Всё о космических путешествиях за 60 минут - Пол Парсонс

В 1998 году АМС NASA Deep Space 1 стартовала с Земли на борту Delta II – жидкостной ракеты с тремя твердотопливными ускорителями. Оказавшись в космосе, станция запустила ионный двигатель и отправилась в путешествие по Солнечной системе. Она пролетела мимо кометы и астероида и смогла получить фотографии обоих, а также научные данные о них. В течение своей трехлетней миссии ионный двигатель изменил скорость космического аппарата более чем на 4000 м/с, использовав менее 74 кг своего ксенонового газообразного топлива.

Черт возьми, эта штука взлетела!

Илон Маск (2018)

В настоящее время ученые разрабатывают новые двигатели, способные обеспечивать еще более высокие скорости выхлопа – до сотен тысяч или миллионов метров в секунду. Аппараты с такими двигателями по сути являются продолжением оригинальных идей Циолковского, которым более ста лет. И однажды благодаря им люди смогут попасть в самые отдаленные уголки Солнечной системы или даже за ее пределы.

03. Используйте силу[8]

Рекомендация не бросаться из окна второго этажа является частью науки о взаимном притяжении тел.

Артур Бальфур (1893)

Пейзаж космоса создается гравитацией. Гравитационное поле удерживает Луну около Земли и обуславливает ее вращение вокруг планеты. В течение последних 4,6 миллиарда лет гравитация удерживала планеты Солнечной системы, вращающиеся против часовой стрелки вокруг Солнца. Само Солнце сформировалось в результате коллапса под действием силы тяжести огромного облака газообразного водорода, и теперь, как и сопровождающая его свита из планет, оно вращается вокруг центра нашей галактики Млечный Путь, совершая один оборот за 230 миллионов лет. Млечный Путь – часть более обширного скопления галактик и нитей космического материала, которые пронизывают Вселенную и продолжают свой танец благодаря гравитации. От яблок, падающих с деревьев, до рождения и смерти всей Вселенной – за все ответственна гравитация, и только она.

Таким образом, неудивительно, что, поскольку притяжение Солнца определяет орбиты планет, оно определяет и траектории космических аппаратов, летящих сквозь Солнечную систему от одного небесного тела к другому. Преодоление гравитации Земли – основное препятствие для достижения космоса, и ракеты расходуют огромное количество топлива, чтобы добиться этой цели. Однако, когда аппараты уже в космосе, гравитация может оказаться другом – если знать, что делать.

Всемогущая гравитация

Первая научная теория гравитации принадлежит британскому математику и физику сэру Исааку Ньютону, опубликовавшему ее в 1687 году. Выведенный им закон всемирного тяготения определяет величину гравитационной силы, действующей между двумя телами, с учетом их масс и расстояния между ними. Благодаря этому закону появилась возможность точно описать движение планет. С его помощью Ньютон объяснил, почему соблюдаются законы движения планет, открытые в начале XVII века немецким астрономом Иоганном Кеплером. Кеплер сформулировал свои законы, изучая таблицы астрономических наблюдений, записывая, как положения планет менялись со временем, и отыскивая взаимосвязи, которые могли бы объяснить эти данные. Закон тяготения Ньютона дал эмпирической модели Кеплера прочную научную основу.

Хотя гравитация – безусловно, самая слабая сила природы, ее подспудное и совокупное действие определяет окончательную судьбу не только отдельных астрономических объектов, но и всего космоса.

Пол Дэвис (1994)

Кэтрин Джонсон (1918–2020)

Кэтрин Коулман (Джонсон – фамилия ее второго мужа) родилась 26 августа 1918 года в городе Уайт-Салфер-Спрингс в штате Западная Вирджиния. Проявив незаурядные математические способности, она с отличием окончила Государственный колледж Западной Вирджинии уже в 1937 году, когда ей было всего 18 лет. А позже стала третьим афроамериканцем, получившим степень доктора математики. В 1953 году она начала работать в National Advisory Committee for Aeronautics («Национальный консультативный комитет по воздухоплаванию»), или NACA (впоследствии был преобразован в NASA). Джонсон часто называли человеком-компьютером, поскольку она вручную выполняла сложные вычисления, которые сегодня производятся лишь в электронном виде. Например, именно она рассчитала траекторию полета, благодаря которой Алан Шепард стал первым американцем в космосе. На протяжении всей своей карьеры Джонсон приходилось преодолевать немало трудностей – как афроамериканке, работавшей в области, где доминировали белые мужчины. В 2015 году ее удостоили Президентской медали Свободы – одной из высших наград США, вручаемых гражданским лицам.

Первый закон Кеплера гласит, что орбиты планет не совпадают по форме с окружностью, а, как правило, являются эллиптическими (овальными). На самом деле большинство планет Солнечной системы движутся вокруг Солнца по почти круговым траекториям, единственное явное «исключение» – Меркурий: его орбита находится на расстоянии 46 миллионов километров от Солнца в перигелии (ближайшей к Солнцу точке орбиты) и в 70 миллионах километров в афелии (самой дальней точке).

Эти же законы применимы к космическим кораблям, которые движутся по Солнечной системе – но не за счет своих двигателей, а исключительно под действием силы тяжести. На момент написания этой книги два космических аппарата, солнечный зонд «Паркер» NASA и китайский «Чанъэ-2», находятся, подобно планетам, на гелиоцентрических орбитах, являясь искусственными спутниками Солнца. «Вояджеры», запущенные в 1970-х годах к внешним планетам Солнечной системы, тоже свободно фланируют в гравитационном поле нашей звезды, хотя эти аппараты уже вошли в межзвездное пространство и движутся так быстро, что даже сила притяжения Солнца не в состоянии вернуть их домой.

Законы Солнечной системы

Немецкий астроном Иоганн Кеплер вывел законы движения планет, которые фактически управляют всем в Солнечной системе, включая кометы, метеориты и космические корабли, после изучения данных, собранных датским астрономом Тихо Браге. Не буду вдаваться в математические подробности и раскрою здесь лишь суть этих законов. Первый закон гласит, что планеты движутся по эллипсу, а Солнце располагается в одном из фокусов этого эллипса. Согласно второму закону радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, «заметает» равные площади за равные промежутки времени по мере движения планеты. Третий закон заключается в следующем: если время, затрачиваемое планетой на один оборот (период обращения), возвести в квадрат, это число будет пропорционально кубу наибольшего диаметра ее орбиты. Так, если эллипс станет больше в четыре раза, время обращения увеличится в восемь (43 = 64; √64 = 8).

Но мы слишком торопимся. Из предыдущей главы вы помните, как ракеты используются для поднятия космических кораблей с поверхности Земли до линии Кармана, которая обозначает границу между атмосферой нашей планеты и космосом. Так вот, если учесть то, что Ньютон и Кеплер поведали нам о гравитации и орбитах, как именно космический корабль прокладывает свой курс от берегов космического океана в межпланетное пространство?

Отправляемся!

Самый простой вид полетов в космос, который допускает гравитация, – это суборбитальные полеты: ракета взлетает