Глава 1. УСЛОВИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА

1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

Космос - понятие, используемое с древних времен как синоним Вселенной и означающее мир в целом, бесконечный во времени и пространстве и безгранично разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе развития.

В связи с космическими полетами слова «космос», «космическое пространство» в современном понимании обозначают все то, что находится за пределами Земли и ее атмосферы. Это деление несколько условно. Резкой верхней границы атмосферы (ее вертикальная протяженность ~20000 км) не существует, она постепенно переходит в межпланетную среду. По решению Международной авиационной федерации (ФАЙ) принято считать космическими те полеты, высота которых составляет не менее 100 км,

Обычно рассматривают не космическое пространство в целом, а те или иные его области: околоземное, межпланетное, межзвездное пространство и т. п.

При характеристике космического пространства ограничимся пределами Солнечной системы, уделив главное внимание тем ее составляющим, которые представляют интерес в качестве целей космических полетов, полезных факторов, используемых на борту космических аппаратов, или источников потенциальной опасности.

Солнечная система состоит из звезды - Солнца, планет со спутниками, астероидов (малых планет), комет и межпланетной среды, образуемой метеорами, космической пылью и межпланетным газом, и, как считают, имеет диаметр около 2х1013 км.

Солнце - центральное тело Солнечной системы - имеет массу, составляющую более 99% всей массы тел Солнечной системы. Его гравитационное поле служит главным фактором, определяющим движение планет, астероидов, комет и метеорных тел, а также и космических аппаратов вне сфер действия полей тяготения планет. Солнце является источником мощных потоков корпускулярного и электромагнитного излучений.

Физические условия в межпланетном и околоземном пространстве существенно зависят от проявлений солнечной активности. Вариации интенсивности излучений Солнца, связанные с 11-летним циклом, вызывают сравнительно монотонные и регулярные изменения, которые легко обнаруживаются и поддаются достаточно точному долгосрочному прогнозированию. В то же время проявления солнечной активности, называемые солнечными вспышками, при которых резко (на несколько порядков) увеличивается интенсивность корпускулярного излучения, оказывают самое непосредственное и внезапное влияние на характеристики физических условий в космическом пространстве. Влияние других пространственно-временных вариаций интенсивности излучений Солнца сравнительно мало.

Девять планет (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон) обращаются вокруг Солнца в прямом направлении, т. е. с запада на восток. Их почти круговые орбиты лежат приблизительно в одной плоскости. Все планеты, как и Земля, вращаются вокруг своей оси в прямом направлении (с запада на восток), лишь Венера имеет обратное вращение (с востока на запад), а ось вращения Урана лежит почти в плоскости его орбиты.

По физическим свойствам все планеты делят на планеты земной и юпитерианской групп: к первой, кроме Земли, относят Меркурий, Венеру, Марс и иногда Плутон, ко второй - планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Данные о физических характеристиках планет и Луны, а также некоторые другие данные, связанные с космическими полетами, приведены в табл. 1.1.

Планеты и другие крупные тела Солнечной системы обладают полями тяготения. Затраты энергии на преодоление сил тяготения будут наибольшими из тех, которые необходимы при выведении КА на орбиту, при изменении величины и направления вектора скорости в целях коррекции траектории полета, а также при его торможении для посадки на поверхность небесного тела.

Огромные расстояния между Землей, Луной и планетами Солнечной системы требуют значительного времени на их преодоление, которое при существующих возможностях ракетно-космической техники измеряется при полете к Луне несколькими днями, к планетам земной группы - месяцами, а к планетам юпитерианской группы - годами.

У Земли, Венеры и некоторых других планет имеется атмосфера. При движении КА в атмосфере возникают аэродинамические силы, вызывающие торможение КА и приводящие к потере им скорости. При старте с планеты на преодоление аэродинамического сопротивления требуются дополнительные затраты топлива для достижения КА заданной скорости. При движении КА по орбите искусственного спутника воздействие аэродинамических сил определяет время его существования на орбите. Аэродинамические силы можно использовать для стабилизации КА относительно вектора скорости, а также для снижения скорости КА без затрат энергии при посадке на планеты, имеющие атмосферу (при этом требуется защита КА от аэродинамического нагрева).

Состав атмосферы, изменение давления и температуры по высоте, а также физические условия (давление, температура, наличие ветров, механические характеристики поверхностного слоя грунта, пересеченность местности и т. п.) па поверхности планет необходимо учитывать при создании КА, предназначенных для посадки на них. Физические явления в атмосфере, в частности наличие и состояние ионосферы, будут влиять па распространение радиоволн и радиосвязь КА с Землей, между КА и при использовании ИСЗ для радиосвязи и телевидения. Возмущения ионосферы во время солнечных вспышек могут практически исключить возможность коротковолновой радиосвязи в этот период.

Полеты в зоне радиационных поясов - у Земли и Юпитера - из-за воздействия ионизирующего излучения опасны для человека и требуют специальной защиты, а также разработки устойчивой к этому воздействию бортовой аппаратуры.

При движении в магнитном поле Земли и других планет на КА, обладающий магнитным (постоянным или переменным) моментом, будет действовать вращающий момент, который можно использовать для успокоения движения КА относительно центра масс, для целенаправленной его ориентации и т. п.

Космическое пространство, являясь естественным барьером, предотвращает перенос форм жизни (если они существуют) с одного небесного тела на другое. Возможность космических полетов делает этот естественный барьер преодолимым. Поэтому при межпланетных полетах необходим комплекс специальных мер, называемых планетным карантином, для исключения возможности переноса форм жизни с одного небесного тела на другое.

Астероиды (малые планеты), обращающиеся вокруг Солнца, главным образом между орбитами Марса и Юпитера, образуют кольцо (пояс) астероидов шириной более 1 а. е*. Значительная часть астероидов (примерно 97%) имеет большие полуоси орбит в пределах от 2,17 до 3,64 а. е. и образует так называемое основное кольцо астероидов, состоящее в свою очередь из нескольких второстепенных колец, в промежутках (люках) между которыми астероиды или отсутствуют, или имеются в незначительном количестве. В настоящее время открыто более 6000 астероидов, диаметр наибольшего из которых - Цереры - принимается равным 768 км. Постоянные столкновения отдельных тел в кольце астероидов приводят к их постепенному дроблению и образованию в этой зоне Солнечной системы мелко раздробленного твердого вещества вплоть до мельчайших твердых пылинок.

* (1 а. е. (астрономическая единица) = 149,598 х 106 км.)

Для космических полетов пояс астероидов считается наиболее опасным районом Солнечной системы из-за возможности столкновения КА с мелкими астероидами.

Таблица 1.1. Физические характеристики планет и Луны

* (Данные прямых измерений отсутствуют. )

Кометы - небесные тела, внешне напоминающие туманную расплывчатую звезду с одним или несколькими слабо светящимися хвостами. Голова кометы может иметь размеры от нескольких тысяч до (1 - 2) 106 км, а хвост, возникающий при прохождении кометы вблизи Солнца, может иметь длину до 200х106 км. Комета имеет твердое ядро, окруженное массой газа - комой, которая образует внешнюю оболочку и хвост кометы. Ядро кометы состоит из глыб метеорного вещества, кусков льда из воды, аммиака, метана и т. п.

Практический интерес представляет тот факт, что распавшиеся кометы дают начало метеорным потокам. При распаде кометы остатки ее ядра в виде обломков твердого вещества, продолжая двигаться почти по той же орбите, что и сама комета, образуют метеорный рой. Этот метеорный рой под действием возмущений планет постепенно растягивается по орбите в более или менее однородный метеорный поток.

Метеоры и космическая пыль - это множество твердых частиц, свободно движущихся в поле тяготения Солнца и, как правило, физически не связанных с планетами.

Метеорные частицы делят на два класса: метеорные потоки (рои) и спорадические метеоры.

Общепринято, что причиной образования метеорных потоков и источником постоянного их пополнения метеорными частицами является разрушение комет. Известны метеорные потоки (более 30), которые периодически встречаются с Землей и обнаруживают себя в виде метеорного дождя. В настоящее время по всем зарегистрированным потокам имеются данные, позволяющие прогнозировать встречу КА с ними. Характеристики некоторых метеорных потоков приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2 Характеристики некоторых метеорных потоков

* (Fmax - отношение суммарного метеорного потока к спорадическому метеорному потоку. )

Измерения, выполненные с помощью КА, показали, что на больших удалениях от Земли наблюдаются метеорные потоки и сгущения метеорных частиц, не известные по наблюдениям с Земли, и что объем имеющихся в настоящее время данных недостаточен для их предсказания с высокой достоверностью.

Метеорные частицы, которые не удается причислить к какому-либо метеорному потоку, называют метеорами фона, или спорадическими метеорами (они могут принадлежать и к слабым невыявленным метеорным потокам). Согласно одной из гипотез основным источником спорадических метеорных частиц считают пояс астероидов, а сами частицы - осколками астероидов, согласно другой - все метеоры, в том числе и спорадические, имеют комет-ное происхождение. Кроме первичных частиц, о которых говорилось выше, наблюдаются также вторичные частицы, которые выбиваются первичными метеорами при попадании в Луну.

Встречаются каменные и железные метеорные частицы, причем средняя плотность образуемых ими конгломератов составляет 0,5 г/см³.

Максимальная скорость первичных метеорных частиц относительно Солнца на расстоянии 1 а. е. равна 42 км/с, а относительно Земли, имеющей орбитальную скорость 30 км/с,-12 км/с, если частица догоняет Землю, или 72 км/с - если она летит навстречу Земле. Для расчетов принимают среднюю скорость 30 км/с.

Дробление комет, астероидов, а также крупных планет и их спутников при столкновении с метеорами приводит к заполнению всей Солнечной системы мельчайшей твердой пылью.

Корпускулярное излучение (радиация) - потоки электрически заряженных частиц высокой энергии (ядер атомов химических элементов, электронов и протонов) солнечного или галактического происхождения. Оно представляет опасность прежде всего для человека и может влиять на работу электронной аппаратуры и свойства некоторых материалов. В наземных условиях это влияние отсутствует, так как Земля защищена от потоков частиц, создающих наибольшую опасность, магнитным полем и атмосферой.

В межпланетном и околоземном пространстве корпускулярное излучение наблюдается в виде солнечного ветра, солнечного и галактического космического излучений и излучения радиационного пояса Земли.

Солнечный ветер - непрерывное радиальное истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство, содержит ∼90% протонов, ∼9% ядер гелия и 1% других более тяжелых ионов. В последнее время под солнечным ветром подразумевают измеряемый вблизи Земли поток частиц солнечного происхождения с энергией до 106 эВ.

Солнечный ветер определяет структуру и величину межпланетного магнитного поля, силовые линии которого вытянуты вдоль линий тока солнечного ветра и имеют форму спирали Архимеда, закручиваемой вращением Солнца. Это магнитное поле влияет на распределение интенсивности галактических космических лучей в Солнечной системе, препятствуя их проникновению в ее внутренние области.

Солнечный ветер благодаря давлению отклоняет хвосты комет, «выметает» из Солнечной системы газ и мельчайшие частицы космической пыли, определяет характер геомагнитных возмущений и связанных с ними других геофизических явлений, является одним из источников пополнения заряженными частицами радиационного пояса Земли.

Солнечное космическое излучение (СКИ) - интенсивные потоки частиц высокой (от 10⁶ до 2 х 10¹⁰ эВ) энергии, генерируемые Солнцем во время сильных вспышек. В состав СКИ входят в основном протоны, обнаружены также ядра с зарядом z≥2 и электроны с энергией ≥40 кэВ.

Сильные вспышки сравнительно редки и длятся не более суток, но в это время именно солнечные космические лучи определяют радиационную обстановку в межпланетном пространстве.

Галактическое космическое излучение (ГКИ) - потоки частиц, возникающие вне пределов Солнечной системы и состоящие из ∼94% протонов, ∼5,5% ядер гелия и небольшого количества тяжелых ядер. Средняя энергия частиц ГКИ, наблюдаемых около Земли, составляет 10¹⁰ эВ, причем энергия некоторых из них может достигать 10²⁰ эВ и выше, т. е. во много раз превосходит максимальную энергию, полученную на Земле с помощью ускорителей заряженных частиц. Поток частиц движется с релятивистскими (близкими к скорости света) скоростями. Его интенсивность практически одинакова во всех направлениях, увеличивается по мере удаления от Солнца (что связано с действием межпланетного магнитного поля) и имеет колебания (в 2 раза) в противофазе с изменением периодов солнечной активности.

По своей проникающей способности галактические космические лучи превосходят все другие виды излучений, кроме нейтрино.

Излучение радиационного пояса Земли - интенсивные потоки электронов и протонов, захваченных магнитным полем Земли и заполняющих всю магнитосферу*.

* (Магнитосфера - область околоземного пространства, занимаемая магнитным полем Земли. )

Захваченные частицы под действием магнитного поля совершают колебательное движение по широте (по траектории, представляющей собой спираль с переменным шагом, как бы «навивающуюся» на силовую линию) и «дрейф» по долготе (электроны смещаются на восток, протоны и другие положительные частицы - на запад), образуя так называемую радиационную зону (пояс) в виде торообразного кольца, охватывающего Землю в плоскости геомагнитного экватора на высоте от нескольких сотен до десятков тысяч километров.

Электроны и протоны различных энергий распределяются в радиационном поясе Земли дифференцированно (рис. 1.1). Электроны и протоны сравнительно низких энергий почти равномерно заполняют магнитосферу Земли. Протоны высоких энергий (Е_р≥30МэВ) с максимальной плотностью потока ∼2х10⁴ протон х с^-1х см^-2сконцентрированы в области 1-2 R_З*, т. е. в области условно выделяемого внутреннего пояса радиации, который располагается ближе к поверхности Земли, а электроны высоких энергий (Е_е≥150 кэВ) с максимальной плотностью потока ∼1 х 10⁷ электрон х с^-1х см^-2 - в области 4-5 R_З, т. е. в области условно выделяемого внешнего радиационного пояса.

* (Rз - радиус Земли, равный 6378 км. )

Рис. 1.1. Структура радиационных поясов: 1 - внутренний радиационный пояс (Е_p> 30 МэВ); 2 - внешний радиационный пояс (Е_е >150 кэВ); 3 - зона неустойчивой радиации (E_е 40 кэВ); 4 - пояс протонов малых энергий (Е_p>100 кэВ)

Область внутреннего пояса радиации практически не изменяется от солнечной и магнитной активности, тогда как область внешнего пояса заметно зависит от солнечной активности и времени суток.

Если галактические и солнечные космические лучи наиболее опасны в межпланетном пространстве, то радиационный пояс представляет наибольшую опасность при полетах в околоземном пространстве.

В магнитосфере Земли помимо естественного радиационного пояса могут существовать и искусственные радиационные пояса из заряженных частиц, образующихся в результате ядерных взрывов. Так, сравнительно слабые радиационные пояса возникли в результате взрывов, выполненных в конце лета 1958 г. по программе «Аргус» (США); радиационный пояс большой интенсивности образовался в результате американского термоядерного взрыва «Старфиш», произведенного над о. Джонстон 9 июля 1962 г. Центральная часть пояса с плотностью потока электронов более 1 х 10⁹ электрон х с^-1 х см^-2 была расположена на высоте 3000 - 6000 км от поверхности Земли в плоскости экватора. Искусственные радиационные пояса к настоящему времени практически полностью распались.

Основным источником электромагнитных излучений в Солнечной системе является Солнце.

Земная атмосфера имеет только два небольших «окна прозрачности» для солнечной радиации: «оптическое окно» (длина волн от 3 х 10^-7до 4 х 10^-7м) и «радиоокно» (длина волн от 8 x 10^-3 до 15 м). Радиоизлучение заметно ослабляется ионосферой при длинах волн от 15 до 40 м и полностью поглощается в остальной части спектра атмосферой Земли и до ее поверхности не доходит.

В космическом пространстве КА будет испытывать воздействие излучения Солнца во всем спектре длин волн. Так как интенсивность излучения Солнца в основной части спектра практически не зависит от солнечной активности, его обычно характеризуют величиной «солнечной постоянной» - потоком солнечной энергии, падающим в единицу времени под прямым углом на единичную площадку, расположенную на определенном расстоянии от Солнца. Применительно к земным условиям (т. е. к удалению от Солнца в 1 а. е.) солнечная постоянная за границей земной атмосферы Е_с = 0,136 Вт/см².

Для других областей межпланетного пространства солнечная постоянная

(1.1)

где Eс - солнечная постоянная на расстоянии в 1 а. е.;

R - расстояние от Солнца, а. е.

Излучение Солнца является основным внешним источником тепла, влияющим на тепловой режим КА.

Излучение видимой части спектра определяет условие освещенности естественных и искусственных небесных тел.

Энергия солнечного излучения может быть преобразована с помощью фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей) в электрическую энергию и использована для электропитания бортовых систем КА.

Солнечный свет оказывает давление на освещенные части тел. Давление солнечного света на площадку, перпендикулярную солнечным лучам, при условии полного поглощения определяется выражением

(1.2)

где р₀ = 4,547 х 10^-6Н/м² = 0,5 мг/м² - давление солнечного света на расстоянии 1 а. е.

Оно оказывает возмущающее действие на траекторию движения КА, причем тем больше, чем меньше масса КА и больше поверхность, на которую давят солнечные лучи. Существует идея использования давления солнечного света в двигательных системах «солнечный парус», называемых так по аналогии с обычным парусом.

Излучение с длиной волны меньше 3 х 10^-7м, называемое коротковолновым, является ионизирующим, представляет опасность для незащищенных живых организмов и может вызывать изменения поверхностных свойств материалов наружных устройств КА.

Радиоизлучение Солнца опасности для человека не представляет, но может явиться помехой для связи КА с Землей во время солнечных вспышек.