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

Рис . 15. Упрощенная (без масштаба) схема строения атмо­ сферы. Все величины средние и не связаны с суточным изме­ нением солнечной активности и др.

ния орбит спутников показали, что атмосферная плотность на высотах между 200 и 2000 км не остается постоянной и сурово контролируется Солнцем. Воздух становится теплее и плотнее в течение дня, чем в течение ночи. Кроме того, атмосфера крайне чувствительна на солнечную деятельность: плотность и температура выше, когда Солнце более активно. Верхняя атмосфера бурно реагирует на суточные флуктуации солнеч­ ной активности, а также на 11-летний цикл.

42

Таким образом, на указанных высотах полета основные па­ раметры атмосферы являются функциями не только высоты полета, но также географических координат рассматриваемого места, времени суток и года, положения Солнца, активности Солнца и его отдельных частей. Любопытным свойством этой зависимости является периодичность параметров атмосферы, связанная с суточным и годичным периодами вращения Земли, периодами обращения Солнца вокруг его оси и периодом из­ менения солнечной активности. Кроме того, параметры верх­ ней атмосферы подвержены сильному влиянию от действия сильных солнечных вспышек, законы возникновения которых и их частота, мощность в настоящее время не известны. Не­ посредственные измерения показывают, что из-за изменения -освещенности Земли Солнцем, обусловленного суточным и годичным вращением Земли, плотность атмосферы может возрастать или убывать на 30—50% от среднего значения. При воздействии солнечных вспышек атмосфера может крат­ ковременно (от нескольких часов до суток) увеличить свою плотность до 50%. В годы минимальной солнечной активности плотность воздуха на высотах 200—300 км уменьшается в 2— 3 раза по сравнению с ее значением в годы максимальной солнечной активности. С ростом высоты полета флуктуация плотности атмосферы под влиянием рассматриваемых факто­ ров еще возрастает и может измениться в 10 и более раз.

Ввиду указанного непостоянства поведения атмосферы на высотах полета спутников возникла необходимость создания

динамической модели атмосферы, учитывающей зависимость основных параметров ее от всех перечисленных факторов. Од­ нако вплоть до настоящего времени попытки создания такой модели не увенчались успехом ввиду большой теоретической сложности и недостаточности опытных данных. Но на пути к решению этой задачи наметился определенный прогресс.

А пока при расчетах движения искусственных спутников Земли с учетом сопротивления воздуха принимаются стати­ ческие модели атмосферы, учитывающие только зависимость параметров атмосферы от высоты. Разумеется, что точность таких моделей не удовлетворяет во многих случаях требова­ ниям практики и вследствие этого возникает необходимость согласования имеющихся опытных данных по движению спут­ ников с теоретическими расчетами. Согласование обычно про­ изводится непосредственно в процессе полета спутника путем введения некоторых поправочных коэффициентоц||По существу в процессе полета производится уточнение влияния атмосферы на движение спутника.

43

Приведенные краткие сведения «о дыхании» атмосферы да­ леко не исчерпывают всех процессов, происходящих в ней. Они лишь только свидетельствуют о сложности учета влияния атмосферы на движение космических аппаратов. При полете в атмосфере возникают силы сопротивления, препятствующие движению, т. е. направленные навстречу скорости полета кос­ мического аппарата относительно атмосферы. Величины тор­ мозящего ускорения, возникающего за счет сопротивления ат­ мосферы, определяются простейшей формулой:

Q _ _ C x f m y t '

2 /л

Здесь гп — масса космического аппарата, летящего со ско­ ростью V, р — плотность воздуха. Через Сх обозначен безраз- х мерный коэффициент сопротивления воздуха. При полете на '-больших высотах, на которых длина свободного пробега моле­ кул воздуха соизмерима с размерами спутника или значитель­ но превосходит их, коэффициент сопротивления воздуха прак­ тически не зависит от формы спутника и в основном определя­ ется характером отражения частиц воздуха от поверхности спутника. В настоящее время принимают, что в верхних слоях атмосферы этот коэффициент меняется в пределах от 2 до 2,5. Действительно, в нижней части атмосферы (на высоте при­ мерно 65 км) средняя длина свободного пробега молекул (т. е. до ближайшего соударения с другой молекулой) равна при­ близительно 25 мм. Длина пробега на высоте 120 км возраста­ ет до 300 мм. На больших высотах она уже наверняка стано­ вится больше размеров спутника. На высоте 240 км она равна 90 м, а на высоте 640 км средняя длина свободного пробега

молекул составляет 64 км.

В разреженной атмосфере сила, действующая на поверх­ ность летящего космического аппарата, определяется на осно­ вании гипотезы о том, что газовые частицы отражаются после удара о поверхность по одной из двух схем, а именно, по схе­ ме либо зеркального, либо диффузного молекулярного отраже­ ния. По первой схеме, т. е. по схеме зеркального отражения, поток частиц упруго отражается от встретившейся поверхности аналогично отскакиванию упругого шарика при ударе его о твердую стену. По второй схеме предполагается, что часть мо­ лекулярного потока, ударяющегося о поверхность, поглощает­ ся этой поверхностью, повышая этим самым уровень темпера­ туры тела. Ноглощенные молекулы через некотооое время уравнивают свою температуру с температурой поверхности те­ ла и покидают ее равномерно во все стороны от поверхности

44

со скоростью, соответствующей температуре поверхности тела. Именно из этих соображений и вычислено значение коэффи­ циента сопротивления воздуха.

Определение площади миделевого сечения Fm (т. е. пло­ щади максимального сечения спутника, перпендикулярного скорости полета относительно воздуха) для ориентированного спутника не представляет каких-либо сложностей. Однако в большинстве случаев нам неизвестно положение спутника в пространстве (точнее, его ориентация) и поэтому неизвест­ но значение Fm. Поэтому на практике полагают, что вращение его вокруг собственных осей является хаотичным и, исходя из этого допущения, находят площадь миделевого сечения как четвертую часть полной поверхности. Это обстоятельство лиш­ ний раз свидетельствует о сложности учета влияния атмосфе­ ры: кроме знания самой атмосферы, надо еще знать, каким «боком» вперед летит спутник.

Величина Сх Fт/2 зависит от конструктивных особенностей спутника и ее часто называют баллистическим коэффициентом. Чем больше эта величина, тем спутник легче. Значение балли­ стического коэффициента обычно изменяется в диапазоне от 0,003 до 0,4 м3/кг-сек2. На высотах полета спутников (более 150 км) ускорение, вызываемое силой сопротивления воздуха, составляет доли мм/сек2 и мало по сравнению с ускорением си­ лы тяжести, равным примерно 9 місек2. Несмотря на это, при длительных полетах спутников эти силы приводят к ощутимо­ му изменению орбиты, а в некоторых случаях могут привести даже к прекращению их существования. Таким образом, если проектируется длительное пребывания спутника на орбите, то еще до пуска его баллистики должны решить вопрос о том, ка­ кова должна быть минимальная высота полета его, чтобы он не упал на Землю.

Спутники — неутомимые труженики. Они могут летать го­ дами, проходя все новые и новые миллионы километров без вся­ кого потребления энергии и «бесплатно» выдавая информацию о своем местонахождении. Но они тоже имеют определенную продолжительность жизни, называемую временем существо­ вания. Время существования спутников не зависит от его «са­ мочувствия», а определяется возможностью совершать даль­ нейший полет. Атмосфера для спутника — непреодолимая и беспощадная преграда, которая рано или поздно заставит упасть его на Землю. Именно промежуток времени от момента запуска до вынужденной посадки спутника называется време­ нем его существования.

Условиям, при которых спутник прекращает существовать,

45

соответствуют определенные характеристики орбиты, одной из которых является высота полета. Такую высоту (точно так же и другие характеристики) принято называть критической. Под критической понимают такую орбиту, двигаясь по которой спутник может сделать всего один полный оборот вокруг Зем­ ли. Критические значения высоты полета зависят от баллисти­ ческого коэффициента. Если, например, для данного спутника баллистический коэффициент равен 0,1 м3/кг-сек2, то для него критическая высота по расчетам составит 145 км. На этой вы­ соте он совершит всего один виток и далее затормозится и упа­ дет на Землю. Практически можно считать, что минимально допустимая высота полета спутника составляет 150 км.

Таким образом, чем тяжелее спутник и меньше площадь его поперечного сечения, тем больше его время существования. Не случайно, что спутники в виде надувных шаров запуска­ ют на высокие орбиты. Например, американский спутник «Эхо-1», запущенный в 1960 году, имел сферическую форму диаметром 30 м и весом 62 кг и поэтому для него выбрали высоту полета более 1500 км.

Тормозящее влияние атмосферы, полученное эксперимен­ тальным путем при полете корабля-спутника «Восток-3», пока­ зывает, что даже на относительно больших высотах полета на­ блюдается заметное уменьшение ее значения, достигающее 5— 7 км в сутки. В этом смысле атмосфера — враг спутников. Но в то же время она может и выступать в качестве союзника, когда встает вопрос о необходимости совершения посадки на Землю.

Изменение формы орбиты из-за влияния атмосферы имеет сложный характер, трудно поддающийся простому математи­ ческому описанию. Об этом мы будем говорить ниже, когда речь пойдет о рассмотрении вопросов влияния возмущающих сил на эволюцию орбит спутников.

Под давлением солнечного света

Итак, мы уже убедились, что Солнце — это не только ис­ точник света и тепла. Для баллистиков (впрочем, как и для геофизиков, биологов, астрономов и других специалистов, ис­ ключая из них тех, которые смотрят на Солнце только как на средство получения бронзового цвета кожи) Солнце приносит массу беспокойств. Оно беспощадно контролирует атмосферу, вызывает в ней неожиданные возмущения, меняет температу­ ру, поднимает и опускает ее над Землей и даже обдувает ее своеобразным «ветерком». Атмосфера бунтует, она то вспучи­

46

вается, то снижается, обливает Землю дождем или набрасы­ вается суховеями, сковывает морозом, заставляет бушевать океаны и вырывает с корнем могучие деревья. Для баллисти­ ков известный оздоровительный лозунг «Солнце, воздух и во­ д а — «аши лучшие друзья» звучит парадоксально. Для них Солнце и воздух — враги.

Но Солнцу этого мало. Его «теплые ласковые лучи» столь же жестоко набрасываются на летящий космический аппарат и всеми силами стараются оттолкнуть его от себя. И чем свет­ лее его поверхность, чем белее он, тем больше эта сила. По­ истине Солнце не любит незагоревших!

Как известно, при падении света на некоторую поверхность, а также при его отражении или излучении возникает световое давление. При падении света перпендикулярно пластинке и полном поглощении его величина светового давления будет за­ висеть от расстояния до Солнца. В районе Земли на каждый квадратный метр черной поверхности будет действовать сила в 0,44 миллиграмма.

Возмущающее ускорение космического аппарата, вызывае­ мое световым давлением, направлено вдоль лучей света и зави­ сит от характера отражения света и распределения теплового излучения по поверхности аппарата.

На практике большой интерес представляет вопрос о влия­ нии светового давления на движение легких надувных ша­ ров — спутников типа американского спутника «Эхо». Расчеты показывают, что для высоты полета ниже 500 км влияние свето­ вого давления значительно меньше влияния сопротивления воздуха. Практически обычно считают, что при такой высоте полета сила светового давления меньше возможных неучиты­ ваемых колебаний силы сопротивления воздуха. Поэтому при высотах менее 500 км учет влияния светового давления на дви­ жение спутника Земли, как правило, нецелесообразен. При вы­ сотах полета более 500 км сила светового давления оказывает­ ся сравнимой с силой сопротивления воздуха и на высоте 800 км уже превосходит ее. Отсюда следует, что световое дав­ ление оказывает ощутимое влияние лишь на движение неболь­ ших легких спутников с высотой полета более 500 км.

При длительных межпланетных полетах учет светового дав­ ления обязателен. В качестве примера произведем оценку ве­ личины смещения межпланетной станции «Венера-4», запущен­

47