Большие маневры

Наверное, не только мне интересно знать: почему для запусков космических кораблей, в особенности межпланетных зондов, так скрупулезно выбирают время старта? Из каких соображений космические баллистики выбирают ту или иную траекторию движения межпланетного зонда?

Владимир Панкратов ,

Санкт-Петербург

Схема полета космического корабля « Аполлон » к Луне и обратно.

Цифрами обозначено: 1 — старт с космодрома; 2 — выход на орбиту ИСЗ; 3 — второй старт; 4 — перестроение отсеков; 5 — отделение последней ступени;  6 — торможение; 7 — переход на селеноцентрическую орбиту; 8 — отделение лунной кабины; 9 — торможение; 10 — посадка; 11 — старт с Луны; 12 — сбрасывание взлетной ступени; 13 — отстыковка взлетной ступени с основным блоком; 14 — переход на траекторию полета к Земле; 15 — разделение; 16 — вход в атмосферу; 17 — приводнение.

Из пушки на Луну?

Помните, в знаменитом романе герои Жюля Верна строят громадную пушку и выстреливают из нее снаряд с людьми в сторону Луны?.. Критики говорили в свое время, что в таком снаряде путешественники погибли бы от перегрузок еще при выстреле.

Эта проблема, между прочим, решается относительно просто, если вместо пороха в пушке использовать электромагнитный ускоритель, постепенно разгоняющий снаряд, словно сердечник в катушке электромагнита. А тот факт, что путешественники не попали на Луну, поскольку прицел оказался неточным, почему-то привлекает меньше внимания. Между тем, для специалистов выбор траектории космического аппарата — задача из задач.

Да, казалось бы, чего проще: как только Луна покажется на небосводе, наводи пушку прямой наводкой — и огонь! На практике все иначе.

Во-первых, Луна представляет собой движущуюся цель. А каждый охотник знает, что по летящей цели нужно стрелять с упреждением. То есть целиться не в саму цель, а в то место, где она окажется, когда пуля преодолеет расстояние между ружьем и целью. Кроме того, движется сама Земля. Причем не только вокруг собственной оси, но и мчится вместе с Луной вокруг Солнца. А это тоже добавляет сложности.

Еще сложнее попасть в Венеру или, скажем, в Марс. Здесь приходится учитывать еще множество дополнительных условий: скорости перемещения обеих планет — Земли и Марса по своим орбитам, их взаимное местоположение в момент запуска межпланетного зонда и в момент приближения к конечной точке маршрута, влияние на движение гравитационных полей Солнца, планет-гигантов…

В общем, приходится учитывать столько факторов, что даже современные суперкомпьютеры должны работать многие часы подряд, прежде чем выдадут исходные данные для точного космического «выстрела». И это еще не все…

Одиссея «Аполлона»

Точность межпланетных расчетов не раз выверялась, например, при посылке автоматических исследовательских зондов на Луну. И все же при этом не раз случались накладки.

Станция «Луна-1», стартовавшая 2 января 1959 года, промахнулась мимо спутника нашей планеты и улетела неизвестно куда. Прицел «Луны-2» оказался точнее, и она врезалась в поверхность Луны. С одной стороны, хорошо, что расчеты баллистиков оказались верны, но много ли толку от такого «выстрела»?

Стало понятно, что нужно контролировать не только направление движения межпланетного зонда, но и менять его скорость по мере надобности.

Вспомните, что произошло с «ядром», выпущенным из пушки в романе Жюля Верна. Путешественники хоть и не попали на Луну, но, долетев до нее, развернулись в поле тяготения естественного спутника нашей планеты, да так удачно, что вернулись затем обратно на Землю.

И тут, надо сказать, им сказочно повезло. Потому что ни один специалист даже в наши дни не возьмется рассчитать подобный маршрут с достаточно высокой степенью вероятности. Все величины, которые приходится учитывать, можно измерить лишь с какой-то степенью допуска: многие из них все время меняются, являются в известной степени величинами случайными. И время запуска, и скорость стартующей ракеты, даже скорость и направление ветра при запуске — все это можно предсказать лишь с определенной степенью точности. А коль приблизительны исходные данные, значит, получишь и приблизительный результат.

Казалось бы, как старались баллистики, просчитывая траекторию полета корабля Ю.А. Гагарина! А когда тот вышел на орбиту, его траектория оказалась на несколько десятков километров выше расчетной. Это означало: если на расчетной орбите корабль «Восток» мог затормозиться самостоятельно, используя верхние слои атмосферы, и сесть примерно через неделю после старта (на этот срок были рассчитаны аварийные запасы воздуха, воды и еды на борту), то с реальной траектории корабль смог бы спуститься лишь через месяц…

Экипаж « Аполлона-13 ».

Все обошлось благодаря тому, что на борту корабля имелась собственная тормозная установка, позволившая подкорректировать траекторию полета. И «Восток» с первым космонавтом на борту благополучно приземлился уже через 108 минут после старта.

Иметь возможность исправить ошибки, подкорректировать траекторию во время полета необходимо по многим причинам.

Взгляните, например, по какой сложной траектории добирались астронавты на Луну во время экспедиции «Аполлон». Они не двинулись сразу к естественному спутнику нашей планеты, а сначала кружились вокруг Земли, постепенно набирая скорость. Тому были свои причины.

Для того чтоб аппарат стал искусственным спутником Земли, он должен достичь первой космической скорости, равной примерно 8 км/с. А вот для полета к Луне нужна уже вторая космическая скорость — 11,2 км/с.

Подлетев к естественному спутнику нашей планеты, корабль должен притормозить — только тогда он не пролетит мимо, а станет спутником Луны. А уж с этой орбиты непосредственно на ее поверхность отправляется спускаемый лунный модуль — по сути, автономный маленький корабль, который после выполнения космонавтами программы доставляет их на окололунную орбиту.

Все операции проходят в точно назначенное время, с включением двигателя на строго определенное число секунд. Все остальное время корабль летит по инерции. И все это, как ни странно, позволяет не только сэкономить немало топлива, но однажды непосредственно спасло жизнь людям.

Во время очередного полета, 11 апреля 1970 года, на межпланетном космическом корабле «Аполлон-13» взорвался один из баков. Вытекло топливо, произошла утечка кислорода из кабины. Казалось, спасти экипаж уже невозможно. Тем не менее, специалисты на Земле нашли выход из положения. Они предложили астронавтам перейти в лунный модуль и, используя его запасы кислорода, дожидаться там, пока корабль не долетит до Луны. В этот момент, используя опять-таки двигатель модуля, траекторию движения подкорректировали так, что корабль облетел вокруг Луны и, используя ее притяжение, развернулся и взял курс к Земле. Через 142 часа 55 минут после начала полета донельзя измотанные, но живые Дж. Ловелл, Дж. Сунджерт и Ф. Хейс благополучно приводнились в Атлантическом океане.

Тот же прием был использован для спасения искусственного спутника Земли. При выведении его на орбиту забарахлил один из блоков ракеты-носителя, и спутник оказался на куда более вытянутой орбите, чем полагалось. Что делать?

Баллистики просчитали все возможные варианты и, использовав маневровые двигатели спутника, подправили его траекторию таким образом, что он улетел сначала к Луне, а затем, развернувшись вокруг нее, вернулся на земную орбиту в точно рассчитанном месте.

Во Владивосток через Петербург?

Вы заметили, наверное, что притяжение планет можно использовать не только для разворота межпланетных зондов и кораблей, но и для их ускорения. Скажем, когда в 1997 году запускали зонд «Кассини», предназначенный для обследования окрестностей Сатурна, то отправили его сначала к… Венере. И лишь разогнавшись в ее гравитационном поле, зонд отправился к пункту назначения.

Казалось бы, такой способ напоминает путешествие из Москвы во Владивосток через Петербург, но в расчетах специалистов была своя логика. Из-за протестов защитников окружающей среды против использования на зонде атомного реактора запуск пришлось несколько раз откладывать, и прямой путь к Сатурну оказался заказан. Тогда баллистики проложили маршрут так, что путь хотя и удлинился, но оказался намного экономичнее за счет так называемого эффекта пращи.

Суть этого эффекта в следующем. Если скорость движения космического аппарата достаточно велика, то он не падает на поверхность притягивающей его планеты, мимо которой пролетает, а его траектория лишь искривляется. Варьируя расстояние и скорость, можно добиться, чтобы траектория пролета оказалась именно такой, какая нужна. Например, тяготение может заставить аппарат сделать один или несколько оборотов вокруг планеты. При этом происходит примерно то же, что и при раскручивании камня в ремешке пращи. С каждым оборотом скорость межпланетного зонда все возрастает. И когда наконец он преодолевает гравитационное притяжение, скорость его движения может стать в несколько раз больше исходной. И ни грамма топлива для этого расходовать не надо.

Тот же способ, кстати, использовали несколько лет назад японские специалисты, когда выяснилось, что научный зонд «Нодзоми» («Надежда»), запущенный в июле 1998 года с помощью твердотопливной ракеты-носителя М-5, в результате технических накладок не выйдет на околомарсианскую орбиту, как планировалось, а пролетит мимо. Использовав остававшееся на борту зонда топливо, баллистики подкорректировали его орбиту так, что он улетел к Юпитеру, а затем, развернувшись в его гравитационном поле, повернул снова к Марсу.

В тот момент, когда пишутся эти строки, специалисты ждут, оправдаются ли их расчеты. Впрочем, даже если «Нодзоми» и не станет спутником Марса, как планировалось, длительное космическое путешествие уже принесло кое-какие плоды. В ходе его получены тысячи фотографий Марса, Юпитера и других небесных тел Солнечной системы.

Зонд « Нодзоми » перед стартом.

Подобным опытом исследователи надеются пользоваться и в дальнейшем. Специалисты из Лаборатории реактивного движения в Пасадене (штат Калифорния, США) подумывают даже о том, чтобы создать атлас межпланетных «шоссе», которые позволят сделать космические путешествия по Солнечной системе более дешевыми и скоростными.

Идею создания такого атласа подал ведущий инженер лаборатории Мартин Ло, опираясь как на эффект космической пращи, так и на точки Лагранжа. Об эффекте пращи уже сказано. Но не следует также забывать, что многие планеты имеют собственные спутники и нельзя не учитывать гравитационное взаимодействие между ними.

Наша Земля, например, в совокупности с Луной создает несколько так называемых лагранжевых точек, где силы тяготения Луны и Земли уравновешивают друг друга. (Впервые задачу о гравитационном равновесии трех тел поставил французский математик Жозеф Луи Лагранж в XVIII веке, отсюда и название.) В таких точках космический корабль может двигаться, затрачивая для маневра минимум горючего.

Так вот, определив все лагранжевы точки нашей Солнечной системы, Мартин Ло создал карту «межпланетного хайвея». Если прокладывать трассы межпланетных путешествий через них, можно сделать полет гораздо дешевле.

Задачи на равновесие небесных тел Ж. Лагранж начал решать еще в XVIII веке.

Г. СМИРНОВ

 

«Ракета» на шоссе

Недавно услышал по радио о новом четырехколесном мотоцикле «Томагавк». Известны ли какие-либо подробности о нем?

Саша Капустин ,

г. Ижевск

Впервые показанный на последнем Североамериканском Международном автосалоне в Детройте, этот мотоцикл привел публику в восторг. «Его не случайно назвали «Томагавком», позаимствовав это имя у крылатой ракеты, — писали газеты. — Ведь максимальная скорость новой машины 420 миль в час!»

Что уж говорить о заявленной скорости. Четыреста двадцать миль, или почти 670 км/ч. Кто и на каком шоссе может лететь почти как самолет?

Такую скорость, по идее, мотоциклу обеспечит двигатель Viper V10 мощностью в 500 л.с. с общим объемом цилиндров в 8,3 л. А повышенную устойчивость машине создадут не два, как обычно, а четыре колеса. Как видно на снимках, они сдвоены. Причем так хитро, что даже при поворотах, когда мотоциклист вместе с машиной наклоняется, входя в вираж, мотоцикл будет цепляться за грунт всеми четырьмя шинами (см. фото).

Огромный мотор занял почти все пространство. И чтобы его разместить, мотоцикл пришлось сделать необычно длинным — его общая длина — 260 см. Соответственно возросла и масса: несмотря на то, что сделан мотоцикл в основном из легких алюминиевых сплавов, его вес — 680 кг. Так что если он вдруг все же завалится набок, одному его не поднять.

Расход горючего в паспортных данных не указан. Но ясно, что он не мал: бак мотоцикла столь велик, что мотоциклист вынужден не сидеть, а скорее лежать на этом «алюминиевом коне». Впрочем, об экономии никто не думал. Все здесь сделано на заказ из огромных цельных блоков алюминия, отфрезерованных до нужного размера.

Обратите внимание на вилки подвески задних и передних колес. Они не вертикальные и даже не наклонные, как на обычных мотоциклах, а горизонтальные. При резком разгоне и торможении вертикальные вилки могли бы попросту сломаться.

Чтобы остановить такую махину, пришлось оснастить ее мощными дисковыми тормозами, способными намертво «прихватить» и гоночный автомобиль.

Тем не менее, по мнению известного гонщика Дэйва Кампоса, не раз разгонявшегося на мотоциклах до скорости более 200 км/ч, вряд ли найдется смельчак, который сможет достичь на новом супербайке 300-километрового рубежа. «На высоких скоростях гонщика просто сорвет с мотоцикла встречным потоком воздуха», — сказал он. Поразмыслив немного, и сами создатели Dodge Tomahawk снизили планку. Сейчас речь идет уже о скорости «в 300 миль с небольшим», или о 480 км/ч. И достичь ее решили не на шоссе и даже не на гоночной трассе, а в ходе показательного заезда по дну соляного озера, где обычно проводят заезды рекордных автомобилей.