Какие силы действуют на летящий космический аппарат?

Становление и развитие космической техники началось по существу совсем недавно, каких-нибудь полтора десятка лет тому назад. Могучим движущим толчком этого развития послужил запуск 4 октября 1957 г. первого в истории человечества искусственного спутника Земли.

Конечно, когда проектировался полет первого и всех последующих спутников, а также межпланетных космических аппаратов, то специалисты космической баллистики, конструкторы ракеты должны были прежде всего оценить физическую и механическую стороны вопроса полета аппарата. Такая оценка включала качественный и количественный анализ всех действующих сил, определяющих движение ракеты от момента старта до свободного полета в околоземном или межпланетном пространстве.

Образное выражение Козьмы Пруткова "Зри в корень" полностью подтверждает то обстоятельство, что знакомство с движением космических аппаратов целесообразно начать с изучения действующих на них сил. Определение состава сил, их природы, характеристик и величин, а также анализ их влияния на движение космического аппарата является одной из важных частей космической баллистики.

Итак, предположим, что космический аппарат помещен в некоторую произвольную точку межпланетного пространства, и для этого фиксированного положения перечислим совокупность всех действующих на него сил. Из дальнейшего станет также ясным, что величины и направления действия различных по своей природе сил могут зависеть не только от положения летящего аппарата в пространстве, но и от величины его скорости полета и направления движения. Поэтому, поместив аппарат в некоторую точку пространства, мы будем одновременно полагать, что он имеет определенную скорость в известном направлении.

Из большого многообразия действующих сил прежде всего следует назвать силу притяжения. Действие этой силы мы ощущаем постоянно - стоим ли на месте, едем ли в поезде или со сверхзвуковой скоростью летим на самолете. Сила притяжения - всеобъемлющая и всепроникающая. Книга, которую вы сейчас читаете, пальцы рук, держащие книгу, ваша голова, ноги, все части тела, каждая мельчайшая частица его, клетка, атом - все притягиваются друг к другу. В равной степени они притягиваются к каждому кусочку Земли, ко всем видимым и невидимым звездам, к легким пушинкам и Солнцу, к летящей птице и неведомой далекой туманности Андромеды. Силы притяжения невидимыми нитями связывают все тела и их мельчайшие части друг с другом, образуя беспрерывную сеть, которую специалисты образно называют гравитационным полем. Вот только поэтому астрономы и баллистики говорят, что движение космического аппарата всегда происходит в гравитационном поле, т. е. пространстве, в каждой точке которого действуют силы притяжения.

Действие этих сил не остается постоянным ни во времени, ни в пространстве. Иначе говоря, если бы космический аппарат оставался в одной и той же точке пространства и мы бы каким-то образом сумели измерить величины действующих на него сил притяжения, то увидели бы, что эти силы беспрерывно изменяются. Мало того, если тот же самый аппарат перенести в другую точку пространства, то действие этих сил также изменилось бы. Такого рода беспрерывное изменение сил притяжения объясняется непрекращающимся движением всех тел, создающих гравитационное поле и одновременно находящихся в нем. Это обстоятельство, кстати говоря, существенным образом усложняет "спокойную" жизнь астрономов и баллистиков. Но конкретнее об этом будет сказано несколько позже. Важно подчеркнуть, что гравитационные силы в подавляющем числе случаев в основном предопределяют движение космического аппарата.

Рис. 1. Аэродинамические силы, действующие на космический аппарат в полете: R - полная аэродинамическая сила; Y - подъемная сила; X - сила лобового сопротивления; а - набегающий поток воздуха.

Другая часть сил, воздействующих на космический аппарат, но не вошедших в "подавляющее число случаев", возникает при движении его в достаточно близкой окрестности планеты, окруженной атмосферой. Эти силы носят аэродинамический характер. Равнодействующая всех отдельных соударений атомов и молекул, входящих в состав атмосферы, с корпусом космического аппарата носит название полной аэродинамической силы (рис. 1). Проектируя полную аэродинамическую силу на направление скорости полета аппарата и перпендикуляр к ней, получим соответственно силу лобового сопротивления и подъемную силу. Первая из этих сил направлена навстречу скорости полета и тормозит космический аппарат. Вторая - искривляет траекторию его движения. Если тело имеет ось симметрии (например конус, цилиндр) и ориентировано в пространстве так, что его ось симметрии параллельна направлению полета, то подъемная сила будет отсутствовать и останется только сила лобового сопротивления. Очевидно, что для летательных аппаратов, выполненных в виде сферы, подъемная сила будет отсутствовать всегда.

Аэродинамические силы носят локальный, местный характер. По мере удаления от поверхности планеты они будут уменьшаться, так как уменьшается плотность атмосферы. Наконец, на некоторых достаточно больших высотах атмосфера практически исчезает и вместе с нею исчезают и аэродинамические силы. В действительности же нельзя провести какую-либо воображаемую поверхность вокруг планеты и утверждать при этом, что с одной стороны поверхности, именно внутренней ее части, атмосфера есть, а с другой, наружной, - нет. Атмосфера каждой планеты, образно говоря, "дышит". Ее высота над поверхностью, плотность беспрерывно изменяются, сообразуясь со временем года, с вращением планеты вокруг собственной оси, с активностью солнечной деятельности и т. д. Это одна сторона вопроса, объясняющая, почему мы не можем установить какую-либо границу атмосферы. Другая сторона заключается в том, что атмосфера не кончается так, будто за ее последними молекулами, атомами далее ничего нет. Современные исследования показывают, что межпланетное пространство не является пустым в указанном смысле. Оно заполнено чрезвычайно разреженным газом, в нем беспрерывным потоком с громадными скоростями летят различные заряженные частицы, образуя космические лучи, и даже дует так называемый "солнечный ветер". Солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц (корпускул), выбрасываемых Солнцем в космическое пространство. По сведениям американских ученых, солнечный ветер наблюдался вдоль всей траектории полета межпланетной станции "Маринер-2". Скорость его лежит в пределах от 320 до 800 км/сек. Но плотность потока является чрезвычайно малой и составляет всего 0,6-1,25 протона и электрона в 1 см³ (напомним, что в таком объеме воздуха у поверхности Земли насчитывается 2,69х10¹⁹ молекул). Ввиду малой концентрации этих частиц они не оказывают заметного воздействия на движение космического аппарата и поэтому их влиянием, как правило, пренебрегают. Решение же вопроса о том, до каких высот следует учитывать влияние атмосферы, производится каждый раз в зависимости от конкретной ситуации. Более подробно об этом будет сказано в соответствующем месте.

По мере приближения к поверхности планеты плотность атмосферы возрастает, а это в свою очередь приводит к резкому увеличению тормозящего действия атмосферы. При космических скоростях полета, начиная с некоторых высот, аэродинамические силы могут во много раз превысить гравитационные силы и полет космического аппарата становится в дальнейшем невозможным (он упадет на планету или превратится в обыкновенный самолет). Именно по этой причине ранее было сказано, что гравитационные силы не всегда определяют возможности полета космического аппарата.

Следующая большая группа сил своим происхождением обязана электромагнитным излучениям. Напомним, что к этим излучениям относятся весь диапазон радиоволн, тепловое излучение и видимый свет. Известно, что если какое-либо тело поглощает, отражает или испускает электромагнитные волны, то вследствие этого возникают силы, действующие на это тело. Это происходит подобно тому, как ветер толкает плывущий по морю корабль. Значит, и радиостанция, стоящая на Земле и передающая сигналы для связи с космическим аппаратом или производящая измерение параметров его движения, и излучение света с Солнца и звезд, и периодические радиоимпульсы далеких и таинственных квазаров, и даже свет зажженной вами спички -- словом, все возможные излучения дружно набрасываются на одиноко летящий аппарат и каждое из них старается оттолкнуть его от себя. Вот вам наглядный пример действия закона диалектики о единстве и борьбе противоположностей: гравитационные силы одновременно и сообща, каждое тело к себе, тянут затерянный в беспредельном пространстве аппарат, не давая ему возможности улететь, а электромагнитные волны, расположенные на тех же самых телах, напротив, столь же дружно отталкивают его. Как не посочувствовать баллистикам, которые в столь невообразимом нагромождении сил и их противоречивости действия должны предугадать, больше того, даже направить движение космического аппарата. И что удивительно - им это удается!

Однако не так страшен черт, как его малюют. Из всей совокупности действующих сил, в частности электромагнитных, баллистики научились выбирать главные, наибольшие, а все остальные ввиду их малости по сравнению с выбранными отсеивать. В действительности, например, оказалось, что из всех действующих сил электромагнитного происхождения главенствующей является сила давления солнечного света (разумеется, 'При полетах в пределах Солнечной системы). Конечно, сама по себе величина светового давления является ничтожной, измеряемой малыми долями грамма. Но не следует забывать, что летящий космический аппарат находится в пустоте и поэтому малая сила при длительном непрерывном воздействии может привести к ощутимым смещениям его в пространстве.

Но это еще не все. Природа неисчерпаема в своем многообразии. На беду (баллистиков она выдвинула еще одно препятствие - это магнитные поля вокруг планет. Если летящий космический аппарат будет нести какой-либо электрический заряд, то взаимодействие этого движущегося заряда с магнитным полем в соответствии с законом Лоренца вызовет еще одну силу, которую в некоторых случаях также необходимо учитывать.

Таким образом, на летящий космический аппарат действуют три следующие основные группы сил, в 'общем случае учитываемых при расчете траекторий его движения:

- притяжение планет,

- сопротивление атмосферы,

- давление солнечного света.

Это силы естественного происхождения и поэтому их возникновение не связано с желанием и волей человека. Человек может как-то использовать их в собственных интересах. Но это уже другая сторона вопроса, относящаяся к проблемам проектирования и управления полетом.

Существует, однако, еще одна группа сил, действие которых целиком и полностью подчинено человеку. Эти силы образуются с помощью специальных ракетных двигателей, установленных на космических аппаратах. По желанию человека тяга ракетных двигателей может быть направлена в любую точку пространства и скорость полета изменена на заданную величину.

Силы естественного происхождения определяют траекторию пассивного движения космического аппарата или, как иной раз говорят, полет по инерции. Основной особенностью космических путешествий является то, что большая часть их во времени и пространстве производится с неработающими двигателями. Будучи один раз выведен на орбиту, спутник может с громадной скоростью пролететь многие миллионы километров, не истратив при этом ни капли горючего. В этом смысле космические путешествия являются самыми дешевыми.

Но, чтобы совершить такое путешествие, необходимо знать, где находится космический аппарат в данный момент и где он окажется в последующем. Автомобилист, едущий к морю, определяет свое местоположение по местным предметам. Выбор направления дальнейшего движения целиком находится в его руках. В каждый момент времени он оценивает и замечает видимые на дороге препятствия и сообразно этому координирует свое управление автомобилем. Для летящего космического аппарата свободно просматривающийся космос - "темный лес". В нем не видны ни "ямы", пи "горы", ни "реки", "моря" и "озера". Но они проявляются в виде гравитационных, аэродинамических и других сил, действующих на космический аппарат и искривляющих его траекторию. Эти силы, выступающие в качестве препятствий, нельзя увидеть, но можно рассчитать теоретически и тем самым как-то предугадать их влияние на полет.

Давайте теперь войдем в этот "темный лес" и попробуем разобраться, кем он "населен" и как в нем ориентироваться.