Искусственный спутник Земли

Самый простой спутник — это металлический шар поперечником в несколько десятков сантиметров. Чтобы такой шар превратить в спутника Земли, необходимо, во-первых, поднять его в верхние, разреженные слои атмосферы и, во-вторых, сообщить ему соответствующую «круговую» горизонтальную скорость. Обе задачи может выполнить двухступенчатая ракета, похожая на современные (рис. 17).

Рис. 17. Простейший искусственный спутник Земли.

Первая ее ступень состоит из топливных баков и ракетного двигателя. После исчерпания всех запасов топлива первая ступень автоматически отделяется от остальной части ракеты и возвращается обратно на Землю В момент отделения первой ступени начинает действовать вторая ступень.

Ее устройство несколько сложнее. Кроме топливных баков и двигателя, в головной части ракеты помещается спутник, под которым находится некоторое количество взрывчатых веществ. В нужный момент с помощью автоматического устройства происходит взрыв, который выбрасывает спутник на круговую орбиту. Такова принципиальная сторона одного из наиболее простых проектов. Однако несмотря на всю свою простоту, описанный спутник может принести немалую пользу науке.

Представим себе, что такой спутник получил круговую скорость на высоте 200 км. Нетрудно подсчитать (см. стр. 10), что в этом случае он будет обладать линейной скоростью 7791 и периодом обращения около полутора часов. Следует заметить, что в момент выброса спутника из ракеты очень важно, чтобы спутник приобрел не только нужную круговую скорость, но и вполне определенное направление движения. Дело в том, что далеко не всякая круговая орбита будет устойчивой. Можно доказать, что спутник приобретет устойчивое движение только в такой плоскости, которая проходит через центр Земли. В противном случае, если, например, спутник начнет обращаться в плоскости какой-нибудь параллели, то либо орбита спутника сместится в одну из «устойчивых» плоскостей, либо спутник упадет на Землю.

На высоте 200 км над Землей плотность воздуха в миллионы раз меньше, чем у поверхности Земли. Это значит, что спутник, получив первоначальную скорость, будет затем двигаться, почти не встречая сопротивления атмосферы. Следовательно, спутник, обращающийся вокруг Земли на высоте 200 км, совершит достаточно большое число оборотов вокруг земного шара. Очень важно выяснить характер этого движения. Рассмотрим причины, которые на него влияют.

Главной силой, определяющей движение спутника, является сила земного притяжения. Оказывается, ее величина зависит не только от массы, но и от формы Земли. В частности, чем более сжата планета у полюсов, тем быстрее (при прочих равных обстоятельствах) будет обращаться вокруг нее спутник[8].

Астрономы по движению спутников планет определяют степень их сжатия. Так, например, исследовав движение V спутника Юпитера, советский астроном проф. К. Л. Баев нашел, что полярный радиус планеты на 8882 км меньше экваториального.

Сжатие Земли, равное отношению разности экваториального и полярного радиусов к величине экваториального радиуса, близко к 1/298. Оно определено разнообразными методами, в частности по движению Луны. Проверить, уточнить найденную величину сжатия по движению искусственных спутников очень важно в практическом отношении — чем точнее мы узнаем форму Земли, тем большей точностью будут обладать составленные затем географические карты. А карты крайне необходимы во всей практической деятельности современного человека.

На движение искусственного спутника Земли, пусть в ничтожной степени, но все же будет влиять сопротивление атмосферы. Удары молекул воздуха о поверхность спутника постепенно уменьшат его первоначальную скорость, и рано или поздно спутник упадет на Землю. Проникнув в нижние, более плотные слои атмосферы, спутник уподобится метеориту. Он раскалится до высокой температуры, оплавится, частично разрушится и, в конце концов, наблюдатели увидят пролетающий по небу искусственный метеорит.

Таким образом, благодаря сопротивлению воздуха, орбита спутника не останется круговой. Грубо говоря, она станет похожей на спираль довольно сложной формы. Изучение скорости движения спутника в каждой точке его пути, точное определение формы этого пути позволит выяснить характер сопротивления атмосферы на разных высотах, которое в свою очередь зависит от плотности воздуха, его температуры и других факторов. В этом — второй цикл научных проблем, решению которых поможет спутник.

Наконец, для межпланетных перелетов, для создания крупных заатмосферных станций очень важно выяснить, насколько часто встречаются в мировом пространстве небесные камни — метеориты. Столкновение межпланетного корабля с крупным метеоритом весом в десятки или сотни килограммов, не говоря о более крупных, может оказаться катастрофическим, Меньшие по массе метеориты способны нанести серьезные повреждения космическому кораблю.