Способы управления положением космонавта в пространстве

...Космонавт вышел в открытый космос, включил двигатель, и, к своему удивлению, вместо направленного движения вдруг стал вращаться непонятным образом. Отчего это произошло?

Рис. 52. Схема движения космонавта при различных случаях приложения тяги: Р - направление действия тяги; ЦМ - центр масс

Чтобы разобраться в этом, давайте рассмотрим более подробно процесс движения космонавта под действием тяги двигателя. Реактивный двигатель может быть различным образом прикреплен к космонавту. Однако во всех случаях место его крепления должно быть таким, чтобы в струю газов не попадали части тела космонавта и он мог свободно обозревать пространство, в направлении которого происходит движение. Поэтому двигатель целесообразно устанавливать на спине, струя газов будет выбрасываться назад, а реактивная сила станет как бы толкать космонавта в спину. Однако этого еще недостаточно для обеспечения нормального полета. Характер движения космонавта будет зависеть от взаимного положения линии действия тяги и его центра масс. Если линия действия тяги проходит через центр масс (рис. 52, а), то движение будет происходить в направлении действия тяги. Пусть теперь центр масс не лежит на этой линии (рис. 53). Для выяснения характера движения воспользуемся следующим приемом. Приложим к центру масс две равные, но противоположные по направлению силы Р₁ и Р₂. Они взаимно уравновешены и поэтому не влияют на движение космонавта. Совместное действие трех сил Р, Р₁ и Р₂ можно условно разделить на две группы. Первая группа сил Р, Р₂, равных по величине и противоположных по направлению, создает вращающий момент, равный Ph, который закручивает космонавта вокруг центра масс. Во вторую группу входит только сила Р₁, которая приложена к центру масс и двигает космонавта вперед.

Рис. 53. Схема действия сил на космонавта

Таким образом, результирующее движение космонавта будет слагаться из вращательного и поступательного. В зависимости от взаимного положения линии действия и центра масс космонавт может "кувыркаться" вперед (рис. 52, б) или назад (рис. 52, в).

Угловые скорости вращения космонавта и величины углов, на которые он развернется, зависят от времени работы двигателя и величины 1г. Например, при h = 1 см через 1 мин после включения двигателя, который развивает тягу, равную 0,1 кг, космонавт развернется на 36°. Но одновременно двигатель будет поворачиваться вместе с космонавтом и вместо прямолинейного полета космонавт начнет двигаться по спирали, вращаясь вокруг собственного центра масс все с большей и большей скоростью. Через три минуты такого полета скорость его вращения достигнет уже одного оборота за секунду. За счет центробежных сил кровь начнет отливать от центра туловища к голове и ногам. Если вовремя не прекратить такое вращение, оно может привести к печальным последствиям.

Отсюда сразу же возникает вопрос - что должен сделать космонавт, чтобы предотвратить вращение? Этого можно достигнуть несколькими способами. Одним из способов является использование второго двигателя, установленного на некотором расстоянии от первого (например, у головы или на ногах). В этом случае, регулируя тягу второго двигателя, можно всегда компенсировать вращающий момент, создаваемый первым двигателем.

Другой способ заключается в изменении направления действия тяги двигателя. Для этой цели двигатель должен быть подвешен к спине космонавта с помощью шарнира, а к корпусу его жестко прикреплена ручка, вращая которую космонавт

может изменять направление оси сопла, то есть направление действия тяги (рис. 54). В рассматриваемом случае наиболее просто решается вопрос об изменении направления движения космонавта и повороте его в любую сторону. Если, например, ручку повернуть вверх, то космонавт начнет вращаться против часовой стрелки. После достижения заданного углового положения ручка наклоняется вниз для прекращения вращения и после остановки возвращается в исходное положение. В результате выполнения этих операций космонавт уже будет двигаться в другом направлении, причем без вращения. Точно так же решается вопрос поворота "направо" и "налево" путем вращения ручки соответственно в левую и в правую стороны.

Рис. 54. Схема управления направлением действия тяги

Рис. 55. Управление положением центра масс

Существует, наконец, еще один способ предотвратить вращение и осуществить управление направлением движения. Этот способ основывается на изменении положения центра масс относительно вектора тяги двигателя. Для того чтобы изменять направления движения (или вращения), космонавту достаточно поднимать или опускать руки, а также поджимать к животу или выпрямлять ноги. Так, если космонавт поднимет руки, то центр масс его сместится вверх и он начнет разворачиваться по часовой стрелке (рис. 55, б). Наоборот, при опускании рук его вращение будет происходить в противоположную сторону (рис. 55, в).

Аналогичным образом, если необходимо развернуться вправо, то космонавт должен вытянуть вбок правую руку. После достижения заданного поворота правая рука прижимается к туловищу, а вытягивается левая, за счет чего прекращается вращение. Затем рука возвращается в исходное положение. За счет поднятия и опускания рук центр тяжести масс может сместиться вверх или вниз соответственно до 3 см, а за счет поджатия ног к животу или их выпрямления - до 6 см, т. е. диапазон смещения центра масс составит ±9 см.

Физические упражнения оказываются необходимыми космическому пешеходу не только для поддержания его здоровья.

Умея ориентировать свое положение в пространстве, космонавт может направить вектор тяги двигателя в любом заданном направлении. Подобно тому, как путник, шагающий по Земле, ориентирует свое движение относительно местных предметов и тем самым выдерживает желаемый маршрут, точно так же должен каким-то образом ориентировать свое положение в пространстве и космонавт. Иначе движение его будет хаотичным и он не будет знать траектории своего движения. В качестве таких ориентиров он может использовать Землю, Солнце, Луну или хорошо видимые звезды и относительно их выдерживать направление действия тяги двигателя. В этом случае траектория его движения будет однозначно определена.

Правда, здесь мы не ставим вопрос о том, что должен делать космонавт для того, чтобы, управляя своим двигателем, попасть в заданную относительно корабля точку пространства (например, пересесть на другой летящий в стороне корабль). Решения такого рода задач являются довольно сложным делом и могут служить предметом отдельного разговора. В этой же книге мы будет лишь изучать "походку космонавта", т. е. рассматривать траектории его движения при заданном направлении действия тяги.

С чисто практической точки зрения, исходя из возможностей осуществления ориентации, любопытны два случая движения при непрерывно работающем двигателе: вектор тяги ориентирован относительно Земли и вектор тяги ориентирован относительно звезд. В первом случае этот вектор будет вращаться в пространстве вместе с космонавтом при полете его по орбите спутника, отслеживая Землю. Во втором он будет неподвижен в пространстве, все время оставаясь направленным на одну и ту же звезду или планету.

Таким образом, мы рассмотрели возможные способы управления вращением космонавта относительно собственного центра масс, а также изменения направления его движения. Космический пешеход, конечно, хорошо знает эти способы и во всеоружии пускается в путь. Но и здесь его ожидает масса неожиданностей, о которых вы узнаете ниже.