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

■следствие из результатов решения следующей задачи: что п р о и з о й д е т с З е м л е й , е с л и к о с м о н а в т в ы й д е т из к о р а б л я ?

По первому впечатлению — вопрос звучит странно. Какая, казалось бы, существует связь между Землей и выходом кос­ монавта из корабля. Конечно, когда А. Леонов выходил из корабля в открытый космос, то на Земле этот эпизод расцени­ вался как эпохальное событие и Земля, люди Земли торже­ ственно встретили своего посланца. Но речь, разумеется, будет идти не об этом. Давайте на выход космонавта из корабля по­ смотрим с иных позиций, а именно с точки зрения механики.

Для этой цели нам придется вспомнить одну давно извест­ ную закономерность движения материальных тел, связанную с движением центра масс. Об этом мы, в частности, вспомина­ ли в только что решенной задаче, где речь шла о движении центра масс системы, состоящей из двух шариков, пружины и Земли. Теперь обобщим это понятие. Представим себе, что в космическом пространстве совершает свободный полет неко­ торое число тел. Между этими телами могут действовать про­ извольные внутренние силы, а действие каких-либо внешних сил отсутствует. Например, когда наши рассуждения будут ка­ саться Земли и космических кораблей, то этим самым предпо­ лагается, что влияние притяжения Солнца, Луны, всех планет Солнечной системы и звезд отсутствует. Земля, словно одино­ кий странник, совершает полет как бы в пустом беспредель­ ном пространстве.

Относительно движения указанной системы тел теоретиче­ ская механика определила следующую закономерность: центр масс системы тел совершает равномерный и прямолинейный полет независимо от действия внутренних сил и расположения тел в системе. Иначе говоря, как бы эта система ни вращалась, как бы внутри ее ни происходили перемещения отдельных тел, центр імасс ее будет двигаться по раз и навсегда заданной пря­ молинейной траектории. С некоторым приближением можно считать, что Солнечная система (центр масс ее) движется не­ зависимо от расположения планет внутри нее.

Вернемся, однако, к нашей задаче, т. е. к космонавту, ко­ раблю и Земле. Когда космонавт находится внутри корабля, то центр масс этой простейшей системы будет расположен на ■отрезке прямой линии, соединяющей корабль и центр Земли. Конечно, вес Земли во много раз превышает вес корабля и по­ этому центр масс их будет расположен где-то очень близко от центра Земли (рис. 64). После того как космонавт вышел из корабля, наша система стала состоять уже из трех тел. Для

Рис . 64. Система космический аппарат (2) — Земля (1) — космонавт (3).

ЦМ — положение центра масс системы.

определенности положим, что космонавт оказался над кораб­ лем (рис. 64). Значит, распределение масс в этой системе по сравнению с первоначальным состоянием ее изменилось так: он переместился ближе к кораблю. Но в соответствии с законом о сохранении движения центра масс положение цент­ ра масс относительно линии первоначального движения не должно измениться. Иначе говоря, по какой траектории он двигался вначале (до выхода космонавта), по такой он дол­ жен двигаться и после выхода космонавта в космос. Это озна­ чает, что для сохранения неизменным движения центра масс удаление космонавта в одну сторону автоматически приведет к смещению Земли в противоположном направлении (рис. 64). Таким образом, когда космонавт выходил из корабля, он со­ вершенно не представлял себе, что его выход приведет к сме­ щению траектории движения Земли. Разумеется, это очень малый эффект. Величина смещения Земли по сравнению со смещением космонавта относительно корабля будет примерно во столько раз меньше, во сколько раз масса Земли превышает массу космонавта.

Строго говоря, на этом дело не заканчивается. Отклонение Земли от первоначальной орбиты движения точно так же при­ ведет к смещению Солнца, а это в свою очередь вызовет воз­ мущения в движении планет Солнечной системы. Значит, лю­ бое произвольное изменение положения отдельных частиц Солнечной системы не проходит бесследно, оно так или иначе,

\

пусть в чрезвычайно малых эффектах, но непременно сказыва­ ется на последующем движении и положении тел внутри этой системы. Вот отсюда и вытекает новый способ передачи инфор­ мации в космосе. Для этого достаточно космонавту переме­ стить какой-либо груз внутри корабля, например, поднять или опустить руку, переложить бортжурнал с одного места на дру­ гое и т. д., как это с неумолимой неизбежностью отразится на движении Земли. Мы, сидя на Земле, должны лишь зарегист­ рировать это изменение. Если заведомо условиться с космо­ навтом о порядке и последовательности перемещения какихлибо масс внутри корабля или снаружи его и каждому пере­ мещению присвоить какую-либо условную информацию, тст тем самым откроется возможность осуществления связи кос­ монавта с Землей. Точно так же, перемещая какие-либо массы на поверхности Земли, мы изменим траекторию движения кос­ монавта. Тогда космонавт по обнаруженному изменению тра­ ектории может судить о передаваемой ему информации. Одна­ ко поверхность Земли и распределение масс на ней беспре­ рывно меняются из-за влияния климатических условий и тру­ довой деятельности людей. Все это, разумеется, в какой-то ме­ ре сказывается на траектории движения корабля, и космонав­ ту будет трудно выделить полезный сигнал. В связи с этим на Земле необходимо, например, иметь какое-либо устройство по' периодическому, с заданной частотой изменению положения некоторой массы. Тогда космонавт из совокупности всех изме­ нений траекторий должен выделить периодическую составляю­ щую, кратную частоте колебаний наземного источника. Этим способом в принципе может передаваться определенная ин­ формация с Земли на борт космического корабля.

Таким образом, мы нашли новые возможности осуществле­ ния связи Земли с космосом. Они базируются на изменении от­ носительного движения Земли и космического корабля за счет определенным образом выполненного перемещения масс на орбите корабля или на Земле. Но, к величайшему сожалению, современный технический уровень развития средств измерений не позволяет реализовать эту связь. Дело в том, что возникаю­ щие отклонения Земли при выходе космонавта из корабля чрезвычайно малы, их мы не можем ничем зарегистрировать, обнаружить или измерить. Они далеко выходят за рамки чув­ ствительности наших самых точнейших приборов. Но это еще не все. Даже при наличии необходимых средств измерений ор­ биту движения корабля потребуется определять с невероятно высокой точностью, когда можно было бы ощущать ее флук­ туации, вызванные перемещением масс на Земле. Практически

213.

это нереально. Поэтому в настоящее время обращается внима­ ние на несколько иной способ использования гравитационного поля для передачи информации, а именно гравитационных волн. Простейший источник гравитационных волн — вращаю­ щаяся гантель. Существуют и другие способы их генерации. Совсем недавно стали появляться сообщения о том, что уда­ лось зарегистрировать гравитационные волны. Опыты были выполнены Дж. Вебером в университете штата Мэриленд на востоке США. Пока что опубликованы первые результаты, и это может вызвать у скептиков сомнение в достоверности от­ крытия. Но путь к нему проложен.

В предварительных опытах Вебера источником гравитаци­ онных волн был алюминиевый цилиндр весом около 130 кг, ко­ леблющийся вдоль своей оси. Длина цилиндра 1,5 м, диаметр около 20 см. Колебания цилиндра возбуждались с помощью переменного электрического тока.

Приемником гравитационных волн служил другой, более тяжелый цилиндр, расположенный невдалеке от источника ко­ лебаний. На этом опыте Вебер убедился, что колебания гене­ ратора возбуждают синхронные колебания приемников. После этого Вебер приступил ко второму, главному опыту — к реги­ страции гравитационных волн, приходящих из космоса. Он ис­ пользовал два больших цилиндра, расположенных на расстоя­ нии 1000 км друг от друга (один — около Вашингтона, дру­ гой — в Чикаго). В течение восьмидесяти дней изучались от­ счеты двух самописцев, регистрирующих колебания двух при­ емников. Было замечено прохождение не менее десяти сигна­ лов. Это — первый практический успех на пути использования гравитационных волн для передачи информации сквозь нево­ образимые дали космоса. Будущему принадлежит дальнейшее ■совершенствование этого метода.

Обезопасности космонавта, привязанного тросом к кораблю

Вразделе, посвященном космическому пешеходу, мы уже говорили, что трос, соединяющий «безмоторного» космонавта с

кораблем, это не просто элемент страховки. Он совершенно не­ обходим при выходе из корабля.

Итак, привяжем космонавта к кораблю тросом. Теперь он не уйдет от корабля дальше вытянутого троса и, если необхо­ димо, смотает трос и сблизится с кораблем. Просто и легко. Но так ли это на самом деле? Что произойдет с космонавтом, ког­ да он сблизится с кораблем? На первый взгляд ответ может быть очень несложным. Космонавт будет приближаться к ко-

214

Р и с. 65. Траектория удаления и сближения космонавта с кораблем:

направление отделения космонавта от корабля; 1 — направление полета корабля; 2 — траектория полета космонавта при отсутствии притяжения Земли; 3 — фактическая траектория по­ лета; 4 — вытянутый трос: 5 — траектория обратного полета

после натяжения троса; 6 — корабль.

раблю в направлении линии натяжения троса, выбирая такук> скорость сближения, чтобы избежать сильного удара о корпус корабля. Однако в реальных условиях процесс сближения бу­ дет происходить иначе. Чтобы разобраться в этом, предполо­ жим, что трос не имеет демпфирующих устройств, которые как бы нейтрализуют силы его упругости. В этом случае после удаления от корабля и натяжения троса эти силы упругости создадут некоторый импульс скорости, толкающий космонав­ та к кораблю. Траектория движения космонавта после отделе­ ния от корабля в плоскости орбиты его движения при малом времени полета до натяжения троса будет аналогична полету пули. Значит, для изображенного на рис. 65 направления отде­ ления космонавта отклонение траектории его движения будет' происходить вверх. После натяжения троса за счет сил упруго­ сти он начнет возвращаться к кораблю со скоростью wo. Одно­ временно с этим составляющая скорость w u перпендикулярная

21S

натянутому тросу, заставит космонавта отклоняться от кораб­ ля. В результате космонавт при обратном движении уже не попадет на корабль, а пройдет в стороне от него. Если космо­ навт, пролетая около корабля, начнет сматывать трос, стара­ ясь подтянуться, то это приведет к его закручиванию относи­ тельно корабля, что резко усложнит и даже может сделать опасным сближение с кораблем.

Величина «промаха» будет зависеть от длины троса и ско­ рости отделения космонавта. При длине троса 30 м и скорости

•отделения 0,2 м/сек этот «промах» может достигнуть несколь­ ких метров.

Теперь предположим, что трос имеет демпфирующее уст­ ройство. После натяжения троса космонавт не получает им­ пульса скорости, направленного к кораблю. Но при этом появ­ ляется другая опасность — составляющая скорости w x (рис. 65) приведет к закручиванию космонавта относительно корабля на расстоянии вытянутого троса, гі сближение космо­ навта с кораблем еще более усложнится. Если, например, ско­ рость отделения космонавта от корабля равна 0,5 м/сек, а дли­ на троса составляет 50 м, то спустя 100 сек полета трос натя­ нется, и космонавт начнет вращаться относительно корабля со скоростью 5 см/сек. Когда же после этого космонавт попы­ тается сблизиться с кораблем, сматывая трос, то траектория движения космонавта относительно корабля будет иметь вид спирали, а на расстоянии 2 м от центра тяжести корабля ско­ рость космонавта станет равной 1,3 м/сек. А это уже не малая величина.

Кроме того, трос начнет накручиваться на корабль, а это в свою очередь может привести к механическому повреждению внешних частей конструкции корабля, например, рулевых дви­ гателей, антенн или солнечных батарей.

Как видим, и спасательный трос таит в себе немало опас­ ностей для космического пешехода и корабля. Даже в этом случае свободное движение в космосе существенным образом искажает ожидаемый для «земных жителей» процесс сближе­ ния космонавта с кораблем и, если не принять соответствую­ щих мер, может привести к закрутке его относительно корабля л в конечном счете удару об него.

Одной из мер является применение индивидуальных ракет­ ных двигателей, устраняющих вращательное движение космо­ навта вокруг корабля. В качестве другой меры, обеспечиваю­ щей безопасное сближение, космонавта с кораблем, может явиться синхронное вращение корабля вместе с космонавтом, исключающее наматывание троса на корабль. Но для этого

2 1 6