Загадки звездных островов. Книга 2 (сборник)

К. Э. Циолковский. Космический корабль (1929 г.)

Откуда взялась первая космическая скорость?

Итак, с помощью такой ничтожной тяги, как сила давления солнечных лучей, можно добраться до Марса. Но то же самое можно сделать и с помощью микродвигателей. Уже разработаны экономичные реактивные микродвигатели, у которых реактивная струя создается разгоном заряженных частиц в электростатическом поле, — ионные двигатели, работающие на принципе взаимодействия электрического тока с магнитным полем, плазменные двигатели и некоторые другие. Реактивная тяга их не превышает нескольких граммов, и они могут сообщить кораблю ускорение всего несколько мм/с², но большего ведь не требуется. Кстати, эти двигатели вовсе не обязаны работать на всем пути следования от Земли до Марса — на них возлагается более скромная задача: разогнать летательный аппарат до второй космической скорости.

Как это можно сделать практически?

От Земли корабль микродвигателями, конечно, не оторвешь — здесь нужны мощные моторы, работающие на химическом топливе. Но вот корабль оказывается на орбите, и в работу вступают двигатели малой тяги. Медленно, не спеша начинают они разгон. Траектория движения корабля описывает кривую, называемую "спиралью Архимеда". Виток за витком раскручивается спираль до тех пор, пока скорость не станет параболической, Тогда корабль может покинуть окрестности Земли и направиться к одной из планет солнечной системы.

Интересно, что первую космическую скорость определил еще Ньютон, Он рассуждал примерно так: "Представим себе, что с очень высокой горы в горизонтальном направлении кем-то брошен камень. Что случится с камнем? Он упадет на землю. А если посильнее бросить? Упадет, но дальше. А если воспользоваться каким-либо метательным орудием и с каждым броском увеличивать начальную скорость камня, что тогда?.. При некоторой начальной скорости камень не достигнет земли, он будет все время падать".

Падать, не падая! Камень превратится в искусственный спутник Земли. А та самая скорость, которая сделает его спутником, и будет первой космической. У поверхности Земли она примерно равна 8 километрам в секунду.

В своем мысленном опыте мы пренебрегли сопротивлением воздуха. Именно поэтому, прежде чем придать кораблю первую космическую скорость, его выводят за пределы атмосферы. А для чего понадобилась оговорка, что 8 километров в секунду — это не вообще первая космическая скорость (ПКС), а ПКС у поверхности Земли?

Дело в том, что если бы мы забрались на более высокую гору, то Земля притягивала бы камень слабее — ведь ее влияние убывает пропорционально квадрату расстояния от ее центра, — а это значит, что для превращения камня в искусственный спутник понадобилась бы меньшая скорость. Так оно и есть на самом деле. Величина ПКС на высоте одного земного радиуса от поверхности равна уже 5,6 километра в секунду, а на высоте трех радиусов — всего 4 километра в секунду.

Надо сказать, что получить точно круговую орбиту довольно трудно, для этого необходимо, чтобы в момент вывода аппарат имел абсолютно точную величину первой космической скорости. Если же на высоте выведения скорость будет несколько больше ПКС, то получится эллипс с перигеем в точке выведении. Если скорость будет меньше ПКС, тоже получится эллипс, по в точке выведения окажется уже апогей.

Эти баллистические особенности используются, в частности, тогда, когда надо экономично изменить высоту круговой орбиты. Если высоту надо увеличить, дается ускоряющий импульс с таким расчетом, чтобы апогей эллиптической орбиты оказался на высоте запланированной круговой. В апогее производится еще одно ускорение, и эллипс превращается в круг. При понижении круговой орбиты все манипуляции обратны: вначале производится торможение, потом полуэллиптический переход, а затем вновь торможение.

Теперь нетрудно ответить на вопрос, почему при постоянной работе ускоряющего микродвигателя аппарат движется по спирали. Да потому, что мы увеличиваем скорость не импульсом, а непрерывно. Развертывая все дальше и дальше эту спираль, можно добраться до Луны, до Юпитера, можно получить не только параболическую, но и гиперболическую скорость и вообще покинуть пределы солнечной системы. Причем все это можно сделать намного экономичнее, чем с использованием химического топлива.

"Для кругового движения скорость вычислим приблизительно в 8 километров в 1 секунду…

При еще большем увеличении скорости ракеты получается эллипс, выходящий постепенно за пределы атмосферы. Дальнейшее возрастание скорости будет растягивать эллипс все более и более, пока не обратит его в параболу…

При еще большей скорости путь ракеты — гипербола…"