Преодолеть силу земного тяготения, пробить толщу воздушной оболочки и достигнуть космического пространства - задача не из легких. А как вернуться из космоса обратно на Землю?
На первый взгляд кажется, что спуск космического корабля на Землю должен быть значительно проще подъема. Все хорошо знают: тяжело идти в гору, а с горы легче. К сожалению, эта простая и очевидная истина оказывается не совсем верной, когда имеешь дело со спуском с «космической горы». Мы рассматривали устройство обитаемого космического корабля, пригодного для совершения длительных полетов в космическом пространстве. Он состоит из двух главных частей: орбитального отсека и так называемого спускаемого аппарата (его еще называют возвращаемым аппаратом). Помимо этого, на корабле имеются тормозной двигатель, солнечная батарея и ряд других систем. Все эти составные части корабля доставляются в космическое пространство с Земли. А вот на Землю возвращается не весь корабль, а только небольшая часть его, та, которая называется спускаемым аппаратом.
Перед тем как начинать спуск на Землю, все члены экипажа космического корабля переходят в спускаемый аппарат. В нем же размещена аппаратура, необходимая для поддержания жизнедеятельности экипажа, а также материалы наблюдений, проведенных экипажем в соответствии с планом полета. Остальные части корабля в надлежащий момент отстыковываются от спускаемого аппарата и через некоторое время падают на Землю. Выражение «падают на Землю» не совсем точно. Части космического корабля, «падающие на Землю», не достигают поверхности Земли. Проходя через плотные слои воздуха, они нагреваются и сгорают, подобно тому как сгорают железные и каменные метеориты, попадающие в атмосферу Земли.
Человек побывал уже не только в околоземном космосе, на расстоянии 200 - 300 км от поверхности Земли, но и в так называемом дальнем космосе. Условия спуска на Землю космических кораблей, возвращающихся из дальнего и ближнего космоса, неодинаковы. Находясь в космическом пространстве вблизи Земли, корабль движется со скоростью = 8 км/сек, т. е. он имеет первую космическую скорость. При такой скорости движения вокруг земного шара, на высотах, где нет или почти нет атмосферы, корабль может находиться очень длительное время, не удаляясь от Земли и не падая на нее. Что же нужно сделать для того, чтобы корабль начал опускаться на Землю, т. е. падать? Для этого следует уменьшить скорость его движения.
Хотя обычно каждому, возвращающемуся из длительной и дальней поездки, хочется поскорее вернуться домой, возвращаться из космоса поспешно не следует потому, что сильно затормозить космический корабль непросто, или, лучше сказать, недешево. Мы уже говорили, что каждый лишний килограмм груза в корабле - вещь, чрезвычайно нежелательная. Затормозить космический корабль, двигающийся по орбите вокруг Земли, можно путем включения двигателя, развивающего тягу, направленную против движения корабля.
Предположим, что космический корабль и все, что на нем находится (без топлива), имеет массу 3 т. Сколько же нужно взять на корабль топлива, чтобы уменьшить его скорость с 8 до 4 км/сек?
Для того чтобы уменьшить скорость корабля на 4 км/сек, необходимо включить двигатель, который создавал бы тягу, направленную в сторону, противоположную его движению. Допустим, что скорость истечения продуктов сгорания топлива из сопла тормозного двигателя будет равна 3000 м/сек (величина, достижимая для современных жидкостных ракетных двигателей). Формула, установленная Циолковским, позволяет определить, что начальная масса космического корабля, т. е. его масса вместе с топливом, перед включением тормозного двигателя должна составлять 11,4 т, следовательно, топлива в корабле должно быть = 8400 кг. Таким образом, масса топлива, которое необходимо сжечь в тормозном двигателе, превосходит массу конструкции корабля и груза, находящегося в нем, почти в 3 раза. Такой способ торможения космических кораблей весьма неэкономичен да и практически трудноосуществим, так как доставить в космическое пространство такую большую массу топлива непросто и недешево. Но оказалось, что столь сильно тормозить космический корабль, совершающий орбитальный полет, для того чтобы он начал спуск на Землю, и не требуется.
Чтобы начать движение по траектории спуска, корабль должен потерять всего лишь небольшую часть своей скорости. Вполне достаточно для этого уменьшить скорость космического корабля на 200 - 250 м/сек. Для случая, рассмотренного нами, т. е. для космического корабля массой в 3 т, потеря скорости на 200 м/сек может быть обеспечена кратковременной работой тормозного двигателя при сжигании в нем топлива, масса которого меньше одной десятой массы корабля. Но приземляться космический корабль должен с почти нулевой скоростью, иначе произойдет катастрофа - корабль и экипаж, находящийся в нем, в момент приземления разобьются. Каким же образом можно отобрать от корабля всю или почти всю кинетическую энергию, которой он обладает? Практически осуществимый путь торможения космического корабля, без затраты топлива, был указан К. Э. Циолковским. Воздушная оболочка Земли, по мнению Циолковского, может играть роль тормоза для космических аппаратов, возвращающихся из межпланетного путешествия на Землю. Тормозить воздухом? Такое предложение может показаться не совсем реальным. Но вспомните, как дует ветер в лицо, когда вы быстро съезжаете на лыжах с крутой горы. А попробуйте высунуть руку из окна автомобиля, когда он мчится по шоссе. Воздух из почти невесомого и неощутимого становится упругим. Вы с трудом сможете удержать ладонь руки перпендикулярно направлению движения автомобиля.
Скорость движения космического корабля при входе его в воздушную оболочку Земли (после того как он будет приторможен на 100 - 200 м/сек) превосходит скорость самых быстрых самолетов примерно в 28 раз. При столь громадных скоростях воздух оказывает большое сопротивление движению. Всякое сопротивление связано с появлением трения. Происходит трение и при движении тел в воздухе. Возьмите два куска дерева и быстро потрите их друг о друга. - Что вы при этом заметите? - Куски дерева нагреваются - это результат того, что производимая вами работа трения перешла в тепло. Трение о воздух также сопровождается выделением тепла.
При движении космических аппаратов в атмосфере Земли имеет место не только трение о воздух. Когда корабль проходит воздушную оболочку, он создает впереди себя волну сжатого воздуха. Воздух сжимается не постепенно, а за очень малый промежуток времени. Как велико это сжатие? Расчеты показывают, что давление в сжатом воздухе при движении космического аппарата может достигать 50 атм. Из курса физики вы знаете, что быстрое сжатие или расширение газа происходит практически без притока и без отвода тепла, так как вследствие малого времени тепло не успевает ни уйти в окружающую среду (при сжатии), ни передаться от внешней среды (при расширении). Такие процессы называют адиабатическими.
Вследствие адиабатического сжатия слой воздуха, находящийся впереди летящего космического аппарата, разогревается до высокой температуры. Температура слоя воздуха, сжатого летящим космическим аппаратом, может достигнуть 8000° К. Это очень высокая температура. На Земле нет таких веществ, которые могли бы оставаться в твердом состоянии при этой температуре. Самые тугоплавкие вещества начинают переходить в газ или жидкость при температуре 4000 - 4500° С. А сможет ли космический аппарат выдержать столь высокие температуры? К тому же нужно помнить, что внутри корабля, за его обшивкой, находятся люди.
Торможение космического корабля воздушным тормозом требует соблюдения определенных мер предосторожности, иначе корабль может не только затормозиться, но и сгореть, не долетев до Земли. Спуск корабля с околоземной орбиты начинается с торможения его в космическом пространстве, где нет воздуха. Для этого на некоторое время включаются тормозные двигатели, которые развивают тягу, направленную в сторону, противоположную движению корабля. После срабатывания тормозных двигателей космический корабль изменяет траекторию и начинает снижаться, приближаясь к Земле.
Полет по орбите вокруг Земли космический корабль осуществляет обычно на некотором удалении от границы воздушной оболочки, поэтому после торможения корабль какое-то время снижается в пространстве, где практически отсутствует воздух. Время снижения корабля в безвоздушном пространстве должно быть не меньше определенной величины. За это время на корабле проводятся подготовительные работы по входу в воздушную оболочку. Поэтому высота, с которой можно производить изменение траектории космического корабля, т. е. начинать спуск на Землю, ограничивается временем, необходимым для выполнения подготовительных работ.
Что же необходимо проделать на космическом корабле перед тем, как он войдет в воздушную атмосферу Земли? После того как корабль затормозится двигателем, от него отбрасывается все, без чего он может производить спуск. Отбрасывается служебный отсек, тормозной двигатель и некоторые системы. Делается это для того, чтобы уменьшить массу космического корабля, а следовательно, уменьшить количество энергии, которую нужно отобрать от корабля в процессе его спуска к Земле.
Рис. 14. Спускаемый аппарат имеет форму чечевицы.
Спускаемые аппараты советского космического корабля «Союз» и американского корабля «Аполлон» имеют вид чечевицы (рис. 14). Слой теплозащиты на спускаемых аппаратах этих космических кораблей нанесен на поверхность неравномерно. На лобовой части толщина теплозащитного слоя самая большая, на противоположной стороне (донная часть аппарата) - самая маленькая. Сделано это для того, чтобы уменьшить массу спускаемого аппарата. Толстый слой лобовой защиты должен выдержать большие механические нагрузки и обеспечить отвод тепла, поступающего от раскаленного сжатого воздуха.
Теплозащита на донной части спускаемого аппарата и боковых его поверхностях ни по механическим свойствам, ни по тепловым характеристикам не рассчитана на такие нагрузки, какие должна выдерживать лобовая часть. Следовательно, для того чтобы при спуске спускаемый аппарат не разрушился или не нагрелся до недопустимо высокой температуры, он должен войти в атмосферу Земли направленной вперед лобовой частью. Для этого перед входом в атмосферу он должен быть соответствующим образом ориентирован и в таком ориентированном положении войти в воздушную оболочку Земли.
Ориентация преследует и другую цель, а именно обеспечение входа спускаемого аппарата в атмосферу под определенным углом. Для чего это нужно? Угол входа влияет на ряд показателей процесса спуска. Для пилотируемых космических аппаратов угол входа в атмосферу определяется величиной ускорения, которое может выдержать человек. Мы уже говорили о том, что при подъеме космического корабля в космическое пространство возникают перегрузки, превышающие собственный вес человека в несколько раз.
В отличие от подъема при спуске космический корабль движется с отрицательным ускорением. Какие же силы будут действовать на человека, находящегося в спускаемом аппарате, в процессе его снижения? Во-первых, сила тяжести F = mg (m - маса космонавта, g - ускорение свободного падения), направленная к центру земного шара. Кроме того, на него будет действовать сила упругости, направленная в противоположную сторону. Эти две силы и сообщают ускорение а, направленное противоположно ~.
Следовательно, при спуске с орбиты на Землю космонавт испытывает действие силы, направленной от Земли. Эта сила прижимает космонавта к сидению кабины или к потолку. По величине эта сила превосходит нормальный вес космонавта (его вес в состоянии покоя) на та. Человек может выдерживать перегрузку, т. е. увеличение собственного веса, в 10 - 12 раз. (Конечно, при этом он становится практически неработоспособным.) Большое увеличение веса, или, как говорят, большая перегрузка, опасно для жизни человека.
Перегрузка, испытываемая космонавтами при спуске спускаемого аппарата с орбиты на поверхность Земли, зависит от того, под каким углом к горизонту спускаемый аппарат движется в атмосфере Земли.
Рис. 15. Спуск космического корабля на Землю.
Рассмотрим два возможных случая снижения спускаемого аппарата: первый - аппарат движется по крутой траектории; второй - движение происходит по пологой траектории, составляющей с горизонтом небольшой угол (см. рис. 15). Очевидно, во втором случае спуск будет продолжаться гораздо дольше, чем в первом. Аппарат постепенно будет входить в нижележащие слои атмосферы и постепенно терять скорость, вследствие чего отрицательное ускорение спускаемого аппарата будет небольшим. Спуск по траектории, составляющей малый угол с линией горизонта, позволяет, по сравнению с крутым спуском, обеспечить более безопасные условия для экипажа, т. е. снизить перегрузки до пределов, которые легко переносятся человеческим организмом.
Однако угол спуска нельзя делать и слишком малым, так как в этом случае возникает другая угроза безопасности экипажа, связанная с перегреванием.
Рассмотрим, как форма траектории полета спускаемого аппарата влияет на его нагревание. Мы уже говорили о том, что большая часть кинетической и потенциальной энергии, которой обладает космический корабль, находясь в орбитальном полете в космическом пространстве, при спуске на Землю превращается во внутреннюю энергию. Как будет нагреваться спускаемый аппарат при спуске на Землю по крутой траектории, по сравнению с движением по некоторой кривой, расположенной под малым углом к горизонту? При крутом спуске возвращаемый аппарат быстрее тормозится, а вследствие этого и быстрее теряет энергию. При спуске по пологой кривой аппарат дольше находится в разреженных слоях воздуха и поэтому снижает скорость не так резко, как в первом случае. Очевидно, чем более пологой будет траектория, тем медленнее аппарат будет терять скорость. Следовательно, количество тепла, образующегося в единицу времени, при спуске аппарата по крутой траектории будет значительно больше, чем при спуске по траектории, составляющей малый угол с горизонтом.
Из сказанного напрашивается вывод, что, чем круче траектория спуска, тем меньше опасность перегрева спускаемого аппарата, а следовательно, и меньше опасность для экипажа. Но вывод этот неверен. С точки зрения поддержания внутри кабины спускаемого аппарата приемлемых для экипажа температурных условий слишком плавный спуск нежелателен. Чем это обьясняется? Вы знаете, что при тушении пожаров спасательным командам приходится зачастую проникать в горящий дом, пробиваясь сквозь пламя. Человека обливают водой, и он в мокрой одежде, без всякого вреда для себя проходит сквозь стену огня. Это он смог бы проделать и в сухом костюме, если бы последний был сшит из негорючей ткани. Температура пламени горящих на воздухе предметов обычно составляет 450 - 500°С. Это довольно высокая температура, но из-за того, что пожарный в своем негорючем костюме находится в пламени очень небольшое время, костюм не успевает прогреться, и поэтому столь высокая температура оказывается для человека неопасной.
А как бы чувствовал себя человек в таком же костюме из негорючей ткани, если бы окружающая его среда имела температуру, даже в два-три раза меньшую, чем температура пламени, но время пребывания в ней исчислялось бы несколькими минутами? Видимо, это было бы небезопасно не только для здоровья, но и для жизни человека. Костюм из негорючей ткани ему бы не помог - за столь длительное время тело человека нагрелось бы до температуры окружающей среды, т. е. перегрелось. Аналогичная картина имеет место и при движении спускаемого аппарата в атмосфере. Если аппарат спускается по крутой траектории, к нему подводится в единицу времени большее количество тепла, чем при движении по пологой траектории. Но, для того чтобы тепло могло дойти до кабины аппарата, где помещается экипаж, требуется время. Это время зависит от характера и толщины теплозащитного слоя, нанесенного на наружную поверхность спускаемого аппарата, и характеристики теплоизоляции, которая находится под слоем теплозащиты.
Если спуск аппарата происходит быстро, то времени на прогрев может оказаться недостаточно и тогда, несмотря на большое количество тепла, подводимого к спускаемому аппарату в единицу времени извне, от раскаленных газов воздушной атмосферы, воздух внутри кабины не успеет сильно нагреться. При длительном спуске (по пологой траектории), хотя в единицу времени от менее раскаленного воздуха будет поступать меньшее количество тепла, все же успеет какая-то его часть пройти внутрь кабины спускаемого аппарата через теплозащитное покрытие и теплоизоляцию обшивки аппарата, что приведет к нагреванию воздуха и всех предметов, находящихся внутри кабины.
Таким образом, такие два показателя, от которых зависит безопасность спуска экипажа космического корабля на Землю, как перегрузка и нагревание, по-разному меняются от вида траектории снижения спускаемого аппарата в плотных слоях атмосферы. Уменьшение перегрузки требует плавной траектории, длительного времени спуска. Недопустимость перегревания кабины спускаемого аппарата, наоборот, требует спуска по более крутой траектории с малым временем пребывания аппарата в плотных слоях воздуха. Траекторию спуска выбирают такой, при которой перегрузки не превышали бы величины, допустимой для человеческого организма, и в то же время температура внутри кабины аппарата, где помещается экипаж, не была бы выше 40 - 50°С. Такую температуру человек может легко переносить. Имеющаяся уже довольно большая практика спуска обитаемых космических аппаратов с орбиты на Землю показывает, что допустимые величины перегрузок и температур воздуха внутри кабины обеспечиваются при времени снижения в плотных слоях атмосферы в течение 20 - 25 мин.
Мы рассмотрели условия спуска возвращаемого аппарата из ближнего или околоземного космоса. Находясь вблизи Земли и двигаясь вокруг нее, космический объект имеет скорость ~ 8 км/сек (первую космическую скорость). Для того чтобы космический корабль мог выйти в дальний космос, посетить какое-либо небесное тело нашей солнечной системы, он должен развить скорость 11,2 км/сек (т. е. вторую космическую скорость). И возвращаться ему из дальнего космоса тоже придется со второй космической скоростью. Как это влияет на условия спуска?
Прежде чем рассматривать спуск космического корабля на Землю после возвращения его из межпланетного полета, выясним, как происходит сближение космических объектов с таким небесным телом, как Луна.
Находясь на околоземной орбите, космический корабль имеет скорость движения, равную первой космической. Обладая этой скоростью, он не может упасть на Землю, но и удалиться от Земли, улететь к другим небесным телам тоже не может.
Рис. 16. Траектории искусственного спутника Земли при различных скоростях движения относительно земного шара.
Если кораблю сообщить скорость, большую, чем первая космическая, но меньшую второй космической, он будет продолжать двигаться вокруг Земли, улететь в межпланетное пространство он не сможет. Однако двигаться он будет не по круговой орбите, а по эллиптической (рис. 16). Длина большой оси эллипса будет тем большей, чем большую скорость (превышающую первую космическую) будет иметь космический корабль.
Нужно сказать, что почти все искусственные спутники Земли, находящиеся на околоземной орбите, движутся не по кругу, а по эллипсу. Почему? Иногда эллиптическая траектория искусственного спутника Земли бывает необходима для выполнения им своих задач в космосе. В этих случаях спутникам намеренно сообщают скорость несколько большую, чем первая космическая. По большей части траектория искусственных спутников получается эллиптической потому, что просто трудно обеспечить, чтобы скорость спутника на расчетной высоте точно соответствовала первой космической.
По мере увеличения скорости космического корабля его траектория движения превращается из эллиптической в параболическую. Скорость, при которой космический корабль приобретает параболическую траекторию, называется второй космической, она равна ~ 11,2 км/сек. Параболическая траектория, так же как и круговая, имеет только теоретическое значение. Полеты космических кораблей и необитаемых космических аппаратов к Луне и другим планетам солнечной системы (Марсу, Венере) проходят не по параболическим траекториям, а по гиперболическим. По параболе космический корабль может двигаться только при условии, если его скорость точно соответствует второй космической, а если она немного меньше, то он станет двигаться по замкнутой кривой - эллипсу, т. е. находиться около Земли и лететь к другим планетам солнечной системы не сможет. Если же кораблю сообщить скорость чуть большую, чем вторая космическая, его траекторией становится уже не парабола, а гипербола. Гипербола - незамкнутая кривая, и космический корабль, перейдя на гиперболическую траекторию, при движении по ней не может приблизиться к Земле. Он будет от нее все дальше и дальше удаляться и в конце концов потеряет с ней связь, т. е. перестанет чувствовать действие силы земного тяготения.
Таким образом, чтобы полететь на Луну или какую-либо планету солнечной системы, космическому кораблю, находящемуся на околоземной орбите, необходимо сообщить скорость равную или чуть большую, чем вторая космическая. Если после достижения космическим кораблем скорости, немного большей второй космической, выключить двигатель, то корабль будет продолжать двигаться по гиперболической траектории.
Рис. 17. В точке А сила притяжения тела Землей (F з) равна силе притяжения этого тела Луной (F л)
В космическом пространстве есть такое место, где тело, находящееся в этой точке, испытывает одинаковые силы притяжения со стороны Луны и Земли (рис. 17). Если кораблю сообщить скорость, достаточную для того, чтобы он смог долететь до этой точки и чуть перейти ее, то на него в большей степени будет действовать лунное притяжение, чем земное. До нейтральной точки, где тяготения Луны и Земли взаимно уравновешиваются, космический корабль летит, затрачивая сообщенную ему двигателем кинетическую энергию на преодоление силы тяготения Земли. На этом участке он как бы набирает высоту над Землей. Движение космического корабля после нейтральной точки под действием силы тяжести Луны следует уже рассматривать не как движение вверх по отношению к Земле, а как падение вниз, на Луну. Если при подъеме, т. е. при полете до нейтральной точки, корабль все время уменьшает скорость, то начиная с этой точки под действием тяготения Луны он все время ускоряется, скорость его увеличивается. Вблизи Луны скорость космического корабля достигает значения второй космической (но не для условий Земли, а для лунных условий). С помощью тормозного двигателя скорость корабля снижают до первой лунной космической скорости. Имея эту скорость, корабль будет двигаться вокруг Луны не падая и не удаляясь от нее. Лунная первая космическая скорость не равна первой космической околоземной скорости.
Ввиду того, что масса Луны в 81 раз меньше массы Земли, ускорение свободного падения для Луны оказывается меньше ускорения свободного падения для Земли, а первая лунная космическая скорость составляет всего лишь 1,7 км/сек. Что необходимо для того, чтобы космический корабль мог сойти с лунной орбиты и лететь к Земле? Очевидно, так же как и в случае отлета с Земли к Луне, ему необходимо сообщить так называемую вторую лунную космическую скорость. Для околоземного космического пространства вторая космическая скорость равна - 11,2 км/сек, для окололунного она значительно меньше. Космический корабль может выйти из зоны притяжения Луны и лететь к другим небесным телам солнечной системы, если скорость его немного превысит 2,4 км/сек. Имея эту скорость, космический корабль начнет удаляться от Луны, поднимаясь вверх по отношению к ее поверхности.
Двигаясь по гиперболической траектории, космический корабль будет удаляться от Луны, постепенно уменьшая скорость. Его кинетическая энергия будет переходить в потенциальную. Достигнув нейтральной точки, где действие силы притяжения Луной уравновешивается действием силы притяжения Землей, космический корабль начнет падать на Землю. В нейтральной точке космический корабль будет иметь максимальную потенциальную энергию (относительно Земли).
По мере приближения к Земле потенциальная энергия будет уменьшаться, а кинетическая - возрастать. Приблизившись к Земле, космический корабль приобретет скорость, приблизительно равную 11,2 км/сек, т. е. вторую космическую. С такай скоростью начинать спуск на Землю небезопасно. Перед тем как начинать спуск, необходимо уменьшить скорость корабля. Но как?
Мы уже определяли количество топлива, которое нужно сжечь в ракетном двигателе для того, чтобы уменьшить скорость космического корабля с 8 до 4 км/сек. Оказалось, что топлива для этого нужно слишком много, чтобы такой путь торможения космических объектов мог иметь практическое значение. Затормозить тело, двигающееся со скоростью 11,2 км/сек, еще труднее. Расчеты и практика космических полетов в Советском Союзе и США показывают, что задача торможения космических кораблей, двигающихся со второй космической скоростью, может быть успешно решена, если использовать тормозящее действие воздушной оболочки земного шара. При возвращении на Землю космического корабля из орбитального полета, когда скорость его ненамного превышает первую космическую, безопасный спуск с использованием тормозящего действия атмосферы можно осуществить, если обеспечить соответствующий угол входа корабля в плотные слои атмосферы. Корабль, входя постепенно во все более и более плотные слои воздуха, будет разогреваться и одновременно тормозиться, пока не достигнет поверхности Земли.
