Всё о космических путешествиях за 60 минут - Пол Парсонс

Точки Лагранжа отлично подходят для «парковки» космических аппаратов. Несколько наблюдающих за Солнцем зондов размещены в точке L1 в системе Земля – Солнце, а космический телескоп «Джеймс Уэбб», запуск которого планируется в 2021 году, будет располагаться в точке L2 за неосвещенной Солнцем стороной Земли, откуда он сможет наблюдать небеса, оставаясь в вечной темноте.

Даже во время путешествия к месту назначения гравитация может стать вашим другом. Гравитационное поле других планет иногда используется для увеличения скорости летящего космического аппарата, и запускать двигатели при этом не требуется. Подобные гравитационные маневры – отличный способ сэкономить топливо и достигнуть отдаленных мест.

Космический аппарат, приближаясь к планете в состоянии покоя, испытывает гравитационное притяжение, ускоряющее его, а затем, как только он пролетит мимо, равная по величине и противоположная по направлению сила начнет замедлять его. Но планеты не стационарны – они непрерывно обращаются вокруг Солнца, – и движущаяся планета передает часть своего импульса космическому аппарату во время его пролета. Это чем-то напоминает отскок мячика от ракетки для настольного тенниса: если ракетка неподвижна, мяч отскакивает назад с той же скоростью, с которой прилетел. Однако если энергично отбить мяч ракеткой, после столкновения он будет двигаться намного быстрее. То же самое и с гравитацией: движущаяся планета может «захватить» своим полем пролетающий мимо космический аппарат, а затем отправить его дальше с гораздо более высокой скоростью.

«Вояджер-2», запущенный NASA в 1977 году к внешним планетам Солнечной системы, использовал череду гравитационных маневров для полета от одной планеты к Другой. Это стало возможным благодаря редкому явлению – параду планет, происходящему раз в 176 лет. Гравитационные маневры также помогают замедлять космические аппараты в случае необходимости. Это было сделано, к примеру, в ходе полетов к Меркурию и Венере – внутренним планетам Солнечной системы. Двигаясь к ее центру, аппараты ускоряются за счет гравитации Солнца – она создает избыточную скорость, которую нужно гасить.

В каком-то смысле гравитации не существует; то, что движет планетами и звездами, – это искажение пространства и времени.

Митио Каку (2000)

Все относительно

Хотя закон тяготения Ньютона позволяет довольно точно моделировать поведение космического аппарата, летящего по Солнечной системе, он не стал последним словом в вопросе о том, как на самом деле работает сила притяжения. В 1915 году немецкий физик Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, которая описывает гравитацию как искривление пространства и времени (по Эйнштейну, это единое целое – пространство-время). Согласно этой теории массивные небесные тела искажают ландшафт пространства-времени, создавая своего рода холмы и долины, которые затем, в свою очередь, определяют движение объектов, проходящих через них. В нашей Солнечной системе масса звезды создает в пространстве-времени гигантскую впадину в форме воронки – и планеты вращаются вокруг Солнца по своим орбитам, словно шарики, пущенные кататься вокруг конуса этой воронки.

Эйнштейн пришел к этой теории после того, как сформулировал специальную теорию относительности (спустя 10 лет). Она представляла собой новый взгляд на науку о движущихся телах и, по сути, породила знаменитое уравнение Е = тс2, связывающее энергию (Е) и массу (т) со скоростью света (с) и ставшее основой для ядерной энергетики. Но специальная теория не учитывала гравитацию. Пытаясь исправить это, Эйнштейн осуществил мысленные эксперименты, в рамках которых построил различные сценарии в специальной теории относительности, а затем «поместил» их в гравитационное поле и попробовал понять, что должно произойти. Эти игры разума убедили его в том, что правильный путь объяснения гравитации состоит в том, чтобы изогнуть пространство и время в его специальной теории. И так общая теория относительности была подтверждена экспериментально.

Хотя ньютоновской теории гравитации не хватает точности, ее недостаток компенсируется простотой. Общая теория относительности же сложна, и к тому же в большинстве случаев законы Ньютона вполне подходят для анализа космического полета в пределах Солнечной системы.

04. Как остаться в живых в космосе

Хьюстон, у нас проблема.

Джеймс Артур Ловелл (2011)

Десятки смельчаков погибли, стремясь исследовать космос. Суть проблемы достаточно проста: люди – хрупкие существа, а космические путешествия невероятно опасны. Разгоняться до скорости, в 25 раз превышающей скорость звука, испытывать нехватку кислорода, подвергаться воздействию смертельных доз радиации, нагреваться до температуры более 1600°С и падать обратно на Землю с высоты сотен километров – занятие рискованное.

Можно обвинить в этом эволюцию. Наш вид появился и адаптировался к жизни в относительном комфорте здесь, на Земле. Ни одна из проблем окружающей среды на нашей планете никогда не сможет подготовить нас к смертельной опасности космического пространства. За безопасность космонавтов в космосе борются инженеры. И это своего рода подвиг, ведь сохранить жизнь путешественников по космическому пространству как минимум не менее сложно, чем доставить их туда.

Смертельная игра

На самом деле опасности начинают подстерегать космонавтов гораздо раньше, еще до того как они покинут Землю. И примером тому служит трагический случай, произошедший утром 28 января 1986 года, когда весь мир с ужасом наблюдал, как космический шаттл «Челленджер» распался в воздухе всего через 73 секунды после старта с мыса Канаверал. Все семь членов экипажа погибли. Среди них были Криста Маколифф, которую NASA выбрало из множества кандидатов на роль первого учителя в космосе, Рональд Макнейр, физик, ставший астронавтом, и один из первых афроамериканцев, отправившихся в космос.

В конечном счете ошибку обнаружили в твердотопливных ракетных ускорителях шаттла. Они состояли из семи цилиндрических стальных секций, которые наполнялись твердым топливом, а затем соединялись вместе; каждое сцепление герметизировалось парой резиновых уплотнительных колец, похожих на шайбы. Уплотнительные кольца были протестированы их производителем, компанией Thiokol, до температуры 4°С, но утром во время запуска столбик термометра достиг отметки в – 1°С (а ночью температура и вовсе опускалась до – 8°С). Из-за холода уплотнительные кольца стали хрупкими, и через 59 секунд после запуска из нижнего сочленения правого ускорителя вырвалась струя пламени. Она начала работать как паяльная лампа на стороне внешнего топливного бака шаттла, который через 14 секунд взорвался.

Взрыв не уничтожил шаттл. В мгновение ока взрывная волна вызвала вращение аппарата, подвергнув его экстремальным аэродинамическим нагрузкам (скорость шаттла к этому времени уже была выше скорости звука), которые разорвали легкий алюминиевый корпус на части. Кабину экипажа можно увидеть на фотографиях, вылетающей целой