молоток при ковке металла. Космический аппарат перед спуском на Землю должен много раз облететь вокруг земного шара в верхних слоях атмосферы, чтобы снизить свою скорость прежде всего до первой космической, равной около 8 км/сек. Это скорость, при которой аппарат становится спутником нашей планеты.

Как это сделать наиболее рационально, с какой стороны подойти к голубому океану Земли, под каким углом «нырнуть» в него, чтобы не сгореть, подобно метеору, и по возможности быстрее стать спутником Земли?

Прежде всего космонавты на межпланетном корабле будут иметь в виду, что их родная планета вращается вокруг своей оси. За 24 часа каждая точка на экваторе пробегает путь около 40000 км (такова окружность Земли). Таким образом, часовой пробег каждой точки поверхности на экваторе равен 1666 км. Не все современные самолеты имеют такую скорость.

По отношению к наблюдателю, находящемуся на Северном полюсе, наша планета вращается против часовой стрелки. Поэтому на круговую орбиту межпланетный корабль должен выходить «вдогон» Земли, вращающейся вокруг своей оси с запада на восток. В этом случае скорость корабля относительно точки, расположенной на экваторе, будет меньше почти на полкилометра в секунду. Но все же скорость корабля по отношению к Земле будет огромной. Насколько же близко от планеты надо пройти первый раз космическому аппарату, летящему с определенной скоростью, чтобы, с одной стороны, под действием земного притяжения изменить направление движения и обогнуть планету, а с другой – не сгореть при входе в атмосферу?

Ученые теоретически давно разработали возможные способы перехода возвращающегося из космоса межпланетного корабля на орбиту вокруг Земли. Один из них, называемый методом возвращения по тормозным эллипсам [6], мы сейчас разберем. Межпланетный корабль (рис. 2) движется в район Земли по параболе со скоростью 11,2 км/сек и пронзает воздушный океан, лишь касаясь плотных слоев атмосферы В этих слоях атмосферы скорость снижается, а крылья корабля создают «подъемную» силу, направленную к центру Земли. Эта сила, прижимая корабль к Земле, искривляет траекторию полета и выводит корабль сначала на эллиптические, а затем и на круговую траектории.

На круговую орбиту корабль не может перейти сразу, ему придется совершить несколько оборотов по эллиптической траектории.

Продолжительность каждого оборота будет определяться тем, насколько близко от поверхности планеты космический корабль пройдет первый раз. Так, например, если при первом «тормозном» эллипсе он пройдет на высоте около 80 км, то будет обращаться, снижая скорость, в течение девяти суток. Затем выйдет на круговую орбиту, полностью находящуюся в пределах атмосферы. Если же межпланетный корабль пролетит на высоте около 65 км, то время торможения составит всего 9 часов.

Следовательно, для быстрого уменьшения скорости выгодно направлять возвращающийся из космоса аппарат таким образом, чтобы уже при первом огибании земного шара он прошел на возможно меньшем расстоянии от поверхности нашей планеты.

Однако это невыгодно из-за чрезмерного аэродинамического нагрева и больших перегрузок, которые будет испытывать корабль. Так, если перигей (ближайшая к Земле точка) первого тормозного эллипса равен 80 км, то поверхность аппарата разогреется примерно до 100 °C, а ускорение не превысит 0,2 ускорения силы тяжести на земной поверхности. Если же корабль пройдет на высоте 67 км, то ускорение превысит земное в 1,8 раза, а температура обшивки достигнет 150 °C.

_{Рис. 2. Так будет входить в атмосферу Земли космический корабль}

Вот почему при управлении летательным аппаратом, возвращающимся из космоса по тормозным эллипсам, необходимо с очень высокой точностью измерять величину и направление его скорости. Расчеты показывают, что ошибка в измерении направления скорости всего на одну сотую градуса приведет к отклонению высоты перигея первого тормозного эллипса на 12 км. При отклонении скорости корабля от заданной всего на 0,0015 км/сек величина перигея изменится на 9 км. Неточность в определении направления полета летательного аппарата на 0,01 градуса на расстоянии в четыре земных радиуса увеличит продолжительность торможения в пять раз.

Из этих расчетов видно, что для возвращения космического корабля по тормозным орбитам потребуется исключительно высокая точность и чувствительность приборов управления.

Конечно, можно снизить скорость движения корабля и по-другому. Для этого пришлось бы включить ракетные двигатели обратной тяги. Но это ведет к необходимости иметь на борту межпланетного аппарата большие запасы топлива. Чтобы при возвращении из космоса погасить скорость корабля полезным весом 7 т с 11 до 7,6 км/сек при помощи современных зарубежных ракетных двигателей, необходимо иметь на борту около 27 т топлива. Это увеличит общий стартовый вес ракеты в четыре раза. Возвращение корабля с таким же полезным весом по рассчитанным с большой точностью тормозным эллипсам потребует всего 140 кг топлива. Оно потребуется для компенсации непредвиденных отклонений от расчетной траектории и для корректировки скорости.

Очень большое значение при торможении имеет форма корабля.

Какова наиболее вероятная форма летательного аппарата, способного погасить высокие космические скорости и выйти по тормозным эллипсам на круговую орбиту вокруг Земли? Рассмотрим описанную недавно [7] схему корабля-диска. Диск должен входить в атмосферу под углом, равным 45 градусам, как это показано на рис. 3. Чтобы аппарат не кувыркался в полете, он должен вращаться в плоскости диска.

_{Рис. 3. Кабина корабля-диска при входе в атмосферу Земли будет находиться в зоне абсолютного вакуума}

При скорости полета 11,2 км/сек, что в 34 раза больше скорости звука, равной примерно 330 м/сек, давление за ударной волной' на передней к потоку поверхности превысит окружающее давление в 1085 раз. Установившаяся температура при таком торможении будет близка к 50000 градусам. Нижняя, обращенная к Земле, поверхность аппарата будет находиться, в вакууме. На ней и предполагают разместить кабину космонавтов, чтобы предохранить ее от действия высоких температур.

Горячая поверхность корабля может в этом случае представлять собой плоский диск, который будет частично обгорать при входе в атмосферу Земли. Из-за сильного нагрева корабля невозможен длительный контакт его с атмосферой. Поэтому апогей (наиболее удаленная от Земли точка орбиты) первых тормозных эллипсов обязательно должен находиться вне атмосферы. Таким образом, корабль-диск после каждого «ныряния» в голубой океан будет выскакивать из него, чтобы охладиться в просторах космоса.

Полет по тормозным эллипсам должен продолжаться до тех пор, пока скорость не снизится примерно до 8 км/сек, что соответствует скорости спутника, летящего на постоянной и сравнительно небольшой высоте.

Как только диск начнет двигаться по круговой траектории, он перевернется и кабина космонавта окажется сверху.

После того как скорость движения по орбите станет значительно ниже 8 км/сек, корабль-диск уже не сможет выходить из пределов атмосферы для охлаждения. Однако и в этом случае, меняя положение диска по отношению к направлению полета, можно двигаться по траектории с периодически изменяющейся высотой.

Возвращение межпланетного корабля из космоса в атмосферу связано с решением необычайно трудных тепловых проблем. Однако аэродинамический вакуум защитит важнейшие части дискового летательного аппарата от прямого воздействия горячих газов. Это поможет межпланетному кораблю благополучно выйти на орбиту вокруг Земли и снизить скорость до первой космической.

Но и после того, как корабль полетит по круговой орбите, процесс посадки его на нашу планету будет еще далек от завершения. Начнется самое трудное-вход в плотные слои атмосферы. Этот этап характеризуется снижением скорости от 8 км/сек до обычной посадочной, равной примерно 0,07 км/сек. Такое стократное гашение скорости во многом определяется формой возвращаемого спутника.

Каковы же наиболее вероятные конструкции летательных аппаратов, способных погасить космическую скорость при возвращении из космоса?