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

решении задачи мы умышленно не упомянули одного обстоя­ тельства, а именно: притяжения Земли к Солнцу. Если Земля находится относительно Солнца на том же расстоянии, что и Луна, то она тоже будет иметь по направлению к Солнцу ус­ корение 10,6 мм/сек2. Значит, и Луна, и Земля одновременно «падают» на Солнце, и тогда говорить о притяжении к Солнцу только одной Луны совершенно не имеет смысла. Вот по этой причине Луна вращается (и будет вращаться!) вокруг Земли и не «падает» на Солнце.

Здесь не случайно принят термин «падает». Как мы убедим­ ся в дальнейшем, движение по орбите есть не что иное, как беспрерывное падение с одновременным продвижением вперед.

В реальных условиях Луна и Земля всегда, за исключени­ ем только двух положений, находятся на различных расстоя­ ниях от Солнца. Значит, и ускорения их движения к Солнцу, в соответствии с формулой (2), будут различными. Однако разность этих ускорений невелика и составляет в наихудшем случае всего 0,025 мм/сек2, но она является одной из причин возникновения упомянутых неравенств в движении Луны.

Где бы ни находился космический аппарат, на него будут всегда действовать силы притяжения всех планет. Чем ближе к планете аппарат, тем сила притяжения этой планеты по срав­ нению с другими будет больше. Следовательно, относительно каждой планеты можно выделить некоторые окрестности, внут­ ри которых отношение сил притяжения других планет к силе притяжения данной планеты становится достаточно малым, и поэтому напрашивается мысль о том, что для приближенного решения задач полета космического аппарата вблизи планеты можно пренебречь этими силами. Такую область баллистики определили как сферу действия. Сферой действия малого не­ бесного тела по отношению к большому небесному телу назы­

ляется в основном тюлем тяготения малого небесного тела, а остальные небесные тела вызывают только некоторые возму­ щения в его движении.

Это — качественное определение сферы действия. В небес­ ной механике оно имеет строгое математическое выражение, с помощью которого вычисляются радиусы'сфер действия. На­ пример, радиус сферы действия Земли по отношению к Солн­ цу составляет 930 тыс. км. Следовательно, траектория движе­ ния Луны целиком лежит внутри сферы действия Земли. По­ этому сфера действия Луны определяется по отношению к Земле, а не к Солнцу и радиус ее равен 66 тыс. км. Космиче­

37

ский корабль — материальное тело с определенной массой — можно также рассматривать как своеобразную планету, и поэтому для него тоже может быть определена сфера дейст­ вия, внутри которой проявляется в основном только сила тя­ готения самого корабля. Для низколетящих спутников (высо­ та полета 200—500 км) радиус сферы действия их чрезвычай­ но мал и не превышает единиц сантиметров. А это значит, что сфера действия такого спутника расположена внутри корабля, так как именно от его центра ведется отсчет радиуса.

Введение сфер действия планет позволило простыми спо­ собами находить приближенные траектории движения косми­ ческих аппаратов как в окрестностях планет, так и в межпла­ нетных полетах. Например, траекторию полета к Венере мож­ но условно разделить на три части: движение в сфере дейст­ вия Земли (без учета притяжения всех планет), полет под влиянием притяжения только Солнца и движение внутри сфе­ ры действия Венеры.

Для того чтобы ощутить величины возмущающих ускорений при движении космического аппарата внутри сферы действия Земли, были рассчитаны максимальные значения соответст­ вующих возмущающих ускорений, а также их отношения к ус­ корению земного притяжения в зависимости от высоты над по­ верхностью Земли. Расчеты показывают, что возмущающие ускорения, вызываемые притяжением Луны, примерно в 2,2 раза превосходят возмущающее ускорение от Солнца. Начи­ ная с высот порядка 20 000 км, возмущения от притяжения Лу­ ны и Солнца превосходят аномалии силы тяжести (напомним, что аномалии силы земного притяжения возникают в резуль­ тате отклонения поверхности геоида от земного эллипсоида)

и, начиная с высот порядка 50 000 км, превосходят все осталь­ ные гравитационные возмущения.

Но спутники не могут летать, как говорится, «где попало». Вблизи Земли их ждет плотное воздушное покрывало, а вдали от нее уже проявляется притяжение Солнца. Поэтому, изучая движение спутников, важно знать верхнюю и нижнюю грани­ цы района, в котором они могут летать длительное время.

Сфера действия не является тем рубежом, далее которого спутники существовать не могут. Однако до недавнего време­ ни вопрос о верхней границе существования спутников не был определен ;в виду значительных математических трудностей. Честь решения этой задачи принадлежит известному советско­ му ученому профессору Г. А. Чеботареву. Результаты своей ра­ боты он доложил на проходившей летом 1969 года в Болгарии Международной конференции.

38

Расчеты Г. А. Чеботарева показали, что наибольшее рас­ стояние от Земли, на котором спутник еще остается спутником, а не межпланетным кораблем, составляет ни много ни ма­ ло 1400 тыс. км. Дальше им полет запрещен: влияние Солн­ ца приведет к тому, что спутник уйдет из-под контроля Земли. Аналогичные расчеты Чеботарев проделал и для всех осталь­ ных планет нашей системы и выяснил точно, где могут и где не могут проходить орбиты искусственных спутников этих планет. Ведь настанет когда-нибудь такой момент, когда человек по­ шлет автоматы-разведчики, сделанные на Земле, к своим со­ седям по космосу, чтобы с орбиты искусственных спутников заглянуть в інезнакомый нам мир с'близкого расстояния подоб­ но тому, как сейчас спутники изучают Землю и Луну.

Следует подчеркнуть, что работы Чеботарева далеко выхо­ дят за рамки определения верхней границы существования спутников. Другая и не менее важная ее часть состоит в опре­ делении границ Солнечной системы и, в частности, возможно­ сти существования десятой планеты.

Возможно, что когда-то найдут и десятую планету. Если Земля — наш дом, то город, в котором мы живем — Солнеч­ ная система, пополнится еще одним, а может быть и большим числом домов или кварталов. В будущем не последнее слово в этом принадлежит и космическим аппаратам.

В разреженной атмосфере

«Землю окружает тонкий слой воздуха» — так говорят и пишут часто. И действительно, до запуска первых искусствен­ ных спутников мы совершенно мало знали о верхних слоях ат­ мосферы, ее протяженности, высоте и только лишь догадыва­ лись о ее строении. С момента полета спутников за какое-ни­ будь десятилетие наши знания об атмосфере расширились на­ столько, насколько только могли мечтать все предыдущие по­ коления исследователей.

Еще совсем недавно атмосферу считали только разрежен­ ным слоем воздуха, со всех сторон обволакивающим Землю, летящую в черной пустоте космического пространства. Пред­ полагалось также, что атмосфера распространена над поверх­ ностью Земли на относительно небольших высотах, составляю­ щих каких-нибудь несколько сотен километров. Теперь мы с уверенностью утверждаем, что атмосфера простирается по меньшей мере до высот 50 тыс. км. Земля, следовательно, яв­ ляется крошечным ядром в толстой скорлупе атмосферы.

Атмосфера, образно говоря, «дышит» во времени и в про­

39

странстве. Ее состояние определяется прежде всего влиянием Солнца.

Солнце представляет собой гигантский раскаленный шар, выбрасывающий во все стороны горячий газ. Вот что писал о. Солнце М. В. Ломоносов:

Там огненны валы стремятся ,И не находят берегов.

Там вихри пламенны крутятся, Борющись множество веков; Там камни, как вода, кипят, Горящи там дожди шумят.

Истекающий из Солнца газ благодаря своей высокой тем­ пературе (около миллиона градусов) преодолевает силы при­ тяжения Солнца и в окрестности Земли движется почти с по­ стоянной скоростью, достигающей 500 км/сек. Излучение Солн­ ца и высокая температура ионизуют истекающий газ и поэтому каждый атом его несет электрический заряд. Геофизики нашли подходящее название потоку зарядов, назвав его солнечным ветром. Значит, строго говоря, полет Земли в солнечном про­ странстве происходит не в пустоте, как думали раньше, и по­ этому Земля представляется космическим лайнером, а мы — пассажирами на нем, летящими вокруг Солнца со скоростью 29 км/сек и обдуваемыми солнечным ветром. Атмосфера и маг­ нитное поле Земли представляют собой защитный барьер, с которым сталкиваются ионы солнечного ветра, с беспощад­ ностью защищающий Землю от проникающей радиации. Аре­ на столкновения ионов с атмосферой образует своеобразный фронт, который удачно назван стоячей ударной волной в сол­ нечном ветре. Это название не случайно: оно во многом соот­ ветствует обтеканию шарика сверхзвуковым потоком в аэроди­ намической трубе. Картину обтекания Земли, как ее представ­ ляет себе Д. Кинг-Хили, вы можете увидеть на рис. 14. При спокойном Солнце ударная волна располагается на расстоя­ нии 10—15 земных радиусов на освещенной стороне, т. е. на высотах 60—90 тыс. км. До ударной волны солнечный ветер течет ровно и спокойно. Внутри ударной волны располагается зона турбулентного течения, т. е. солнечный ветер отклоняет­ ся от своего первоначального направления течения, изменяет свою скорость, возникают завихрения, и течение становится не­ равномерным. Затем идет еще одна хорошо заметная граница, которая расположена на высоте 50 тыс. км на линии Солн­ це — Земля и называется магнитопаузой. В области за магни­ топаузой начинается внешняя часть земной атмосферы, назы-

40

75 000 км от освещенной стороны Земли формируется ударная волна.

ваемая магнитосферой. Эта часть околоземного пространства в значительной мере заполнена ионами и контролируется маг­ нитным полем Земли в большей мере, чем силой тяготения.

Характер изменения свойств атмосферы, ее состава, плот­ ности, температуры наглядно иллюстрируются диаграммой, представленной на рис. 15. На высотах вплоть до стратосферы вы можете побывать на современном пассажирском самолете. И вас совершенно не удивляет, что по мере подъема на высоту температура воздуха за бортом понижается и где-то на высо­ тах 10—25 км остается примерно постоянной и равной — 60°С. Летчики-космонавты, побывавшие на больших высотах, ска­ жут вам, что в дальнейшем температура начинает возрастать, и на высоте 200—300 км она достигает 700°. Но это совсем не означает, что космонавт, вышедший из корабля, должен сгореть, так как воздух настолько разрежен, что он не ощутит его температуру и будет нагреваться солнечными лучами, а не воздухом.

Приведенная диаграмма показывает некоторое среднее, или, как говорят, стандартное состояние атмосферы. Измене-

41