Файл: Авдеев, Ю. Ф. Преддверие сказочного мира. (Космос, баллистика, человек).pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 17.10.2024
Просмотров: 173
Скачиваний: 0
Ю. А вдеев
Преддверие
сказочного мира
(Космос, баллистика, человек)
Издательство «Советская Россия»
Москва — 1974
Эта группа включает математиков, специализирующихся в об ласти небесной механики, теории управления, теории вероят ностей и объединяющихся в новое научное направление, кото рое называется теорией полета искусственных небесных тел, или космической баллистикой.
Истоки зарождения космической баллистики восходят ко временам Ньютона. Однако настоящее становление она полу чила только в последние десятилетия и сейчас продолжает раз виваться во всех направлениях. О космической баллистике на писано большое количество хороших и полезных книг на мно гих языках мира. Однако популярному изложению вопросов космической баллистики, доступному неспециалисту, отводит ся еще недостаточно внимания. В связи с этим в предлагаемой книге делается попытка восполнить существующий пробел в популяризации нового научного направления и систематиче ском изложении его основных положений. По мысли автора, материал, охватывающий основные вопросы космической бал листики, целесообразно разделить на четыре основные части: 1) динамика полета; 2) маневрирование на орбитах; 3) опре деление орбит; 4) управление полетом.
В этой книге рассматривается только первая часть — дина мика полета и основные проблемы, которые стоят перед бал листиками в решении практических вопросов подготовки и обеспечения полетов космических аппаратов. Конечно, в столь ограниченном объеме трудно изложить в полной мере многие тонкие эффекты динамики полета в космическом пространстве и поэтому при выборе материала взяты лишь основопола гающие определения и особенности движения. Однако автор надеется, что после прочтения этой книги можно будет пред ставить трудности новой специальности — космической бал листики, понять ее основные проблемы и разобраться в качественной стороне вопросов динамики движения космиче ских аппаратов.
I
ДАВАЙТЕ-КА, РЕБЯТА, ПРИСЯДЕМ ПЕРЕД СТАРТОМ
Существует хороший обычай: присесть перед дальней доро гой и мысленно проверить готовность к предстоящему пу
тешествию. Приступая к изложению вопросов космической баллистики, целесообразно также придерживаться этого обы чая: прежде чем отправиться в -космический полет, необходимо провести небольшую предполетную подготовку. Говоря на язы ке летчиков, предполетная подготовка заключается в оценке ожидаемых условий полета и сопоставлении их с собственным опытом, техническими возможностями самолета и с наличием обеспечивающих полет средств.
Однако в преобладающем числе случаев главная часть под готовки заключается прежде всего в оценке условий полета (кому незнакомо объявление: вылет отменяется по метеоусло-
5
виям). Точно так же, собираясь совершить космический полет, присядем и вместе с баллистиками и конструкторами попыта емся разобраться в условиях космического полета. Здесь гла венствующую роль, очевидно, будут играть не метеоусловия, а совершенно другие, непривычные в нашей обыденной жизни, факторы. Чтобы разобраться в этом, вначале оценим физиче ские условия полета космического аппарата с точки зрения качественного характера действия различных сил. Затем рассмотрим особенности воздействия этих сил при движении космического аппарата в предместье Земли и межпланетном пространстве. Только вооружившись этими знаниями, мы в последующем сможем разобраться во всей сложности косми ческих путешествий и сознательно поступить при разрешении старта корабля или запрещении его по случаю «нелетных условий».
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 по служил запуск 4 октября 1957 г. первого в истории человечест ва искусственного спутника Земли.
Конечно, когда проектировался полет первого и всех по следующих спутников, а также межпланетных космических ап паратов, то специалисты космической баллистики, конструкто ры ракеты должны были прежде всего оценить физическую и механическую стороны вопроса полета аппарата. Такая оцен ка включала качественный и количественный анализ всех дей ствующих сил, определяющих движение ракеты от момента старта до свободного полета в околоземном или межпланет ном 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 влия ния 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 совокуп ность всех действующих на него сил. Из дальнейшего станет также ясным, что величины и направления действия различ ных по своей природе сил могут зависеть не только от поло-
6
жения летящего аппарата в пространстве, но и от величины его скорости полета и направления движения. Поэтому, поме стив аппарат в некоторую точку пространства, мы будем од новременно полагать, что он имеет определенную скорость в известном направлении.
Из большого многообразия действующих сил прежде все го 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 при тяжения — всеобъемлющая и всепроникающая. Книга, кото рую вы сейчас читаете, пальцы рук, держащие книгу, ваша го лова, ноги, все части тела, каждая мельчайшая частица его, клетка, атом— все притягиваются друг к другу. В равной сте пени 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 гра витационном 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 аппа рат 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 беспрерыв но изменяются. Мало того, если тот же самый аппарат пере нести в другую точку пространства, то действие этих сил так же изменилось бы. Такого рода беспрерывное изменение сил притяжения объясняется непрекращающимся движением всех тел, создающих гравитационное поле и одновременно находя щихся в нем. Это обстоятельство, кстати говоря, существенным образом усложняет «спокойную» жизнь астрономов и балли стиков. Но конкретнее об этом будет сказано несколько поз же. Важно подчеркнуть, что гравитационные силы в подавляю щем числе случаев в основном предопределяют движение кос мического аппарата.
Другая часть сил, воздействующих на космический аппа рат, но не вошедших в «подавляющее число случаев», возни кает при движении его в достаточно близкой окрестности пла неты, окруженной атмосферой. Эти силы носят аэродинамиче ский характер. Равнодействующая всех отдельных соударений
7
|
|
|
атомов и молекул, входящих |
|||
|
|
|
в состав атмосферы, с кор |
|||
|
|
|
пусом космического |
аппара |
||
|
|
|
та носит |
название |
полной |
|
|
|
|
аэродинамической |
силы |
||
|
|
|
(рис. 1). Проектируя пол |
|||
|
|
|
ную аэродинамическую силу |
|||
|
|
|
на направление скорости по |
|||
|
|
|
лета аппарата и перпенди |
|||
|
|
|
куляр к ней, получим соот |
|||
Р и с. 1. |
Аэродинамические |
силы, |
ветственно |
силу |
лобового |
|
действующие на космический |
аппарат |
сопротивления и подъемную |
||||
|
в полете: |
|
силу. Первая из этих сил на |
|||
R — полная |
аэродинамическая сила; У — |
|||||
правлена навстречу скорости |
||||||
подъемная сила; X — сила лобового со |
||||||
противления; а — набегающий поток воз |
полета и тормозит |
космиче |
||||
|
духа. |
|
ский аппарат. Вторая ■— ис |
|||
|
|
|
кривляет траекторию его движения. Если тело имеет ось симметрии (например конус, цилиндр) и ориентировано в пространстве так, что его ось симметрии параллельна направ лению полета, то подъемная сила будет отсутствовать и оста нется только сила лобового сопротивления. Очевидно, что для летательных аппаратов, выполненных в виде сферы, подъем
ная сила будет отсутствовать всегда.
Аэродинамические силы носят локальный, местный харак тер. По мере удаления от поверхности планеты они будут уменьшаться, так как уменьшается плотность атмосферы. На конец, на некоторых достаточно больших высотах атмосфера практически исчезает и вместе с нею исчезают и аэродинамические силы. В действительности же нельзя провести какуюлибо воображаемую поверхность вокруг планеты и утверждать при этом, что с одной стороны поверхности, именно внутрен ней ее части, атмосфера есть, а с другой, наружной, — нет. Атмосфера каждой планеты, образно говоря, «дышит». Ее вы сота 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. Сов ременные исследования показывают, что межпланетное про странство не является пустым в указанном смысле. Оно запол нено чрезвычайно разреженным газом, в нем беспрерывным потоком с громадными скоростями летят различные заряжен-
8
ные частицы, образуя космические лучи, и даже дует так на зываемый «солнечный ветер». Солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц (корпускул), выбрасываемых Солнцем в космическое пространство. По сведениям амери канских ученых, солнечный ветер наблюдался вдоль всей тра ектории полета межпланетной станции «Маринер-2». Скорость его лежит в пределах от 320 до 800 км/сек. Но плотность по тока является чрезвычайно малой и составляет всего 0,6ч-1,25 протона и электрона в 1 см3 (напомним, что в таком объеме воздуха у поверхности Земли насчитывается 2,69-ІО19 молекул). Ввиду малой концентрации этих частиц они не оказывают за метного воздействия на движение космического аппарата и поэтому их влиянием, как правило, пренебрегают. Решение же вопроса о том, до каких высот следует учитывать влияние ат мосферы, производится каждый раз в зависимости от конкрет ной ситуации. Более подробно об этом будет сказано в соот ветствующем месте.
По мере приближения к поверхности планеты плотность ат мосферы возрастает, а это в свою очередь приводит к резкому увеличению тормозящего действия атмосферы. При космиче ских скоростях полета, начиная с некоторых высот, аэродина мические силы могут во много раз превысить гравитационные силы и полет космического аппарата становится в дальнейшем невозможным (он упадет на планету или превратится в обык новенный самолет). Именно по этой причине ранее было ска зано, что гравитационные силы не всегда определяют возмож ности полета космического аппарата.
Следующая большая группа сил своим происхождением обязана электромагнитным излучениям. Напомним, что к этим излучениям относятся весь диапазон радиоволн, тепловое из лучение и видимый свет. Известно, что если какое-либо тело поглощает, отражает или испускает электромагнитные волны, то вследствие этого возникают силы, действующие на это те ло. 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 из лучение света с Солнца и звезд, и периодические радиоимпуль сы далеких и таинственных квазаров, и даже свет зажженной вами спички — словом, все возможные излучения дружно на брасываются на одиноко летящий аппарат и каждое из них старается оттолкнуть его от себя. Вот вам наглядный пример действия закона диалектики о единстве и борьбе противопо ложностей: гравитационные силы одновременно и сообща,
9