Файл: Авдеев, Ю. Ф. Преддверие сказочного мира. (Космос, баллистика, человек).pdf

V

ПЕШЕХОД В КОСМОСЕ

Когда космонавт покидает свой корабль, он превращается

всвоеобразного пешехода. Однако поведение космического пешехода не имеет ничего общего с земным пешеходом. Его так­ же нельзя сравнить и с парашютистом, свободно падающим после отделения от самолета. Космонавт, образно говоря, не может выпасть из корабля; для этого он должен обязательно оттолкнуться. Но и последующий свободный полет, и движе­ ния относительно корабля уже не имеют также ничего общего с падающим парашютистом. Здесь движение подчиняется но­ вым закономерностям, приводящим к парадоксальным и не­ ожиданным результатам. И для того чтобы не «заблудиться», космический пешеход перед выходом в космос должен внача­ ле «научиться ходить», т. е. предугадывать и направлять свое движение, которое, как это ни странно, выглядит сложно.

167

Трудности и опасности космических «прогулок»

Слово «прогулок» мы поставили в кавычки, поскольку дель выхода в космос на самом деле не прогулка, а подготовка к последующей работе. В будущем, например, предполагается, что человек будет участвовать в монтаже орбитальных стан­ ций из частей, доставляемых с Земли. Человек выходит в кос­ мос также для пересадки с одного корабля на другой, как это было выполнено при полете кораблей-спутников «Союз-4» и

«Союз-5».

Однако выходу из корабля в открытый космос, этой про­ стой, на первый взгляд, операции, предшествует решение це­ лого комплекса сложных научных и технических проблем, свя­ занных прежде всего с обеспечением жизнедеятельности чело­ века. Человек, «венец природы», оказывается незащищенным перед условиями космоса. Вакуум грозит удушьем. Из-за нич­ тожно малого давления атмосферы (оно составляет миллион­ ные доли от давления у Земли) кровь закипает в жилах. Пря­ мые солнечные лучи острыми слепящими стрелами обжига­ ют обращенную к ним часть тела, в то время как часть тела, находящаяся в тени, недопустимо охлаждается. Слепящее солнце не позволяет открыть глаза, яркость его сильнее дуги электросварки. Все пространство и человек пронизываются мощными потоками космических излучений.

Для защиты человек надевает скафандр, снабженный спе­ циальными системами, которые поглощают выдыхаемый угле­ кислый газ и пополняют запас кислорода внутри скафандра, а также поддерживают привычную для человека температуру. Светофильтр гермошлема ослабляет слепящие лучи Солнца, защищая глаза. Оболочка скафандра задерживает опасные для человека космические излучения, но в то же время делает­ ся достаточно гибкой, чтобы можно было легко двигаться. Вы­ ход в космос советских космонавтов —• А. Леонова, А. Елисее­ ва, Е. Хрунова, а также пребывание американских космонав­ тов на Луне подтвердили возможность защиты человека от ус­ ловий космоса и выполнения ими определенной работы.

Существует, однако, группа проблем совершенно иного ро­ да, связанная также с выходом космонавта в открытый кос­ мос. На космонавта, который отделился от корабля, будут дей­ ствовать те же силы, что и на корабль, но уже отдельно от корабля. К этим силам, кроме того, добавятся еще силы вза­ имного притяжения космонавта и корабля. Как будет двигать­ ся космонавт относительно корабля? Каковы особенности их взаимного движения? Возможно ли удаление космонавта от

168

корабля и при каких условиях обеспечивается возвращение его на корабль? Это далеко не полный перечень всех вопросов, возникающих перед специалистами, которые готовят космиче­ скую «прогулку».

Чтобы разобраться в этих вопросах, необходимо понять ос­ новные закономерности движения космических кораблей, осо­ бенности отделения космонавта от корабля и его последующе­ го полета. Первую часть поставленного вопроса, а именно: за­ кономерности движения космических кораблей, мы уже рас­ смотрели выше. Теперь задача состоит в детальном изучении нового качества движения — так называемого относительного движения космонавта и корабля.

Принципиальной особенностью относительного движения в космосе является то, что его нельзя проиллюстрировать при­ вычной и понятной земной аналогией. Ближе всего к космосу находятся самолеты и летчики. Однако нельзя, например, отождествить полет самолета и спутника, сближение космиче­ ских кораблей со сближением самолетов, полет строем само­ летов и космических кораблей, прыжок парашютиста и отде­ ление космонавта от корабля. Для того чтобы показать, во что выливается это различие, какие трудности возникают при этом, ниже рассматриваются задачи, связанные с динамикой движения космонавта и корабля.

Можно ли пренебречь притяжением космонавта и корабля

Основное отличие свободного полета космонавта от полета произвольного космического аппарата с точки зрения небесной механики — это наличие взаимных сил притяжения между ко­ раблем, от которого отделился космонавт, и космонавтом. Космический корабль-спутник — материальное тело с опреде­ ленной массой — можно также рассматривать как миниа­ тюрную планету, и поэтому для него может быть определена сфера действия, внутри которой проявляется в основном толь­ ко сила тяготения самого корабля. О сфере действия мы уже упоминали неоднократно: если какое-либо тело (в данном слу­ чае космонавт) находится вне сферы действия, то влиянием притяжения его можно пренебречь. Расчеты показывают, что радиус сферы действия космических аппаратов чрезвычайно мал и не превышает несколько сантиметров. А это значит, что сфера действия корабля расположена внутри его, так как именно от центра масс корабля ведется отсчет радиуса. Есте­ ственно, что космонавт не может «войти» в сферу действия своего корабля.

169

Расчеты также показывают, что вторая космическая ско­ рость даже на корабле весом 100 т составляет только доли мм/сек. Значит, космонавт, оттолкнувшись от корабля даже со сравнительно небольшой скоростью, покинет его и при этом не сможет рассчитывать на возвращение к кораблю только за счет взаимного при.тяжения. В то же время космонавт не смо­ жет существенно изменить орбиту своего первоначального (вместе с кораблем) движения, поскольку скорость отталкива­ ния едва ли превысит нескольких метров за секунду, т. е. она во много раз меньше скорости полета корабля. В итоге космо­ навт станет самостоятельным искусственным спутником Земли, движение которого будет определяться главным образом пер­ воначальной (вместе с кораблем) орбитой, но также, в не­ большой степени, направлением и силой отталкивания.

Таким образом, ввиду небольшого отличия орбит корабля и космонавта для описания траектории движения космонавта при отделении с корабля, совершающего полет по круговой или близкой к круговой орбите, применима описанная ранее теория почти кругового движения. Когда речь шла о почти круговом движении, то оно было представлено суммой двух слагаемых, одно из которых отражает полет по основной ор­ бите, а второе — добавку к нему. Нас, очевидно, как раз будут интересовать эти самые малые добавки, поскольку они определят положение космонавта относительно корабля, остав­ шегося на первоначальной орбите. Вот на этом основании и

гвведем специальную систему отсчета, ука­ зывающую местоположение космонавта относительно корабля.

Человек, идущий по Земле, обычно оценивает свое движение относительно видимых у дороги предметов, которые представляются по существу своеобраз­

170

стему координат баллистики часто называют транспортируе­ мой, подчеркивая тем самым, что она перемещается вместе с космическим объектом, т. е. он как бы является «транспортом» для «перевозки» системы координат.

Расстояние от корабля до космонавта будем обозначать буквой р, а проекции прямой, соединяющей космонавта и ко­ рабль, на оси координат — соответственно рг, рп, рь-

Скорость отделения космонавта от корабля будем считать достаточно малой по сравнению со скоростью полета корабля. При движении по орбите спутника Земли с высотой 200 км скорость корабля составит около 8 км/сек, а космонавт может оттолкнуться от корабля со скоростью нескольких метров в се­ кунду. Начальную скорость отделения космонавта от корабля будем впредь обозначать w0, а ее проекцию на оси координат через wT0, wno, wь0. Если эти проекции совпадают по направле­ нию с положительными направлениями осей транспортируемой системы координат, то им приписывается знак плюс, для ха­ рактеристики противоположного направления перед ними ста­ вится знак минус.

Космонавт может отделиться от корабля либо с помощью специального ракетного двигателя, либо отталкиваясь от него ногами. В последнем случае необходимо отметить, что сила толчка космонавта будет воздействовать как на него самого, так и на корабль. Следовательно, при отделении космонавта с некоторой скоростью корабль также сместится, но в противо­ положном направлении. При этом скорость смещения корабля будет во столько раз меньше, во сколько раз его масса превы­ шает массу космонавта. При массе корабля 10 т, космонавта — 100 кг и отделении его со скоростью 1 м/сек корабль приобре­ тет дополнительную скорость всего 1 см/сек. Это приведет к ничтожному изменению орбиты, которым можно пренебречь.

Для простоты изложения (имея в виду сделанные ранее за­ мечания) полагается, что отделение космонавта производится с некоего космического корабля, совершающего полет по кру­ говой орбите искусственного спутника Земли. Одновременно принимается, что Земля является сферой, а сопротивление ат­ мосферы и притяжение других планет пренебрежимо малы по справнению с силой притяжения Земли. Такие допущения, как известно, не искажают качественной картины относительного движения, но позволяют существенным образом упростить по­ следующие рассуждения.

На первых порах будем следить за полетом космонавта, ли­ шенного индивидуального реактивного двигателя, т. е. попы­ таемся выяснить, как будет двигаться в космосе «безмотор­

171

ный» пешеход. А для того чтобы рассмотреть это движение з чистом виде, будем считать, что космонавт не связан со своим кораблем каким.-либо тросом (фалом). Это, разумеется, лишь мысленный эксперимент, и мы будем проводить его, не счита­ ясь с требованиями безопасности.

Итак, космонавт, выйдя в открытый космос, оттолкнулся от корабля. Куда же он полетит?

Космонавт может оттолкнуться от корабля в любом направ­ лении. Здесь мы предположим, что он оттолкнулся в направле­ нии нормали к плоскости орбиты. Образно говоря, космонавт «стал» ногами на плоскость орбиты и затем «подпрыгнул». Попробуем определить видимую с корабля траекторию после­ дующего движения космонавта.

В поисках ответа вы, наверное, захотите сделать некий ка­ чественный прогноз: с течением времени космонавт будет все дальше уходить от корабля. Так подсказывает здравый, зем­ ной смысл. Но так ли это произойдет в космосе?

На рис. 42 показана орбита корабля и точка а отделения космонавта. После отделения космонавта вектор его скорости поворачивается вокруг оси Оа на угол а. А это означает, что

мали к плоскости ор­ стей будет всегда проходить через точку биты. отделения космонавта от корабля и центр

172