Космическая баллистика или, как принято говорить в Европе и Америке, небесная механика изучает движение небесных тел, ракет-носителей и космических аппаратов. Основы этой науки возникли благодаря трудам Исаака Ньютона, который размышлял, почему Луна не падает на Землю. С XVII-XIX веков космическая баллистика активно развивается и помогает решать важнейшие задачи пилотируемой космонавтики и научных исследований.
О небесной механике и межпланетных путешествиях школьникам Сириуса рассказала эксперт Центра управления полетами Центрального научно-исследовательского института машиностроения Ирина Пономарева. Ко Дню космонавтики мы записали 10 любопытных на наш взгляд фактов.
Ожидания vs Реальность
Основная трудность баллистики заключается в том, что реальность сильно отличается от идеальных математических расчетов. Есть много дополнительных факторов, которые нужно учитывать при планировании космического полета. Например, это несферичность Земли. Да, Земля, к сожалению, не является идеальной сферой, а сплюснута со стороны полюсов, поэтому глобусы, которые продаются в магазинах, в этом смысле не совсем правильные. Кроме этого, различные районы Земли имеют разную плотность и притягивают спутники с разной силой. Дополнительную проблему создает притяжение других небесных тел, например, Солнца и Луны. При полетах на низких орбитах важно учитывать сопротивление атмосферы, она очень разрежена, но все же действует даже на аппараты, летающие на высоте 600 км. Еще один фактор – давление лучей солнечного света, которые представляют собой поток фотонов. Несмотря на то, что этот поток слабый, со временем его сила способна изменять орбиту, по которой движется космический аппарат, если он большой и легкий. Все это приводит к тому, что орбита меняется: поворачивается в пространстве, вытягивается или скругляется. Запуская космический аппарат, мы должны просчитать с учетом всех этих возмущающих сил.
Ближе, чем радиус Земли
В сравнении с радиусом Земли орбита МКС находится не так уж и высоко – всего на расстоянии около 400 км от поверхности нашей планеты. Такая высота выбрана, в частности, потому что это достаточно низкая орбита для доставки космонавтов и груза без больших затрат топлива. При этом орбита находится ниже радиационных поясов, и экипаж не подвергается слишком сильному воздействию радиации.
Подъемник в космос
Очевидно, что орбиты бывают разные. Со свойствами геостационарной орбиты, расположенной в плоскости экватора Земли, связана пока фантастическая, но в будущем, возможно, вполне реализуемая концепция космического лифта. Спутник, находясь на этой орбите, как бы «висит» в небе неподвижно, потому что движется вокруг планеты с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг оси. Если мы выведем на геостационарную орбиту массивный противовес и соединим его с той точкой на Земле, над которой он находится, то фактически получится огромный космический лифт высотой примерно 36 тыс. км, на котором можно подниматься на экскурсию в космос. Или, например, запускать спутники. Представьте, вы заходите в этот лифт, поднимаетесь на высоту 20 тыс. км, выходите и запускаете спутник из окна лифта. Как вам такое?
Консоль для ракеты
Никто не управляет космическим аппаратом, как машинкой с джойстика в компьютерной игре. Космический аппарат выводят в космос с помощью ракеты-носителя, а дальше он летает сам, и ежесекундно контролировать его движение не нужно. Управление на Земле сводится всего к нескольким задачам, но они очень важные. Во-первых, нужно с помощью аппарата решать те задачи, ради которых он и был запущен в космос, - например, планировать и закладывать на борт расписание, по которому аппарат будет вести съемку земной поверхности, а потом принимать информацию в сеансах связи. Во-вторых, нужно постоянно уточнять орбиту, по которой движется космический аппарат, потому что она меняется. В-третьих, нужно выдавать команды для совершения маневров, если они необходимы, — например, если аппарат сильно снизился и нам нужно поднять его орбиту.
Вне земной логики: замедлиться, чтобы догнать
Маневрирование в космосе многие представляют себе как навигатор в Яндекс.Картах, который вам диктует, что делать и как объезжать препятствия. Но в космосе наши земные правила не работают. Представьте, что вы летите по орбите в корабле «Союз», впереди — МКС, и вы хотите приблизиться к ней, чтобы состыковаться. Что вам нужно сделать? С точки зрения земной логики, надо всего лишь ускориться, и тогда вы, конечно же, добьетесь цели. Проблема в том, что если вы поступите так в космосе, то начнете отставать. Чтобы догнать станцию, вам надо затормозить, это позволит перейти на более низкую орбиту, и вы начнете догонять станцию. Почему? Поднимаясь выше, вы увеличиваете орбитальный период, то есть промежуток времени, в течение которого ваш аппарат совершает полный оборот вокруг Земли. Соответственно, если вы опускаетесь, период вращения становится меньше.
Всему свое время
Нельзя в любой день или любое время просто взять и полететь к какой-то планете. Если вы выберете первую попавшуюся дату, вылетите с Земли, то через несколько месяцев долетите до точки, где ждете, например, Марс, но его там не окажется. Необходимо тщательно расчитывать моменты старта, учитывая движение тел в космосе. Короткие интервалы времени, во время которых можно успешно стартовать и достичь нужной планеты по оптимальной траектории, называют окнами старта. Для разных планет окна старта повторяются с разной периодичностью из-за того, что периоды движения планет вокруг Солнца отличаются. Для Марса, например, окна старта повторяются с интервалом примерно 780 суток.
Воровство космического масштаба
Что делать, если аппарату необходимо подлететь к комете, но не хватает топлива? Совершить гравитационный маневр. Он позволяет экономить топливо за счет того, что мы используем энергию других небесных тел. Космический аппарат как бы «крадет» часть энергии небесного тела, чтобы при этом изменить свою траекторию полета. Как это работает? Представьте, что вы стоите на рельсах, на вас едет поезд, вы кидаете в него мячик. Если поезд едет с высокой скоростью, то мячик вернется к вам с намного большей скоростью, чем вы его бросили, потому что мячик примет часть энергии поезда. Смысл в облете планет – примерно в том же. Гравитационные маневры позволили совершить ряд космических миссий, которые без них были бы невозможны. Одна из самых известных – это полет аппарата «Вояджер-2», который при своем путешествии к границам Солнечной системы последовательно совершил гравитационные маневры вокруг Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, при этом отдельные пролеты позволяли ему нарастить скорость относительно Солнца на 18 км/с.
«Притяженья больше нет»
В космосе есть отдельные области, где притяжение разных небесных тел позволяет космическому аппарату «зависнуть» во вращающейся системе отсчета. Их называют точками либрации. Например, между Землей и Солнцем есть точка, в которой аппарат будет находиться без дополнительных затрат топлива, оставаясь на линии Солнце-Земля – из этой точки удобно вести постоянные наблюдения за Солнцем. Другая такая точка находится за Землей – находясь в ней, можно без помех наблюдать Вселенную, потому что Земля и Солнце все время остаются «за спиной». Сейчас такие уникальные области используются для размещения космических телескопов, в будущем в них обязательно будут летать люди.
Чем выгоден экватор
За счет вращения Земли мы можем сэкономить часть топлива при запуске нашего космического аппарата. Точки земной поверхности на экваторе движутся быстрее, чем в районе полюсов. Таким образом, получается, что чем ближе к экватору находится космодром, тем выгоднее будет космический запуск.
Атмосферная посадка
Атмосфера небесного тела влияет на то, как космический аппарат или космонавты могут на него спуститься. В случае посадки на Землю при второй космической скорости аппарат нельзя безопасно ввести в атмосферу за одну попытку. Совершается «нырок», когда аппарат входит в атмосферу, выходит из нее и затем возвращается. Для более нестандартных планет, таких как Венера или Марс, также существуют свои схемы посадки, например, на Венере использовались специальные аэродинамические щиты, похожие на жесткие зонтики, потому что атмосфера очень плотная.
Несмотря на то, что основы космической баллистики были заложены еще Исааком Ньютоном и другими учеными в XVII-XIX веках, сейчас существует множество задач в области космонавтики, для которых небесная механика играет роль важнейшей современной перспективной науки. Расчет траекторий полетов пилотируемых комплексов на Луну и Марс, запуски новых космических телескопов, «ловля» космического мусора, отклонение угрожающего цивилизации астероида, управление группировками из тысяч малых аппаратов – все эти задачи не могут быть решены без тщательного расчета орбит и планирования маневров. Космическая баллистика – мостик между первыми экспериментами Исаака Ньютона и современными принципами управления полетами, в основе которых – мощные компьютеры, множество технических специалистов и новые задачи, которые еще несколько десятилетий назад казались фантастическими.
