Страница 31 из 95
Но разве возможно измерить аэродинамическое сопротивление спутника в его полете по орбите? На первый взгляд это представляется еще гораздо более трудной задачей, чем непосредственное измерение плотности воздуха. Ведь для измерения этого сопротивления при испытаниях самолетов или их моделей в аэродинамических трубах служат специальные высокоточные аэродинамические весы, самописцы и другие приборы. Что же заменит их в данном случае?
Вот тут-то и появляется на сцену сам спутник как высокочувствительный измерительный прибор. Дело в том, что орбита спутника очень чутко реагирует на его скорость, даже ничтожное изменение скорости ощутительно изменяет орбиту. Поэтому точные измерения орбиты позволяют судить об изменении скорости движения спутника, а значит, и о величине воздушного сопротивления, которая, как указывалось выше, прямо пропорциональна плотности воздуха.
Кстати, в значительной мере именно из-за этого использования аэродинамического сопротивления спутника для определения плотности атмосферы в ее верхних слоях первому советскому спутнику была придана шаровая форма. Аэродинамическое сопротивление шара изучено лучше, чем других тел. Кроме того, как бы шар ни вертелся в полете, он все равно остается шаром. А представьте себе спутник в виде цилиндра. Летит такой цилиндр вокруг Земли и при этом поворачивается то одним боком, то другим. Ведь так и обстояло дело, например, со вторым советским спутником, яркость которого, как и яркость ракеты-носителя первого спутника, менялась в полете. Но понятно, что каждому положению цилиндра будет соответствовать свое сопротивление. Как же тут разобраться, какова истинная величина этого сопротивления, чтобы по ней определить плотность воздуха? Тут можно сильно ошибиться…
Как же должно влиять на орбиту искусственного спутника сопротивление атмосферы? Хорошо известно, что сопротивление воздуха мешает полету самолета, тормозит его. Если бы на самолете не было двигателя, то скорость его полета под действием этого сопротивления непрерывно уменьшалась бы. Значит, и скорость спутника должна постепенно уменьшаться, ведь на спутнике нет двигателя, который мог бы восстановить потерю скорости. Но в действительности скорость спутника, как показали наблюдения за первыми советскими спутниками, не только не уменьшается, а непрерывно возрастает!
Чем же объяснить этот парадокс, это кажущееся противоречие?
Оно объясняется тем, что, как и следовало ожидать, все-таки существует «двигатель», вызывающий этот неожиданный рост скорости спутника. Таким двигателем является Земля, сила ее тяготения. Как только скорость спутника под влиянием воздушного сопротивления оказывается меньшей, чем это требуется для полета по данной орбите, он под действием притяжения к Земле начинает двигаться по другой орбите. Новая орбита отличается от исходной, главным образом, высотой своего апогея — она уменьшается; высота перигея тоже уменьшается, но неизмеримо медленнее. Значит, эллипс становится менее вытянутым, он приближается к кругу. Средняя же скорость спутника по всей орбите не только не уменьшается, но даже возрастает — сказывается снижение спутника, его падение в поле земного тяготения (в то же время максимальная скорость спутника, то есть его скорость в перигее, при таком торможении спутника уменьшается, что очень важно для посадки межпланетного корабля, о которой будет идти речь в главе 17).
Чем сильнее влияет воздушное сопротивление на движение спутника, тем значительнее его снижение и больше рост средней скорости движения. В итоге же уменьшается период обращения спутника вокруг Земли — и потому, что уменьшается проходимый за каждое обращение путь, и потому, что свой путь спутник проходит с большей скоростью. Наблюдая за тем, как уменьшается период обращения спутника, можно судить о величине воздушного сопротивления и, значит, о плотности воздуха на тех высотах, где движется спутник.
Именно из-за воздушного сопротивления оказалась различной судьба первого советского спутника и его ракеты-носителя. Вначале, когда спутник был вытолкнут из ракеты-носителя, он ушел вперед километров на тысячу. Однако потом, под действием воздушного сопротивления, значительно большего для ракеты-носителя[48] ракета начала постепенно нагонять спутник. Примерно через 5 дней она уже догнала спутник и стала все быстрее удаляться от него, приближаясь вместе с тем к Земле. Когда спутник совершил 500 оборотов вокруг Земли, то ракета-носитель обогнала его уже на целых два оборота, совершив за это же время 502 оборота. 2 декабря 1957 года ракета-носитель обогнала спутник уже на 12 оборотов — она сделала 900 оборотов, тогда как спутник — 888 оборотов вокруг Земли. Вслед за этим ракета-носитель вошла в наиболее плотные слои атмосферы и через два месяца после запуска перестала существовать — отдельные оплавленные части ее упали на территории Аляски и западного побережья США. Спутник же по-прежнему продолжал полет вокруг земного шара и 9 декабря завершил 1000-й оборот вокруг него, пройдя путь в 43,2 миллиона километров. Он прекратил свое существование примерно через месяц после гибели ракеты-носителя, 4 января 1958 года, совершив за 3 месяца 1400 оборотов вокруг Земли и пройдя путь около 60 миллионов километров.
Падение спутника сквозь наиболее плотные нижние слои атмосферы, когда он из-за аэродинамического нагрева раскаляется докрасна, превращаясь в болид, разрушаясь и частично испаряясь, представляет исключительно большой интерес для науки. Ведь недалек тот момент, когда не только искусственные спутники совершат посадку на Землю, но и отправится в полет первый межпланетный корабль с людьми на борту, а он, естественно, должен совершить безопасную посадку при возвращении на Землю. Вот почему так важны наблюдения за спутником в последние часы его существования: наука извлекает пользу и из самой гибели созданного людьми искусственного небесного тела. К сожалению, эта задача очень сложна, и до сих пор тщательно проследить за падением спутников не удалось.
Понятно, что для всех наблюдений, связанных с измерениями орбиты спутника, эти измерения должны быть очень точными. Но даже при наличии подобных измерений получение нужных результатов весьма не простое дело. Так, например, задача определения плотности воздуха на больших высотах по скорости снижения спутника гораздо сложнее, чем описано выше. Ведь при этом приходится учитывать, что причиной снижения спутника может быть не только воздушное сопротивление, но и другие явления, например так называемое приливное действие Земли. Необходимо считаться также с давлением солнечных лучей на спутник. Примерный расчет показывает, что при круговой орбите на высоте 500 километров это давление примерно сравнивается по величине с аэродинамическим сопротивлением, оказываемым спутнику разреженной атмосферой, в которой он движется. Давление солнечного излучения может тормозить спутник, а может и создавать небольшую движущую силу — в зависимости от того, как избрана орбита спутника. По проекту, разработанному во Франции, использование солнечного давления на небольшой искусственный спутник с такой высотой круговой орбиты может полностью компенсировать различные тормозящие действия на спутник и, следовательно, сделать продолжительность жизни спутника практически неограниченной. Конечно, создать подобный «тысячелетний» спутник можно и простым увеличением высоты орбиты.
48
Торможение в атмосфере, связанное с ее сопротивлением, зависит от так называемой поперечной нагрузки движущегося тела — отношения его веса к площади поперечного сечения. Чем меньше поперечная нагрузка, то есть чем меньше вес, приходящийся на единицу поперечного сечения, тем сильнее торможение. Поперечная нагрузка ракеты-носителя значительно меньше, чем у спутника.