Маршруты межпланетных кораблей
Данная винтажная статья выкладывается на сайт в честь 60-летия полета первого человека в космос.
Содержание:
Уже при полете к Луне и вокруг Луны приходилось учитывать не только притяжение Земли и Луны, но и притяжение Солнца. Роль Солнца резко возрастает, как только мы приступаем к расчету новых путей в космос, за пределы системы Земля – Луна, к ближайшим и в то же время наиболее загадочным планетам солнечной системы – к Марсу и Венере.
Марс и Венера – соседи Земли. Орбита Венеры расположена внутри земной орбиты, в 42 млн. км от нее; орбита Марса – снаружи, на среднем расстоянии 75 млн. км. Кратчайшие расстояния между Землей и этими планетами могут составлять соответственно 39 и 56 млн. км.
Марс давно уже привлекает внимание астрономов – ведь его природные условия более, чем у других планет, напоминают земные. Марс окружен атмосферой, которая у поверхности в 10-12 раз разреженнее земной. На Марсе есть вода, проявляющая себя в виде белых пятен инея или льда у полюсов, а также в виде тонких облаков, состоящих скорее всего из ледяных кристалликов, плавающих в атмосфере планеты. С распространением влаги связано, по-видимому, периодическое потемнение обширных областей, сопровождающее таяние «полярных шапок» Марса.
Большую честь поверхности Марса занимают оранжево-красные пространства, похожие на наши пустыни. Их называют «материками». Меньшую часть занимают темные области, получившие название «морей», хотя их природа совсем иная. Большинство ученых считает, что «моря» – это области, покрытые растительностью. Раскрыть многие из загадок Марса мы сможем, вероятно, уже в ближайшие годы, когда к Марсу полетят автоматические ракеты, снабженные приборами для съемки и передачи изображений на далекие расстояния. По каким же путям полетят эти межпланетные корабли?
ПОЛЕТ К МАРСУ
Перелет на Марс может продолжаться различное время в зависимости от начальной скорости и траектории полета. После разгона ракеты с помощью двигателей и придания ей скорости определенной величины и направления ее двигатели, как известно, выключаются, и дальнейший полет происходит уже под действием сил притяжения Солнца и планет, или, как говорят астрономы, по законам небесной механики. Наиболее выгодным, с точки зрения экономии горючего, будет перелет по полуэллилсу, касательному к орбитам Земли и Марса. В этом случае ракете нужно сообщить начальную скорость 11,59 км/сек – лишь на 0,23 км/сек больше, чем у первой советской космической ракеты. Это значит, что полет на Марс не требует значительного увеличения мощности двигателей по сравнению с теми мощностями, которые уже были достигнуты при пуске советских космических ракет. Перелет по полуэллилсу займет 259 суток, или восемь с половиной месяцев.
Но стоит увеличить начальную скорость до 12 км/сек, и срок перелета сократится до 150 суток. За счет чего же получится выигрыш времени в 109 суток? Это произойдет не только за счет увеличения скорости, но и в результате изменения траектории полета: дуга эллипса становится короче. Орбиту Марса такая ракета пересечет под некоторым углом и будет опускаться на поверхность планеты с большей скоростью, чем в первом случае: 8,7 км сек вместо 5,7 км/сек.
Еще более быстрым и коротким был бы перелет с Земли на Марс по параболической траектории. Если сообщить ракете начальную скорость 16,7 км/сек, она достигнет поверхности Марса за 70 суток. Но посадка на поверхность Марса представит серьезные трудности, так как скорость к моменту встречи с планетой достигнет 20,9 км/сек и ее торможение потребует значительного расхода горючего.
Может показаться странным, что скорость ракеты, удаляющейся от Солнца, возрастает с 16,7 км/сек до 20,9 км/сек. На самом деле скорость ракеты относительно Солнца (гелиоцентрическая скорость) при перелете от Земли к Марсу по параболе убывает от 42,1 до 34,1 км/сек. Приведенные же выше значения скоростей ракет показывают, как быстро будут они двигаться относительно Земли и Марса. Это планетоцентрические скорости, зависящие не только от скорости самой ракеты, но и от скорости движения планеты по ее орбите, а также от угла встречи траектории ракеты с орбитой планеты.
При расчете траекторий будущих ракет нужно знать их гелиоцентрические скорости. Именно они определяют форму орбиты и время перелета. Для определения расхода горючего надо знать планетоцентрические скорости взлета и посадки, которые надо набрать или погасить работой двигателя.
Будущим космонавтам придется учитывать, что взаимное расположение Земли и Марса, движущихся по своим орбитам, непрерывно изменяется и вылет с Земли на Марс, а также с Марса на Землю возможен не в любой день, а в строго определенные моменты.
В варианте возможного перелета на Марс (по полуэллилсу) путешественникам пришлось бы дожидаться благоприятного момента для возвращения на Землю 15 месяцев, а вся экспедиция заняла бы 2 года 8 месяцев.
Если космический корабль имеет возможность взлетать по параболической траектории, можно выбрать такое расположение обеих планет, чтобы пребывание на Марсе продолжалось всего 13 суток (для первых исследований этого будет достаточно), а все путешествие туда и обратно заняло S месяцев. Выигрыш во времени колоссальный, но он может быть получен дорогой ценой: скорость отлета с Марса должна равняться 21 км/сек вместо 5,7 км/сек при полете по полуэллипсу, а с учетом торможения при спуске на Землю энергии потребуется в 4,3 раза больше, чем при полете по полуэллипсу.
Одинаковое взаимное расположение Земли и Марса на их орбитах повторяется в среднем один раз в 2 года 50 суток. Из-за эллиптичности орбиты Марса даже через этот срок его положение относительно Земли будет несколько иным, как это можно видеть на примере противостояний Марсе; лишь при некоторых из них, называемых «великими», расстояние между обеими планетами сокращается до 56 млн. км.
В УСЛОВИЯХ МАРСА
Сила притяжения на Марсе почти в два с половиной раза меньше, чем на Земле, поэтому минимальная скорость взлета и посадки космического корабля здесь почти вдвое меньше, чем на нашей планете. Зато, хотя плотность атмосферы Марса у поверхности в 12 раз меньше, чем плотность атмосферы Земли, она убывает с высотой гораздо медленнее, чем у нас. На высоте 28 км плотности обеих атмосфер становятся равными, а еще выше марсианская атмосфера оказывается плотнее земной. Поэтому, например, метеоры там сгорают на больших высотах, чем в нашей атмосфере, а значит, и торможение космического корабля при подлете к Марсу начнется раньше, чем при подлете к Земле.
Для будущих космонавтов важно знать, можно ли дышать в атмосфере Марса или хотя бы добывать из нее кислород. На первый вопрос астрономические данные дают отрицательный ответ. На второй – окончательного ответа пока нет, так как кислород в атмосфере Марса пока не обнаружен. Но не исключена возможность, что его удастся получить химическим путем из марсианских минералов, красноватый цвет которых говорит о наличии в них окислов железа. Запасы воды путешественники найдут в полярных шапках Марса, состоящих, по-видимому, изо льда. Жить на Марсе придется первое время в ракете, а затем – в герметических жилищах с искусственным климатом, выходить придется в скафандрах.
ВЕНЕРА – ПЛАНЕТА НЕИЗВЕСТНОСТИ
О природе Венеры мы знаем гораздо меньше, чем о природе Марса. Эта таинственная планета окутана столь плотным слоем облаков, что за ним мы совершенно не видим еэ поверхности. Согласно одной из гипотез вся поверхность Венеры покрыта сплошным океаном, согласно другой – наоборот, там нет даже больших морей. Мы не знаем, есть ли на Венера горы или леса, из чего состоят облако, плавающие в ее атмосфере, какие газы, кроме углекислого газа и азота, входят в ее состав.
Перелет на Венеру по полуэллипсу с начальной скоростью 11,48 км/сек займет 146 суток. В этом случае вынужденное пребывание на планете составит 467 суток, а все путешествие – 2 года с лишним. Переход на параболическую траекторию даст в этом случае меньшие выгоды, чем при полете на Марс; правда, перелет по параболе займет всего 35 суток, но ожидание на Венере отнимет 490 суток, а общая длительность экспедиции составит более полутора лет. Скорость взлета и посадки на Венеру в первом случае составит 10,7 км/сек, во втором – 17,8 км/сек.
Полеты на другие планеты представляют меньший интерес. Лететь на Меркурий опасно из-за высокой температуры вблизи Солнца, к которому Меркурий в 2,5 раза ближе, чем Земля. Перелет на эту планету занял бы 105 суток по полуэллипсу и 38 суток по параболе. На далеких планетах, начиная с Юпитера, напротив, очень холодно – ниже 100 градусов мороза. Да и полет к этим планетам даже по параболе занял бы от 1 года до 19 лет в одни конец. К тому же мощное притяжение Юпитера и Сатурна затруднит спуск ракеты, так что при этом потребуется сильное торможение, а затем при взлете придется набирать скорости в 40-60 км сек. Не исключена, впрочем, возможность посадки на их спутники, которые немногим уступают по размерам Марсу.
Когда же будет осуществлен полет ракеты к Марсу или Венере? Не будем делать прогнозов. Но ясно одно: такие полеты – дело ближайшего будущего.
источник: В. Бронштэн, рис. Е. Борисова «Маршруты межпланетных кораблей» «Техника-молодежи» 1960-01, стр.14-15
