Страница 117 из 120
Космические исследования
Слово космос является синонимом слова Вселенная. Часто космос разделяют несколько условно на ближний, который возможно исследовать в настоящее время при помощи искусственных спутников Земли, космических аппаратов, межпланетных станций и других средств, и дальний — все остальное, несоизмеримо большее. По сути дела, под ближним космосом понимается Солнечная система, а под дальним — необъятные просторы звезд и галактик.
Поскольку вопросы астрономии и астрофизики, хотя, конечно, очень кратко, были рассмотрены ранее, настоящий и последний раздел книги будет посвящен космонавтике. Космонавтика, или, как ее иногда называют, астронавтика, объединяет в себе полеты в космическое пространство, совокупность отраслей науки и техники, служащих для исследования и использования космического пространства в интересах нужд человечества с использованием различных космических средств. Началом космической эры человечества считается 4 октября 1957 г. — дата, когда в Советском Союзе был запущен первый искусственный спутник Земли.
Начало теории космических полетов было положено широко известным русским ученым Константином Эдуардовичем Циолковским (1857–1935), большую часть своей жизни работавшим учителем физики и математики в Калуге. Вот что писал о Циолковском один из наиболее крупных советских ученых — Мстислав Всеволодович Келдыш (1911–1978): «В 1903 г. вышла одна из его основных работ — «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в которой были указаны главнейшие направления развития ракетной техники. По этим направлениям действительно пошло последующее развитие исследований космоса.
К. Э. Циолковским были изучены основные принципы баллистики ракет, предложена схема жидкостного ракетного двигателя, установлены закономерности, определяющие реактивную силу двигателя. Им были предложены схемы космических кораблей и даны широко вошедшие сейчас в практику принципы конструирования ракет. К. Э. Циолковский был страстным пропагандистом возможности осуществления космических полетов в скором будущем»[370].
Рис. 58. Простейшая схема устройства ракеты 1— камера сгорания; 2 — сопло.
Рискуя рассказывать читателю об уже хорошо известных ему предметах, мы все-таки скажем несколько слов о ракетном двигателе. Дело в том, что ракета — единственное средство для полетов в космическое пространство. Ракета — это летательный аппарат, принцип работы которого — следствие третьего закона механики Ньютона: закон сохранения импульса. На рис. 58 приведена простейшая схема устройства ракеты. Поскольку ракета космического двигателя предназначена для полетов в очень разреженном и практически полностью безвоздушном пространстве, она должна «нести с собой» не только топливо ¡(горючее), но и окислитель, каковым в обычных условиях (но не в ракетах космического двигателя!) является кислород воздуха.
В настоящее время наибольшее применение получило жидкое топливо и окислители, а также твердое топливо, содержащее окислитель в своем составе (типа пороха). Отсюда возникли термины ЖРД — жидкостный ракетный двигатель и РДТТ — твердотопливный ракетный двигатель. В качестве жидкого горючего в настоящее время чаще всего применяются керосин, диметилгидразии несимметричный Н2N — N(CH3)2, гидразин N2H4, водород жидкий, аммиак жидкий и некоторые другие, а в качестве жидких окислителей — кислород жидкий, четырехокись азота N2O4, азотно-кислотные ракетные окислители (растворы окислов азота в азотной кислоте), перекись водорода Н2O2 и некоторые другие.
Как видно из рис. 58, ракета имеет два основных элемента: камеру сгорания и сопло. Существуют различные конструкции ракет, но любая из них имеет эти два обязательных элемента. При пуске ракеты с ЖРД в камеру сгорания начинают поступать топливо и окислитель. В результате горения топлива образуются продукты сгорания, обладающие высокой температурой: химическая энергия топлива превращается в тепловую. Продукты сгорания вследствие разности давлений в камере и во внешнем пространстве с большой скоростью вытекают через сопло наружу — происходит преобразование тепловой энергии в механическую (кинетическую) энергию струи газа (продуктов сгорания). Вытекающая, как уже сказано, с большой скоростью, достигающей 3000–4500 м/с, струя газов создает, согласно закону сохранения импульса, реактивную силу тяги. В этом вся суть дела. Ракета, которой в космическом пространстве «не от чего отталкиваться», движется в результате образующейся реактивной силы.
Чрезвычайно важно отметить, что скорость, развиваемая ракетой (а вместе с ней и всем космическим летательным аппаратом) на активном участке пути, т. е. на том сравнительно коротком участке, пока работает ракетный двигатель, должна быть достигнута очень и очень высокая.
Существует понятие так называемых космических скоростей: первой, второй и третьей. Первой космической скоростью называется такая скорость, при достижении которой тело (космический аппарат), запущенное с Земли, может стать ее спутником. Если не учитывать влияния атмосферы, то непосредственно над уровнем моря первая космическая скорость составляет 7,9 км/с и с увеличением расстояния от Земли уменьшается. На высоте 200 км от Земли она равна 7,78 км/с. Практически первая космическая скорость принимается равной 8 км/с.
Для того чтобы преодолеть притяжение Земли и превратиться, например, в спутник Солнца или достигнуть какой-нибудь другой планеты Солнечной системы, запускаемое с Земли тело (космический аппарат) должно достигнуть второй космической скорости, принимаемой равной 11,2 км/с.
Третьей космической скоростью у поверхности Земли телу (космическому аппарату) необходимо обладать в том случае, когда требуется, чтобы оно могло преодолеть притяжение Земли и Солнца и покинуть Солнечную систему. Третья космическая скорость принимается равной 16,7 км/с.
Рис. 59. Схема полета «Зонда-6» с облетом Луны
Штриховая линия — орбита спутника и траектория движения без коррекции.
Космические скорости по своему значению огромны. Они в несколько десятков раз превышают скорость звука в воздухе. Только из этого ясно видно, какие сложные задачи стоят в области космонавтики.
Большое значение имеет расчет траекторий полета космических аппаратов, в котором должна преследоваться основная цель — максимальная экономия энергии. При расчете траектории полета космического аппарата необходимо определять наиболее выгодное время и по возможности место старта, учитывать аэродинамические эффекты, возникающие в результате взаимодействия аппарата с атмосферой Земли при старте и финише, и многое другое.
Многие современные космические аппараты, особенно с экипажем, имеют относительно малые бортовые ракетные двигатели, главное назначение которых — необходимая коррекция орбиты и осуществление торможения при посадке. При расчете траектории полета должны учитываться ее изменения, связанные с корректировкой. Большая часть траектории (собственно, вся траектория, кроме активной ее части и периодов корректировки) осуществляется с выключенными двигателями, но, конечно, под воздействием гравитационных полей небесных тел. На рис. 59 в качестве примера представлена орбита автоматической межпланетной станции «Зонд-6», запущенной 10 ноября 1968 г. с территории Советского Союза, облетевшей Луну и сделавшей фотографирование обратной ее стороны; 17 ноября спускаемый аппарат станции приземлился в заданном районе Советского Союза.
В создании летательных космических аппаратов наиболее трудной задачей является, вероятно, разработка и производство ракетного двигателя. Космические скорости, как уже говорилось, очень большие, а летательный аппарат должен достигнуть одной из них. Поэтому ракетный двигатель должен иметь огромную мощность, измеряемую десятками миллионов киловатт.
370
Келдыш М. В. Космические исследования. М., 1967. Кв. 1. Октябрь и научный прогресс.