Полет к Венере

Таинственный манящий блеск Венеры мы можем наблюдать то вечером, то утром. В глубокой древности люди принимали Венеру за две звезды: вечернюю - Веспер и утреннюю - Люцифер. Однако древнегреческому ученому Пифагору уже было известно, что в действительности это только одна звезда. Позднее этой яркой звезде присвоили имя богини любви и красоты - Венеры, как бы воплотившей в себе образ прекрасной недоступной женщины. Не случайно в качестве обозначения Венеры астрономы избрали изображение ручного зеркала - эмблемы женственности и красоты.

В результате многовековых наблюдений было установлено, что Венера движется вокруг Солнца почти по круговой орбите на среднем расстоянии от него в 108 миллионов километров, совершая полный оборот за 224 суток 16 часов 49 минут. Средняя скорость ее движения по орбите составляет 35 км/сек.

Венера - ближайшая к нам соседка из внутренних планет Солнечной системы. Ее орбита расположена внутри орбиты Земли. Плоскости орбит этих планет пересекаются под небольшим углом, составляющим всего около 3,5 градуса. Взаимное расположение Земли и Венеры непрерывно меняется из-за различия их периодов обращения вокруг Солнца. Поэтому в. процессе орбитального движения Венера периодически занимает относительно Солнца и Земли два диаметрально противоположных положения, получивших названия нижнего соединения (Венера находится между Солнцем и Землей) и верхнего соединения (Солнце находится между Землей и Венерой). Минимальное расстояние между Землей и Венерой, соответствующее нижнему соединению, составляет около 42 миллионов километров, а максимальное, в верхнем соединении, - 258 миллионов километров. Нижнее соединение, как и верхнее, повторяется через 584 суток. Точно через такой же период времени повторяется и любое другое взаимное положение планет и это определяет периодичность запусков космических станций к Венере.

Из-за несовпадения плоскостей орбит Земли и Венеры в момент нижнего соединения Венера чаще всего отклоняется вверх или вниз (по отношению к плоскости орбиты Земли) от прямой, соединяющей центры планет. Однако существуют такие соединения, когда Венера все же оказывается на этой прямой. Они именуются явлением прохождения Венеры через диск Солнца. Эту картину можно наблюдать даже невооруженным глазом. Но стать свидетелем этого интересного явления может далеко не каждый желающий, поскольку периодичность его составляет последовательность 8 и 105,5 лет; 8 и 121,5 лет. Последний раз это явление наблюдалось 9 декабря 1874 года и 8 декабря 1882 года. Оно повторится вновь только 8 июня 2004 года и 6 июня 2012 года.

Исследованию Венеры с помощью автоматических межпланетных -станций предшествовало решение целого комплекса сложнейших научно-технических проблем. С позиций космической баллистики эти проблемы сводятся к следующему:

1. Выбор способа старта с Земли, обеспечивающего возможно меньшую скорость движения станции в конце активного участка полета. Это позволит вывести на траекторию полета к Венере наибольший полезный груз и снизить стартовый вес и габариты ракеты.

2. Определение такого режима полета станции и времени старта, чтобы, преодолев силу земного притяжения и в последующем двигаясь под действием силы протяжения Солнца, она могла бы в заранее назначенной точке космического пространства встретиться с Венерой.

3. Выбор времени полета. При слишком большой продолжительности полета возрастает опасность столкновения станции с микрометеорами и вероятность выхода из строя элементов аппаратуры 'Станции под воздействием факторов космической среды. При этом время достижения Венеры должно быть выбрано так, чтобы в момент входа станции в атмосферу Венеры она должна быть видна из центра дальней космической связи, расположенного на территории Советского Союза.

4. Определение такого расположения Земли и Венеры и соответствующий ему межпланетной траектории, чтобы в момент встречи Венера была возможно ближе к Земле. Этим обеспечивается надежность радиосвязи на заключительном этапе полета станции.

5. Выбор такой траектории полета, чтобы скорость входа станции в атмосферу Венеры была по возможности наименьшей. При этом уменьшаются перегрузка и величина нагрева, воздействующие на спускаемый аппарат, что позволит уменьшить вес его конструкции и теплозащиты.

Конечно, некоторые из этих требований являются противоречивыми и их невозможно удовлетворить все одновременно. Поэтому перед баллистиками возникает задача отыскания некоего компромиссного решения, отвечающего в какой-то степени всем выдвинутым требованиям. В силу этих причин выбор траектории полета к Венере является довольно сложным делом, связанным с многочисленными расчетами и анализом получающихся результатов.

Вся траектория межпланетного полета может быть условно разделена на три следующих основных участка:

- полет в сфере действия Земли;

- движение под притяжением только одного Солнца;

- полет в сфере действия планеты-цели (Венеры). Такое разделение траектории носит условный характер и возникло только из-за того, чтобы как-то упростить решение задачи расчета ее. Мы уже не раз говорили о том, что даже такая "простая" задача, как движение космического аппарата под влиянием притяжения только Земли и Луны, представляемых в виде материальных точек, не имеет аналитического решения и поэтому может быть исследована только численными методами. В межпланетном полете условия задачи еще больше усложняются. Здесь в качестве действующих сил выступают, кроме Земли и Луны, еще Солнце и планеты Солнечной системы. В настоящее время отсутствуют даже какие-либо намеки на возможность отыскать решение этой задачи. Поэтому инженерам приходится довольствоваться одними численными, методами. Но численные методы, как мы уже знаем, при расчетах большого числа вариантов межпланетных траекторий очень трудоемки даже для современных быстродействующих электронных вычислительных машин. В силу этого обстоятельства баллистики и избрали упрощенный, приближенный способ расчета траектории, основывающийся на том, что вся траектория разбивается на участки по сферам действия планет. Внутри каждого участка для описания движения стала применимой теория эллиптического движения, т. е. на вооружение были взяты конечные формульные зависимости, значительно упрощающие и ускоряющие процесс расчета траектории. Разумеется, получающийся при этом результат носит приближенный характер, но по своей точности он, как правило, удовлетворяет требованиям проектирования полетов и качественного анализа характеристики движения. Когда же дело касается расчета траектории полета станции, то, конечно, здесь в обязательном порядке привлекаются строгие численные методы.

Рассмотрим теперь особенности и характеристики траекторий полета к Венере.

Старт с Земли. Старт с Земли в силу тех же самых причин, которые были рассмотрены при старте космических аппаратов с целью полета к Луне, целесообразно проводить с орбиты спутника Земли. Именно по этому способу начинали свое космическое путешествие советские и американские станции, направлявшиеся к Венере или Марсу. Итак, предположим, что, покинув орбиту спутника Земли и достигнув второй космической скорости, станция устремилась в космическое пространство. Имея громадный запас кинетической энергии, она начнет быстро удаляться от Земли. Однако за счет непрекращающегося притяжения Земли с каждой секундой и с каждым километром высоты скорость станции будет уменьшаться. На высоте 1000 км она снизится до 10,403 км/сек. Конечно, по мере роста высоты притяжение Земли будет убывать и поэтому темп уменьшения будет снижаться. На высоте 10000 км скорость полета станет 6,983 км/сек, а по достижении высоты 100000 км она составит всего 2,740 км/сек. Непрерывно-уменьшая свою скорость, станция будет постепенно удаляться от Земли, но когда дойдет до границы сферы действия Земли, ее запас кинетической энергии будет практически исчерпан.

Поэтому скорость станции относительно Земли окажется очень малой... Значит, достигнув второй космической скорости, станция, преодолев силу земного тяготения, не упадет обратно на поверхность Земли, но и не удалится от ее орбиты, начав двигаться вокруг Солнца по почти одинаковой с Землей орбите.

Отсюда следует, что для полета к Венере или Марсу необходимо стартовать от Земли со скоростью, превышающей вторую космическую. Тогда, покинув Землю, за границей сферы ее действия станция будет иметь некоторый запас скорости, достаточный для искривления орбиты и достижения планеты-цели. Забегая вперед, можно сказать, что для полета к Венере станция за пределами сферы действия Земли должна иметь скорость относительно Земли 2,494 км/сек. Для этого ракета должна стартовать с Земли со скоростью 11,464 км/сек, т. е. полет внутри сферы действия Земли будет совершаться по гиперболической траектории. Для полета к Марсу потребуется скорость удаления от Земли не менее 2,943 км/час, а скорость отлета соответственно должна быть равна 11,570 км/сек.

Понятно, что величина скорости старта с орбиты спутника Земли для полета в межпланетное пространство будет существенным образом зависеть от высоты этой орбиты.

Потребная скорость старта для достижения одной и той же скорости удаления с ростом высоты спутника уменьшается. Например, для полета к Венере при старте с орбиты спутника высотой 200 км необходима скорость отлета 11,296 км/сек, а со стационарной орбиты (H = 35809,4 км) - 5,015 км/сек.

Если старт производить с Луны, то ракета должна вначале преодолеть притяжение Луны, а затем, выйдя из сфер ее действия, - притяжение Земли. Несмотря на это, скорости отлета от Луны для достижения заданной скорости удаления от Земли получаются значительно меньшими. Например, для полета к Венере с оптимальной скоростью удаления (2,494 км/сек) от Земли при старте с орбиты спутника Земли потребуется скорость 11,296 км/сек. В то же время при старте с поверхности Луны она уменьшится до 3,017 км/сек. Эти данные сулят заманчивые перспективы использования Луны в качестве естественного космодрома нашей планеты. Развивая идеи К. Э. Циолковского, еще в 30-х годах эта мысль была высказана одним из его первых последователей Ю. В. Кондратюком. Главное преимущество старта с Луны или ее спутников заключается в требовании значительно меньших скоростей отлета.

Рис. 93. Траектория прямого полета с Земли на Венеру: 1 - Земля; 2 - траектория полета космического аппарата; 3 - Венера в момент прилета аппарата; 4 - Венера в момент старта аппарата с Земли

Межпланетная траектория. Самый простой путь к Венере - полет по наикратчайшему расстоянию. Он может быть осуществлен, если станция, образно говоря, будет "падать" на Венеру с высоты орбиты Земли (рис. 93). Чтобы попасть в Венеру, в момент встречи со станцией она должна находиться в нижнем соединении. "Падение" станции на Солнце может начаться только тогда, когда скорость ее движения по орбите вокруг Солнца после старта с Земли должна равняться нулю. Так как Земля движется вокруг Солнца со скоростью 29,76 км/сек, то станции при отлете с Земли необходимо сообщить именно эту скорость, но направить ее навстречу орбитальному движению нашей планеты. Кроме того, необходимо еще добавить скорость на преодоление силы земного притяжения. Расчеты показывают, что в этом случае при старте промежуточной орбиты спутника Земли станция должна приобрести скорость, обеспечивающую "падение" на Солнце, - около 31,8 км/сек. На современном уровне развития ракетной техники это пока недостижимая величина. Но если все же допустить возможность получения такой скорости, то станция в своем "падении" преодолеет расстояние между планетами, равное 42 млн. км, всего за 25 суток. Однако существует еще один недостаток, связанный с перелетом на Венеру по кратчайшему пути. В момент встречи станции с планетой наземные пункты управления не смогут принять с борта станции никакой информации. Станция по отношению к Земле будет проектироваться на диске Солнца, и мощные солнечные излучения поглотят в себе слабые сигналы станции.

В силу указанных причин специалистами стали изучаться иные траектории полета к Венере, соответствующие минимальной скорости отлета. Строгий математический анализ показал, что энергетически оптимальной траекторией является эллипс, в одном из фокусов которого лежит Солнце. Афелий этой орбиты (напомним, что афелий есть точка эллиптической орбиты, наиболее удаленная от Солнца, а перигелий - наименее удаленная) должен касаться орбиты Земли, а перигелий - орбиты Венеры (рис. 94). Траектория полета к Венере будет иметь следующие характеристики:

- скорость старта с орбиты спутника Земли 11,46 км/сек;

- скорость удаления от Земли 2,49 км/сек;

- пройденный путь до момента достижения Венеры 804,2 млн. км;

- продолжительность полета 146,1 суток;

- расстояние между Землей и Венерой в момент прилета станции 90 млн. км.

Рис. 94. Орбита перелета с Земли на Венеру с минимальным расходом топлива: 1 - точка старта с Земли; 2 - точка прилета на Венеру; 3 - орбита перелета

Однако, несмотря на хорошие энергетические данные, полет по такой траектории имеет и свои недостатки.

Первый недостаток заключается в сложности вывода станции на орбиту. Для выхода на такую орбиту на границе с сферой действия Земли станция должна иметь Скорость примерно 2,5 км/сек и должна быть направлена строго в сторону, противоположную движению Земли. Ошибка в скорости выведения всего в 1 м/сек приведет к тому, что станция пролетит мимо Венеры на расстоянии 70 тыс. км.

Второй недостаток состоит в относительно большой продолжительности полета, составляющей 5 месяцев, и в значительном расстоянии между планетами в момент встречи с Венерой. К настоящему времени ракетная техника сделала заметные успехи, и на повестку дня стали ставиться вопросы сокращения продолжительности полета в ущерб экономии энергии. Поэтому полеты с минимальной скоростью уже не рассматриваются как единственно возможные. Пути сокращения времени полета вышли из кабинетов баллистиков и конструкторов и реализуются на практике. Продолжительность полета станций "Венера-5" и "Венера-6" составляла немногим более трех месяцев вместо требуемых условиями минимума энергии пяти месяцев полета.

Траектории полета, отличающиеся различной продолжительноностью, занимают некоторое промежуточное положение между оптимальной (продолжительность 146 суток) и прямолинейной (продолжительность 25 суток). Исходя из весовых и конструктивных соображений, а также учитывая возможности работы средств наземного командно-измерительного комплекса, были выбраны траектории продолжительностью 3 - 4 месяца. Тогда расстояние между Землей и Венерой в момент встречи оказывается равным примерно 70 млн. км. Солнце при этом не мешает радиосвязи. Этим характеристикам перелетной траектории отвечает определенная конфигурация планет: Земля в момент отлета станции должна опережать Венеру в угловом движении вокруг Солнца примерно на 45° (рис. 95). Отсюда также вытекает возможная периодичность запуска станций -584 суток, поскольку спустя это время взаимное положение планет повторяется. Однако отклонение от относительного времени старта в ту или иную сторону на несколько суток практически мало сказывается на энергетике полета и только этим объясняется, что для взлета станций "Венера-5" и "Венера-6" были выбраны даты 5 января и 10 января 1969 года. Продолжительность полетов для этих стартов составили соответственно 131 и 127 суток, так что при стартах станций с интервалом в 5 суток прилет их к Венере произошел с интервалом в 1 сутки.

Рис. 95. Межпланетная орбита при полете с Земли на Венеру за 70 суток: 1 - Земля в момент старта; 2 - Земля в момент прилета на Венеру; 3 - Венера в момент старта с Земли; 4 - Венера в момент прилета на нее

Выбор траекторий и режимов полета межпланетных космических кораблей является чрезвычайно ответственной и вместе с тем увлекательной научной задачей. В этой области баллистики много сделал наш замечательный соотечественник, энтузиаст и фанатик космических идей К. 3. Циолковский, создавший принципиальные решения основных вопросов космической техники и баллистики. Дальнейшее развитие вопросов межпланетных путешествий выполнили советские ученые Ф. А. Цандер, Ю. В. Кондратюк, А. А. Штернфельд, немецкие ученые В. Роман и Г. Oбepт. В настоящее время количество работ, посвященных этому направлению, значительно умножилось. Вспомните, например, весьма обстоятельную книгу К. Эрике "Космический полет" или многочисленные работы нового поколения советских ученых Д. Е. Охоцимского, В. А. Егорова, Ю. А. Рябова и многих, многих других.

Однако бурное развитие техники, накопление опыта межпланетных полетов ставит перед всеми специалистами, готовящими и обеспечивающими полет космических аппаратов, новые, более сложные проблемы. В решении их не последнюю роль играет и космическая баллистика. Дальнейший прогресс ее - дело ближайшего будущего.