В. Парфенов - Возвращение из космоса

Сразу же возникает вопрос: почему искусственные спутники Земли, летающие в «жарких» верхних слоях атмосферы, не плавятся и даже сохраняют температуру своих стенок, близкую к обычной?

Дело в том, что воздух там очень сильно разрежен, и поэтому тепло от него к поверхности летательного аппарата передается плохо. Ведь количество тепла, которое получает тело в нагретом воздухе, определяется не только скоростью движения молекул, но и количеством «ударов» этих быстрых молекул о поверхность аппарата. А число ударов зависит от плотности воздуха.

Плотность воздуха тоже не остается постоянной. На высоте 10 км она почти в четыре раза меньше, чем на уровне моря, где давление воздуха считается нормальным. На расстоянии 20 км от Земли давление воздуха составляет 6 %, а на высоте 100 км — всего 4 стотысячных процента нормального давления. Примерно так же изменяется и плотность воздуха.

С поднятием в верхние слон атмосферы масса воздуха, заключенного в одном кубическом метре, становится все меньше и меньше. Если на уровне моря кубометр воздуха имеет массу в 1 кг 225 г, то на высоте 30 км — всего 18 г.

Какую же глубину имеет воздушный океан?

Совсем недавно ученые полагали, что уже на высоте 1000 км исчезают следы воздуха. Искусственные спутники Земли сообщили другое-сильно разреженная газовая среда, способная тормозить полет летательного аппарата, простирается на высоту 2500–3000 км над уровнем земных морей [5]. Но еще выше простирается так называемая внешняя атмосфера: ее следы обнаруживаются до высоты многих тысяч километров!

Таким образом, воздушный океан, на дне которого кипит жизнь, самый глубокий. В отличие от водных океанов он не имеет резко очерченных границ и постепенно переходит в вакуум мирового пространства. Это свойство имеет огромное значение для постепенного гашения космической скорости при возвращении космического летательного аппарата в атмосферу Земли. Ведь если бы воздушный океан и межпланетное пространство имели такую же резкую границу, как вода и воздух, то возвращающийся космический корабль неминуемо разбился бы о поверхность воздушного океана.

Представим себе, что космический корабль выполнил задание по исследованию одной из планет и возвращается на Землю. Он летит во много раз быстрее артиллерийского снаряда, выстреленного из мощной пушки.

Если бы межпланетный корабль вошел в воздушный океан без снижения скорости, он сгорел бы подобно небесному камню еще на подступах к плотным слоям атмосферы. Ведь при торможении тела, движущегося с огромной скоростью, его энергия движения переходит в тепловую. Именно поэтому расплавляется свинцовый сердечник пули при ударе о каменную стену, нагревается молоток при ковке металла. Космический аппарат перед спуском на Землю должен много раз облететь вокруг земного шара в верхних слоях атмосферы, чтобы снизить свою скорость прежде всего до первой космической, равной около 8 км/сек. Это скорость, при которой аппарат становится спутником нашей планеты.

Как это сделать наиболее рационально, с какой стороны подойти к голубому океану Земли, под каким углом «нырнуть» в него, чтобы не сгореть, подобно метеору, и по возможности быстрее стать спутником Земли?

Прежде всего космонавты на межпланетном корабле будут иметь в виду, что их родная планета вращается вокруг своей оси. За 24 часа каждая точка на экваторе пробегает путь около 40000 км (такова окружность Земли). Таким образом, часовой пробег каждой точки поверхности на экваторе равен 1666 км. Не все современные самолеты имеют такую скорость.

По отношению к наблюдателю, находящемуся на Северном полюсе, наша планета вращается против часовой стрелки. Поэтому на круговую орбиту межпланетный корабль должен выходить «вдогон» Земли, вращающейся вокруг своей оси с запада на восток. В этом случае скорость корабля относительно точки, расположенной на экваторе, будет меньше почти на полкилометра в секунду. Но все же скорость корабля по отношению к Земле будет огромной. Насколько же близко от планеты надо пройти первый раз космическому аппарату, летящему с определенной скоростью, чтобы, с одной стороны, под действием земного притяжения изменить направление движения и обогнуть планету, а с другой — не сгореть при входе в атмосферу?

Ученые теоретически давно разработали возможные способы перехода возвращающегося из космоса межпланетного корабля на орбиту вокруг Земли. Один из них, называемый методом возвращения по тормозным эллипсам [6], мы сейчас разберем. Межпланетный корабль (рис. 2) движется в район Земли по параболе со скоростью 11,2 км/сек и пронзает воздушный океан, лишь касаясь плотных слоев атмосферы В этих слоях атмосферы скорость снижается, а крылья корабля создают «подъемную» силу, направленную к центру Земли. Эта сила, прижимая корабль к Земле, искривляет траекторию полета и выводит корабль сначала на эллиптические, а затем и на круговую траектории.

На круговую орбиту корабль не может перейти сразу, ему придется совершить несколько оборотов по эллиптической траектории.

Продолжительность каждого оборота будет определяться тем, насколько близко от поверхности планеты космический корабль пройдет первый раз. Так, например, если при первом «тормозном» эллипсе он пройдет на высоте около 80 км, то будет обращаться, снижая скорость, в течение девяти суток. Затем выйдет на круговую орбиту, полностью находящуюся в пределах атмосферы. Если же межпланетный корабль пролетит на высоте около 65 км, то время торможения составит всего 9 часов.

Следовательно, для быстрого уменьшения скорости выгодно направлять возвращающийся из космоса аппарат таким образом, чтобы уже при первом огибании земного шара он прошел на возможно меньшем расстоянии от поверхности нашей планеты.

Однако это невыгодно из-за чрезмерного аэродинамического нагрева и больших перегрузок, которые будет испытывать корабль. Так, если перигей (ближайшая к Земле точка) первого тормозного эллипса равен 80 км, то поверхность аппарата разогреется примерно до 100 °C, а ускорение не превысит 0,2 ускорения силы тяжести на земной поверхности. Если же корабль пройдет на высоте 67 км, то ускорение превысит земное в 1,8 раза, а температура обшивки достигнет 150 °C.

Вот почему при управлении летательным аппаратом, возвращающимся из космоса по тормозным эллипсам, необходимо с очень высокой точностью измерять величину и направление его скорости. Расчеты показывают, что ошибка в измерении направления скорости всего на одну сотую градуса приведет к отклонению высоты перигея первого тормозного эллипса на 12 км. При отклонении скорости корабля от заданной всего на 0,0015 км/сек величина перигея изменится на 9 км. Неточность в определении направления полета летательного аппарата на 0,01 градуса на расстоянии в четыре земных радиуса увеличит продолжительность торможения в пять раз.