Прежде чем осуществить старт космического корабля, ученые и конструкторы проводят вместе с космонавтами огромную подготовительную работу. Они до деталей рассчитывают программу будущего полета от старта до посадки, с учетом всех возможных неожиданных ситуаций, которые только можно представить, исходя из уровня познаний Человечества.
Затем космонавты с помощью ученых, инструкторов и специалистов изучают все операции, которые им предстоит выполнить, и тщательно отрабатывают их на тренажерах и стендах.
Чтобы представить, о чем идет рассказ, нужно разобраться хотя бы с основными формулировками и понятиями, связанными с пилотируемой космонавтикой. Вот некоторые из них.
Орбита - траектория движения космического летательного аппарата на основном участке полета.
Перигей - ближайшая к Земле точка орбиты космического аппарата.
Апогей - наиболее удаленная от Земли точка орбиты космического аппарата.
Линия апсид - линия, соединяющая точки апогея и перигея.
Восходящий узел орбиты - точка, в которой орбита пересекает плоскость экватора при переходе космического корабля из южной полусферы в северную.
Нисходящий узел орбиты - точка, в которой орбита пересекает плоскость земного экватора при переходе космического аппарата из северной полусферы в южную.
Линия узлов - линия, соединяющая восходящий и нисходящий узлы орбиты.
Наклонение орбиты - угол между плоскостью орбиты космического аппарата и плоскостью экватора.
Величина угла наклонения орбиты определяет границы географических широт, в пределах которых будет летать космический корабль. Чем больше наклонение орбиты, тем больше диапазон достижимых географических широт, но тем меньше вес выводимого на орбиту корабля. Последнее вызвано тем, что при увеличении наклона орбиты уменьшается энергия, передаваемая космическому кораблю за счет ее суточного вращения.
С полярной орбиты можно осматривать всю Землю, но для ее достижения требуются очень и очень многие энергетические затраты.
Одно и то же наклонение орбиты может быть получено при северо - восточном и юго - восточном направлении запуска ракеты - носителя. При старте с космодрома Байконур используется северо-восточное направление, так как в этом случае полет на участке выведения и непосредственно после отделения от ракеты-носителя проходит над территорией Казахстана и России. А это значит, что на наиболее ответственных участках полета наземные станции слежения и контроля могут осуществлять радио и телевизионную связь с кораблем, принимать телеметрическую информацию, более продолжительное время проводить измерения параметров орбиты.
На участке выведения от ракеты-носителя космического комплекса отделяются и падают на Землю отработавшие ступени. Выделить район для падающих частей естественно легче на собственной и дружественной территориях. Однако количество выделенных районов ограничено. Поэтому ограничены и возможные направления запусков ракет-носителей, а, следовательно, и величины угла наклонения.
Трасса выведения пролегает над малонаселенными районами и потому предполагаемый ущерб от падения обломков рассчитывается как минимальный.
Та же задача стоит перед учеными, конструкторами и при выборе возможных областей приземления возвращаемых аппаратов.
В уже выбранных районах выведения и спуска не допускают никакого строительства крупных промышленных объектов, не планируют расширение и развитие уже существующих населенных пунктов. И это понятно. Никто не хочет жить с осознанием того, что в любую минуту на голову может свалиться что-то тяжелое, от которого и убежать будет невозможно.
В СССР и теперь в России наклонение орбиты пилотируемых космических кораблей находится в пределах от 51 до 65 градусов. Большое наклонение было принято для первых космических кораблей. Затем практически была принята орбита выведения с наклонением 51,6 градуса. Но для интернациональных экипажей при автономных полетах широкий выбор угла наклона сохранялся, так как это позволяло экипажам проводить исследования природных ресурсов над территорией своих стран.
Если бы Земля была неподвижной, то есть не вращалась бы вокруг своей оси, то орбита космического корабля все время проходила бы над одними и теми же районами Земли. Однако Земля вращается не только вокруг Солнца, но и вокруг собственной оси. Вследствие этого вращения при заданном наклонении орбиты географические координаты мест, над которыми будет пролегать полет космического корабля, зависят от периода его обращения - времени одного полного оборота корабля вокруг Земли.
Эти координаты, соединенные одной линией, образуют трассу полета. Трасса каждого нового витка в пространстве точно такая же, как и предыдущего, но из-за собственного вращения Земли сдвинута к западу по долготе на угол поворота Земли относительно плоскости орбиты за период обращения. Долготное межвитковое расстояние сдвига за один оборот составляет 22,5 градуса.
Полный оборот плоскости орбиты космического корабля вокруг Земли завершается приблизительно через сутки. Можно подобрать период обращения орбиты таким, что к этому моменту корабль сделает целое число витков и его трасса совпадет с трассой предыдущих суток. То есть через сутки полета корабль может оказаться над той же точкой. Например, над точкой старта. Такие орбиты называют суточными.
Если период больше или меньше суточного, то трасса все время сдвигается по долготе соответственно к востоку или западу на величину, называемую суточным смещением трассы. Это особенно важно при полетах международных экипажей, так как каждому новому космонавту хочется получше разглядеть города и села своей страны, полностью выполнить запланированные эксперимент. Ради этого они готовы не спать несколько суток подряд. И практически всегда первую ночь никто из них не спит во время космического полета.
Некоторые объекты, правда, за время полета так и не попадают в поле зрения космонавтов. Например. На первом витке корабль проходит слева от объекта, а на следующем справа.
Через какое-то время положение нужного объекта может все-таки совпасть с трассой и даже будет в это время прекрасно освещен, но это еще не означает, что на объект не наползет сплошная облачность. И так далее и тому подобное. Космонавт может летать месяцами, но так и не увидит родной город со своей высокой орбиты.
Вследствие большой протяженности России в долготном направлении трасса полета в течение суток проходит через ее территорию 11 раз. Причем, корабль движется с юга на север, а орбита смещается с востока на запад.
Кроме того нужно помнить, что чем выше орбита полета, тем больше и период обращения.
Таким образом, изменяя период обращения (или высоту полета), можно выбрать такую орбиту, что в каждые новые сутки можно будет фотографировать и изучать все новые и новые участки поверхности Земли.
Существенную роль при планировании полета играет выбор времени старта и допустимые пределы, в которых эти временные изменения возможны. В принципе старт космического корабля может состояться в любое время суток - и днем и ночью. Это как в авиации - взлететь можно в любую погоду. Вот только для посадки необходимы вполне определенные погодные условия и пригодный район.
У космонавтов время старта полностью зависит от программы предстоящего полета. Если полет автономный и предполагается в основном дистанционное зондирование звезд, то старт возможен в любое время и основные ограничения относятся к желаемым условиям посадки в конце полета.
Если стартующему кораблю предстоит стыковка, например с орбитальной станцией, то ему необходимо стартовать (по принятой нашими учеными схемой стыковки) в момент прохождения станции над космодромом. Всякие отклонения в ту или иную сторону влекут за собой дополнительные энергозатраты для коррекции орбиты корабля после вывода его на орбиту.
Кроме того, всегда желательно, чтобы космический корабль после завершения полета приземлялся на территории Казахстана или России в светлое время суток. Это значительно облегчает процесс поиска и спасения экипажа.
Обстановка в районе Казахстана (общепринятый район посадки) по условиям освещенности повторяется через 58 суток. Так что изменение времени старта влечет за собой и ухудшение условий работы экипажа и поисковиков в самый напряженный период завершения полета, когда организм членов экипажа значительно ослаблен, и им чрезвычайно необходима помощь в первые минуты и часы после возвращения на Землю.
При изменении времени старта космического корабля и неизменном наклонении орбиты и ее периода, плоскость орбиты по отношению к Солнцу располагается по разному. Следовательно, в значительных пределах меняются условия освещенности по трассе полета и условиях научных наблюдений Земли.
При расчете времени старта космического корабля обязательно учитывается необходимость контролируемого и точного построения ориентации космического корабля на орбите непосредственно перед будущим возвращением на Землю. Ориентация корабля необходима и перед фотографированием объектов, изучением звезд и перед выполнением других задач, которые требуют приведения космического корабля перед работой в строго определенное положение в пространстве.
Подобные эксперименты также планируются задолго до полета, и четко рассчитываются по времени, так как их выполнение связано с целым комплексом многочисленных условий по взаимному расположению объектов, с динамическими процессами и многим другим.
Важное значение при планировании старта имеет высота апогея и перигея орбиты, на которую выводится космический корабль. Эти величины в течение полета не являются постоянными для любого космического аппарата. На каждом витке, особенно в перигее космический корабль задевает атмосферу и получает определенное торможение. На следующем витке трасса полета проходит еще ниже, а следовательно плотность атмосферы и ее сопротивление увеличиваются, увеличивая при этом и эффект торможения. Как только скорость космического корабля станет ниже 8 километров в секунду, он неминуемо сойдет с орбиты по длинной, растянувшейся на несколько тысяч километров параболе и устремится к Земле. Вот только рассчитать точку посадки в этих условиях чрезвычайно трудно.
С другой стороны, тормозящий эффект атмосферы на высотах ниже 150 километров не позволяет летать за счет инерции. В этих случаях нужна постоянная работа двигателей для поддержания высоты за счет увеличения скорости полета, то есть работе двигателей на разгон. Иначе космический корабль по той же параболе снова устремится к Земле.
Отсюда возникло и такое понятие как время существования космического летательного аппарата на орбите, величина которого равна временному промежутку от выведения космического аппарата на орбиту до его входа в плотные слои атмосферы в пределах 100–150 километров.
Критическим значением периода обращения космического корабля на орбите, при котором еще обеспечивается орбитальный полет, считается время 87,75 минут при высоте 170 километров. Орбита при этом круговая.
Если орбита космического корабля не круговая, а эллиптическая, то очень важным параметром, определяющим время существования, является перигей. Именно в районе этих точек корабль наиболее сильно ощущает плотность атмосферы.
При высоте перигея 100 километров корабль войдет в атмосферу через виток.
При высоте перигея 200 километров время существования корабля уже около ста дней.
При высоте перигея 500 километров время существования корабля достигает десятков лет.
Цифры параметров орбиты могут изменяться в зависимости от многих условий на конкретный момент времени. Играют роль и гравитационные силы, и магнитное поле, и влияние Солнца. Однако ученые на первых этапах пилотируемых космических полетов учитывали в основном факт аэродинамического торможения атмосферы, используя его как один из резервов безопасности полета.
Ниже приводится таблица по космическим кораблям типа «Восток» и «Восход», а также более подробные данные по полету космического корабля «Восток-3».
Из таблицы видно, что все космические корабли серии «Восток» выводились на очень низкую орбиту в перигее, обеспечивая тем самым минимально необходимое время существования на орбите. Кроме полета Юрия Гагарина, корабль которого забросили слишком высоко, так как очень старались гарантировано обеспечить ему космический полет.
Если бы Г. Титова или любого другого космонавта, стартовавшего на этих кораблях, забросили бы слишком низко, то они не смогли бы летать больше суток и не выполнили бы программу полета. Атмосфера заставила бы их корабли приземлиться раньше.
В случае же, если бы корабль при старте забросили бы слишком высоко, а тормозная двигательная установка отказала, то корабль мог бы крутиться на орбите слишком долго и имеющиеся системы жизнеобеспечения не помогли бы космонавту выжить в этом полете. Их ресурс не рассчитан на значительное увеличение продолжительности существования человека в космическом полете.
Проводя дальнейшие расчеты снижения космического корабля «Восток-3» можно узнать, когда бы он приземлился в случае отказа тормозной двигательной установки. Для этого каждый может построить график снижения и убедиться в том, что не позже чем через 10 суток корабль сел бы за счет самоторможения.
Зная, что система жизнеобеспечения «Востоков» позволяла космонавту жить на орбите до 10 суток, можно наглядно убедиться в степени безопасности полетов космонавтов на этих кораблях при условии отличной работы стартовой команды.
Система жизнеобеспечения космических кораблей США в первых полетах обеспечивала существование астронавтов на орбите до трех суток. Их корабли поднимались на орбиту не выше 160 километров, что также обеспечивало им возможность возвращения в допустимые сроки.
Да, на первых порах ученые были очень осторожны в своих решениях и пытались обеспечить максимальную безопасность космонавтов. Во всяком случае, до тех пор, пока не была полностью отработана техника стартов. Сейчас, изготовленные на заводе, космический корабль и ракета-носитель доставляются на космодром Байконур и здесь в монтажно-испытательном корпусе (МИКе) собираются в единое целое.
Длина МИКа более 100 метров, высота с пятиэтажный дом. Поэтому сборка всех основных частей комплекса корабля и ракеты осуществляется горизонтальным способом и в таком же положении на железнодорожной платформе весь комплекс в сборе доставляется на стартовую позицию, расположенную в 1,5–2 километрах.
Обычно вывоз ракеты-носителя с космическим кораблем выполняют рано утром. И будь то зимой или летом, в леденящую стужу или знойную жару, вокруг состава, забегая с разных сторон, а то и забираясь в вертолет, снимают и снимают торжественный выезд фотокорреспонденты и кинооператоры.
Сама стартовая позиция не очень большая. Квадрат железобетона с отверстием в центре для хвостовой части ракеты-носителя. Мощный установщик устанавливает ракету-носитель в вертикальное положение, и как бы вставляет в пусковую систему, жестко закрепляя в верхней и нижней частях с помощью специальных ферм. Сюда же подводятся кабельная и заправочная мачты и ферма обслуживания.
Несмотря на тщательную проверку всех систем и агрегатов в МИКе, на стартовой площадке все проверки повторяются вновь. Ведь положение ракетно-космического комплекса изменилось с горизонтального на вертикальный, что могло привести к каким то изменениям в работе систем. Да и сама транспортировка могла внести коррективы в состояние систем.
В конце проверок ракета-носитель заправляется топливом и сжатыми газами.
В бункере командного пункта запуска руководитель работ, оценив все доклады, дает команду готовить космонавтов к посадке в корабль. Начинается отсчет времени непосредственной подготовки к полету.
Космонавты на площадке задерживаются не долго. Доклад, последние приветствия, пожелания, и они скрываются в лифте, а через несколько минут выходят на связь с командным пунктом со своих рабочих мест.
Космонавты и ракетно-космический комплекс готовы к старту.
Во время старта, как и во время стыковки, космонавты, космонавты находятся в скафандрах вентиляционного типа, которые не претерпели особых изменений со времен старта Ю. Гагарина.
Нахождение в скафандре связано с повышением безопасности космонавтов в период работы на особо опасных участках полета.
Экипаж космического корабля «Восход» работал без скафандров.
П. Беляев и А. Леонов находились в скафандрах только потому, что планировался выход в открытый космос.
Все космонавты вплоть до полета космического корабля «Союз-11» летали без скафандров. Это позволяло иметь штатную численность экипажа в три человека. И только после гибели Г. Добровольского, В. Волкова и В. Пацаева эта установка была пересмотрена. Штат экипажа установили в два человека. Космонавты получили индивидуальные скафандры и дополнительные средства жизнеобеспечения на случай внезапной разгерметизации корабля.
Место для третьего космонавта осталось, но при старте учитывается каждый килограмм веса, а два скафандра и дополнительное оборудование как раз и поглотили все ресурсные запасы веса.
Лишь с появлением космического корабля «Союз-Т» весовые характеристики оборудования, построенного на приборах нового поколения, позволили снова занять место в кабине третьему члену экипажа.
Собственно скафандр представляет собой герметичный костюм, в котором воздух, необходимый для вентиляции и поддержания внутреннего избыточного давления на случай аварии, а также кислород для дыхания подаются из баллонов, расположенных на возвращаемом аппарате космического корабля.
При нормальном полете в загерметизированной кабине предохранительный щиток шлема или как его еще называют «забрало» поднят и под оболочкой скафандра нет избыточного давления. Продукты дыхания и воздух свободно выходят наружу. Вернее, во внутренний объем корабля. Как только происходит разгерметизация корабля, «забрало» шлема опускается, закрывая лицо. Создается избыточное давление заданной величины в скафандре.
Если космонавт опоздал опустить предохранительный щиток вручную или по какой либо причине не в состоянии сделать это самостоятельно, автоматическая система сама даст команду на опускание щитка при падении давления в кабине до определенного уровня.
В аварийно-спасательном скафандре, который используется космонавтами во время старта, нельзя покинуть корабль, так как он связан короткими шлангами с воздушными и кислородными баллонами, расположенными в корабле. Эти скафандры специально разработаны для размещения вместе с космонавтами в стартовых креслах.
Стартовые кресла в период космических полетов космических кораблей типа «Восток» являлись также средством спасения космонавтов в случае аварии ракеты-носителя на участке выведения. По команде космонавта или автоматики в аварийной ситуации отбрасывался выходной люк, и осуществлялось катапультирование космонавтов вместе с креслом. Право выбора способа приземления - в корабле или на парашюте - представлялось космонавту. Все они предпочли предварительное катапультирование и приземление на парашюте.
Нельзя не сказать и о той обстановке, которая по объективным и субъективным причинам складывается иногда на старте, и влияет очень существенно на психологическое состояние космонавтов.
Перед первым стартом В. Лазарева и О. Макарова на космическом корабле «Союз-12», ничто не предвещало беды, как это было при старте В. Комарова. Но психологическая напряженность все же присутствовала. Это обуславливалось тем, что предыдущий полет экипажа на космическом корабле «Союз-11» закончился трагически. Более того. Через некоторое время в космос была запущена вторая орбитальная станция «Салют-2», на которой почти сразу была обнаружена утечка газовой смеси. Работу со станцией прекратили.
Стартовать в космос после двух неудач подряд трудно, но Лазарев с Макаровым вели себя вполне профессионально и выполнили программу полета практически без замечаний.
Однако. Перед их вторым стартом, который должен был состояться 9 мая 1975 года, обстановка была уже более благоприятной. Отработала полную программу полета на орбите станция «Салют-3». Успешно начала работать станция «Салют-4», на которой отлично поработали А. Губарев и Г. Гречко. Они пробыли в космосе уже 29,5 суток.
Лазареву с Макаровым предстояло удвоить этот срок, и эта задача уже не была чем-то необычным. Тем более что американцы к этому времени продемонстрировали возможности экипажа при 84-суточном полете.
Нов том то и заключается главная и непреложная истина космического полета каждая секунда полета непредсказуема и требует от космонавтов постоянного внимания и напряженной работы. Вот и на этот раз работа началась штатно, спокойно. Первая ступень отработала нормально. Заработала четко и по программе вторая. И вот она - 261 секунда, когда должно было произойти отделение второй ступени. Однако, вместо ожидаемого отделения в корабле заревела сирена, тревожно замигало красное табло «Авария носителя». Мгновенно вступила в действие система аварийного спасения. И экипажу впервые, не по доброй воле, пришлось испытать ее работоспособность на себе, оказавшись полностью во власти спасительной автоматики. Экипаж мог только ждать.
Аварийный ракетный двигатель увел возвращаемый аппарат с экипажем в сторону, и они стремительно пошли к Земле. Перегрузки в пиковый момент достигали 20 единиц, и экипажу оставалось лишь гадать, куда их несет - на Алтай или в Китай. В Китай не хотелось.
Аварийное приземление произошло на заснеженный склон горы, Возвращаемый аппарат немного протянуло, и он остановился. В. Лазарев отстрелил одну стренгу парашюта, но со второй выполнять эту операцию не торопился. Хотя по инструкции должен был сделать это. Предполагалось, если сразу не отстрелить стренги, то при наличии сильного ветра в поле корабль могло сильно и долго таскать по местности, а это и больно и небезопасно. Но Лазарев не знал обстановки вокруг корабля и, как советовали опытные инструкторы, не торопился.
Лазарев отстрелил выходной люк и выглянул наружу. Аппарат удерживался на голом склоне горы с помощью парашюта, купол которого зацепился за одно единственное дерево. А внизу в нескольких метрах начинался обрыв. Отстрели он вторую стренгу, и вместе с аппаратом космонавты рухнули бы в пропасть.
Экипаж осторожно покинул возвращаемый аппарат, который съехал все же от их движений на несколько сантиметров вниз. Попробовали утеплиться. В снегу, который достигал высоты груди, еле собрали веток на небольшой костерок. Да и тот пришлось разжигать с помощью чистых листов, из ненужного больше никому, бортжурнала.
Авария произошла в полдень, но только к десяти вечера по Москве их обнаружил поисковый самолет, затем появился вертолет. Однако снять ни экипаж, ни возвращаемый аппарат не было никакой возможности. Им сбросили восемь посылок и лишь одну они смогли найти.
Только в пять утра пришел вертолет «МИ-8», который забрал экипаж на борт, а через несколько дней смогли эвакуировать с места приземления и возвращаемый аппарат.
Так, не начавшись, завершился этот полет, который не предвещал никаких сложностей. Космонавты впервые вместо звания Героев получили ордена, и об их старте не нашлось места в официальной космической хронике.
Но станция «Салют-4» продолжала летать, программа не отменялась, и уже через две недели в космос отправился резервный экипаж: П. Климук и В. Севастьянов. Так негаданно - нежданно оба космонавта снова оказались в космосе, спасая престиж советской космонавтики перед предстоящим в июле 1975 года советско-американским полетом, и в который раз преодолевая психологический барьер от неудачного предыдущего старта.
Только через несколько лет в хронике космических полетов старт Лазарева с Макаровым отметили как полет космического корабля «Союз-18 а».
К сказанному нужно добавить всего несколько подробностей, которые все же характеризуют и космонавтов, и тех, кто обеспечивал их полет.
Экипаж уже приземлялся аварийно в горах, а телеметристы в ЦУПе продолжали торжественно сообщать по радио в демонстрационном зале: «300-сотая секунда полета. Полет идет нормально. Параметры полета в норме».
Когда авария была обнаружена, паника была приличной. Учитывая, что возвращаемый аппарат мог приземлиться в Китае, подняли по тревоге воздушно-десантную дивизию, чтобы при необходимости блокировать место посадки, эвакуировать экипаж и самоэвакуироваться. И, слава богу, что все это не понадобилось.
А сам экипаж, когда несся по аварийной траектории, истинно «по-русски», во весь голос и по открытой связи давал характеристики всем причастным. Я мог бы процитировать их дословно, но думаю, что эту лексику знают все. Это слышал весь мир, и долго потом зарубежные командировки Лазареву и Макарову были «заказаны».
В. Лазарев так и не смог восстановить прежнюю форму после старта и в космос больше не попал. А Макаров сумел преодолеть себя и побывал в космосе еще раз.
Говорю это потому, что очень много разговоров было о том, как трудно попасть в космический полет - большая конкуренция и так далее. Все это верно, но для тех, кто идет в полет впервые. Для тех же, кто побывал в космосе, все дальнейшее во многом зависит только от него самого. Хочет в полет - попадет и довольно быстро. Не хочет - найдет повод или медицинскую болячку. Так и не слетали в космос после неудачных стыковок Зудов с Рождественским, Сарафанов с Деминым. Не смог преодолеть себя после неудачи и Н. Рукавишников.
А вот профессиональные судьбы космонавтов В. Титова и Г. Стрекалова могут быть прекрасным примером настойчивости в достижении цели. Их стрессовая ситуация тоже была связана с неудачным стартом в сентябре 1983 года, когда они не по собственной воле снова испытали аварийно-спасательную систему уже прямо на стартовом столе. Они не получили наград, о них не писала пресса. Так принято было в те времена. Они смогли преодолеть себя и в будущем снова слетать в космос.
Более того. В. Титов, отработал на станции «Мир» целый год. И именно ему, одному из первых, было доверено представлять Россию в одном из экипажей космического корабля «Шатлл» США.
Сам процесс выведения на орбиту осуществляется следующим образом. Космический корабль на стартовой позиции располагается в носовой части ракеты-носителя и закрыт защитными обтекателями. Космонавт наглухо отделен ими от внешнего мира и может судить о происходящем только по звукам и показаниям приборов. Имеется телевизионная связь.
Во время старта начинают работать двигатели первой и второй ступеней ракеты-носителя. По окончании работы первая ступень сбрасывается, а вторая продолжает работать. Третья ступень запускается после окончания работы второй ступени. После отработки третьей ступени корабль выходит на заданную орбиту и в штатном режиме начинает полет по орбите.
Во время работы двигателей растет перегрузка, которая пропадает на короткое время лишь в моменты перехода с одной ступени на другую. Космонавты ощущают эту перегрузку, сравнивая ее с ездой телеги по булыжной мостовой.
После окончательного пропадания перегрузки и наступления невесомости, которая вступает в свои права при выходе на орбиту, многие космонавты по - разному воспринимают сам процесс перехода из одного состояния в другое. Одним, кажется, что они перевернулись вверх ногами и все предметы кажутся им перевернутыми, хотя на самом деле космонавта сохраняли свое положение в креслах. Другим космонавтам кажется, что они быстро падают вниз. Возможны и различные другие варианты, Длится это состояние дезориентации недолго, и восприятие действительности, как оно есть на самом деле, восстанавливается быстро.
Однако у многих космонавтов искаженного восприятия действительности вообще не наблюдалось. И, наверное, именно люди с такой реакцией на невесомость и должны идти в космонавты. Проверяется это качество будущих космонавтов при полетах на кратковременную невесомость на самолетах, которые являются составной частью сложной и трудной подготовки космонавтов к каждому полету.
Управление ракетой-носителем на этапе выведения осуществляется автоматически. Человеку трудно в доли секунды оценить обстановку и совершить необходимые управляющие воздействия. Космонавт может лишь выдавать отдельные команды в аварийной обстановке.
С одной стороны, космонавту легче работать в таких обстоятельствах, с другой - психологически труднее. Человек привык в трудной обстановке усиленно работать, действовать и тем самым с меньшими потерями преодолевать внезапную стрессовую ситуацию.
Во время выведения космонавт находится в полулежачем положении и это связано с многочисленными экспериментами по изучению способности человека к перенесению, неизбежно присутствующих при старте, перегрузок. Причем, в случае нормального (штатного) старта космонавт испытывает перегрузку в 2–3 единицы, что для тренированного человека не представляет особых трудностей. Однако в случае возникновения аварийной ситуации, перегрузка может мгновенно возрасти до 18–20 единиц. И здесь уже обыкновенным здоровым людям не сдобровать. Требуется специальная кропотливая подготовка к встрече с подобными неблагоприятными факторами. И космонавты готовятся. Тщательно и упорно.
Способность к работе в условиях значительных перегрузок вырабатывается у космонавтов при вращении на центрифуге, которую космонавты в первое время даже называли: «чертово колесо». Однако в принципе, каждый человек, даже ребенок, испытывал на себе небольшую перегрузку незаметно для себя. Во время катания на каруселях, когда каждый с замиранием сердца ждет, что его вот-вот выбросит из кресла какая-то сила и человек инстинктивно хватается за поручни сидения, в резко ускоряющем свое движение автомобиле, автобусе, самолете при взлете. Или при резком торможении. Бывают при этом синяки и шишки, смех и даже ругань в адрес водителя транспортного средства, Но, в общем, привык народ к подобным ситуациям и не обращает на них серьезного внимания. И уж никак никто не задумывается над тем, что эти явления впрямую говорят о взаимозависимости Человека и Вселенной, об ощущениях космонавта при старте.
Космонавтам при тренировках на центрифуге создают перегрузки до 8 единиц, то есть их собственный вес в определенный момент возрастает в 8 раз. Для среднего человека с весом 60 килограмм это означает, что на его организм давит уже вес 480 килограмм. Почти пол тонны! Каждый может оценить свои возможности к подобным тренировкам.
В некоторых случаях, при проведении специальных исследований с участием космонавтов перегрузка во время вращения достигает 15 единиц. Вот почему подготовка к вращению, и само вращение для космонавтов чрезвычайно серьезное дело, не допускающее никаких отклонений от рекомендаций ученых и специалистов.
Объективно проверить физическое состояние космонавта перед тренировкой руководителям помогают достаточно разнообразные медицинские датчики и специальные приборы. Вообще же, каждый человек может сам достаточно осознанно проверить себя на воздействие небольшой перегрузки, а если точнее, то на воздействие центробежной силы. Для этого достаточно начертить на земле небольшой круг, а затем сначала медленно, а затем все быстрее начать по нему бег. Это конечно не карусель с механической тягой и до определенного момента человек практически ничего не будет ощущать. Однако увеличивая скорость бега, человек начинает чувствовать, что ему становится все труднее и труднее удержаться в пределах круга. Приходится даже наклоняться во внутреннюю сторону круга. Иначе возросшая центробежная сила неминуемо вытолкнет человека из круга. Силы его веса и силы сцепления подошв с землей уже недостаточно, чтобы уравновесить возросшую центробежную силу или попросту перегрузку, если брать эту силу в отношении к весу человека или предмета.
Перегрузка может действовать на человека в направлениях: грудь-спина, спина-грудь, голова-таз, таз-голова, слева или справа. Опыты показали, что лучше всего человек переносит перегрузку, если она действует на него в направлении грудь-спина, тело наклонено вперед на 10–15 градусов, а ноги согнуты в коленях, как бы в сидячем положении.
Именно такое положение занимают космонавты на космических кораблях при старте. Ракета стоит вертикально, а космонавт, по отношению к земле, лежит на спине под некоторым углом, в специальном кресле.
Кресло космонавта изготавливается по специальной технологии и повторяет все выступы и неровности тела космонавта. Это, как показывает опыт, в значительной мере помогает космонавтам выдерживать даже очень большие перегрузки без травм и повреждений.
Наиболее плохо человек переносит перегрузку в направлении голова-таз, и особенно в направлении таз-голова. При действии этих перегрузок уже в 2,5 единиц человек практически не может встать. Если перегрузка возрастет до 3,5 единиц, то у человека перед глазами как бы появляется серая пелена, трудно держать голову, щеки начинают отвисать, затруднено дыхание. Перегрузка в 5 единиц в течение нескольких секунд может привести к внезапной потере сознания.
Любопытно, что действие перегрузки в направлении таз-голова может быть равно нулю в тот момент, когда она уравновешивает силу земного тяготения, то есть теоретически, как бы наступает невесомость. И каждый в принципе может испытать на себе такую перегрузку с элементами воздействия невесомости - повышение кровяного давления в сосудах головного мозга. Для этого достаточно повисеть на гимнастической перекладине головой вниз или сделать стойку на голове. Чем длительнее висение или стояние, тем полнее ощущение влияния невесомости и… перегрузки в одну единицу.
Кстати. Перед стартом космонавты тренируются на наклонной доске головой вниз. Угол наклона доски регулируется постепенно, усиливая воздействие.
Элементарную центрифугу может построить каждый человек. Для этого достаточно взять веревку, привязать на один ее конец тяжелый предмет, взяться руками за другой конец веревки и вращать ее над собой. Можно с уверенностью сказать, что большинство мальчишек в детстве были конструкторами разнообразных вариантов центрифуг.
В Центре подготовки космонавтов для тренировок есть две центрифуги соответственно с плечом вращения 7 и 18 метров. При одной и той же скорости вращения центрифуга с большим плечом будет создавать и большую перегрузку.
Опыты показывают, что регулярные вращения на центрифуге значительно повышают способность человеческого организма к сопротивлению неблагоприятным воздействиям даже очень больших перегрузок. Опыт двух аварийных стартов подтвердил этот вывод.
СТАРТ Прежде чем осуществить старт космического корабля, ученые и конструкторы проводят вместе с космонавтами огромную подготовительную работу. Они до деталей рассчитывают программу будущего полета от старта до посадки, с учетом всех возможных неожиданных ситуаций,
Из книги Тайны ракетных катастроф. Плата за прорыв в космос автораГлава 33 Неудачный старт Рассказ о событиях, происшедших в сентябре 1983 года на космодроме Байконур, придется начать с апреля того же года, когда на свидание с орбитальной станцией «Салют-7» отправился космический корабль «Союз Т-8» с космонавтами Владимиром Титовым,
Из книги Крылья Сикорского автора Катышев Геннадий Иванович Из книги Пилотируемый космический полет автора Лесников Василий СергеевичСтарт Прежде чем осуществить старт космического корабля, ученые и конструкторы проводят вместе с космонавтами огромную подготовительную работу. Они до деталей рассчитывают программу будущего полета от старта до посадки, с учетом всех возможных неожиданных ситуаций,
Из книги Секреты американской космонавтики автора Железняков Александр БорисовичГлава 14 Первый старт, первая неудача Часто предыстория оказывается гораздо интереснее самих событий. Нечто подобное можно сказать и о происшествии на мысе Канаверал, когда случилась первая в истории человечества космическая авария. Само событие охватывает каких-то
Из книги Вокруг света за 280$. Интернет-бестселлер теперь на книжных полках автора Шанин ВалерийПервый старт Я наивно полагал, что мы сможем оформить все визы еще в Москве, а затем быстро-быстро пробежимся по миру и уже через год вернемся назад. Но трудности с получением виз возникли у нас еще до старта и потом продолжались всю дорогу. Именно на визы во время этого
Из книги Советские космонавты автора Ребров Михаил ФедоровичВторой старт Турфирма визы делать отказалась, а желание ехать еще оставалось. Пришлось мне самому заняться оформлением документов.В китайское посольство очередь была недели на две – народ как раз собирался на праздник 50-летия КНР. Вася Лебедев, уже побывавший прошлым
Из книги В поисках Эльдорадо автора Медведев Иван АнатольевичТретий старт Для меня кругосветка началась ранним утром в воскресенье 19 декабря 1999 года. Ровно на три месяца позже, чем планировалось. Вместо дня рождения автостопа – в день рождения Леонида Ильича Брежнева. Такой вот получился бестолковый символизм.Хлюпая по раскисшей
Из книги Берия без лжи. Кто должен каяться? автора Цквитария ЗазаКОМСОМОЛЬСКИЙ СТАРТ Валерий Федорович БыковскийЛетчик-космонавт СССР, дважды Герой Советского Союза полковник Валерий Федорович Быковский. Родился в 1934 году в городе Павловский Посад Московской области. Член КПСС. Совершил три полета в космос: первый - в 1963 году,
Из книги Армейские будни автора Коллектив авторовСтарт великой гонки 1866 года Наиболее известная, захватывающая и драматичная чайная гонка состоялась в 1866 году.Загрузившись чаем нового урожая, из китайского порта Фучжоу стартовали шестнадцать лучших английских клиперов. Экипажу победившего в состязании корабля
Из книги автораТяжелый старт Атомный шантаж Советского Союза начался на Потсдамской конференции. Эту трудную, но приятную миссию взял на себя Трумэн. 24 июля 1945 г. он «порадовал» Сталина тем, что американские ученые испытали новое оружие необычайной разрушительной силы.«Добрых
Из книги автораЮ. Грачев Старт в небо Валя Полякова сидела в палисаднике возле штаба аэроклуба. Время от времени она поглядывала на распахнутую дверь парадного подъезда, за которой час назад скрылся ее друг Сергей Саранчин. Девушка волновалась, она понимала, что в эти минуты решается
Молодое поколение, вступившее в третье тысячелетие, непременно будет свидетелем первого в истории межпланетного полета по трассе Земля—Марс—Земля, а некоторым доведется быть и непосредственными его участниками. Марс — следующее небесное тело, па которое ступит человек. Как же будет происходить полет экипажа па Марс?
Пока двигатели современных космических ракет еще недостаточно совершенны, ими пользуются только на сравнительно небольших участках полета. В основном же приходится прибегать к силе тяготения Солнца. В связи с этим межпланетную траекторию можно условно разделить на участки двух видов.
Первый из них — это активный участок, полет на котором совершается с работающими двигателями. Таких участков может быть несколько.
В заранее рассчитанное время включаются двигатели разгонного ракетного блока, и межпланетный корабль стартует с околоземной орбиты. Для достижения планеты назначения траектория полета должна быть рассчитана таким образом, чтобы после выхода из сферы действия Земли и попадания в поле тяготения Солнца наш корабль продолжал бы полет в намеченную точку встречи с планетой. С одной стороны, траектория космического аппарата определяется ею начальной скоростью и направлением движения (в момент старта с околоземной орбиты), с другой — притяжением самого Солнца. На полет КА оказывают также возмущающее влияние планеты и их спутники — они отклоняют его от расчетного пути. Но отклонения эти невелики и легко поддаются устранению путем кратковременного включения на трассе полета корректирующих ракетных двигателей.
Для выхода космического корабля (КК) па расчетную траекторию к Марсу ему необходимо сообщить скорость не менее 11,6 км/с. И как только нужная скорость достигнута, начинается длительный полет с выключенными двигателями по второму, пассивному участку межпланетной трассы.
Таким образом, полет межпланетного корабля происходит в основном по инерции в поле тяготения Солнца. Эта же сила формирует и межпланетную траекторию. При отлете с Земли с малой скоростью она представляет собой не что иное, как околосолнечную эллиптическую орбиту.
После длительного полета в поле тяготения Солнца наш посланец попадает в сферу действия Марса и движется возле него по пролетной траектории. Поскольку скорость корабля превышает значение второй космической скорости вблизи Марса (5,0 км/с), то планета не в состоянии удержать его около себя. Пролетев около Марса, КК должен неминуемо стать спутником Солнца. Что же надо сделать, чтобы корабль не удалился от пели, а вышел на орбиту спутника Марса?
Как мы уже знаем, переход с одной орбиты на другую совершается путем изменения скорости движения. Б данном случае скорость КК требуется уменьшить примерно до значения первой космической скорости вблизи Марса, то есть 3,55 км/с. Это достигается путем кратковременного включения тормозного ракетного двигателя. И пока двигатель работает, полет снова является активным. Заметим, что необходимость в подобном маневре возникает каждый раз при выводе любого космического аппарата на орбиту спутника Лупы, Марса и любой другой планеты. Движение но орбите вокруг Марса, так же как и вокруг Земли, пассивное. И наконец, последний участок территории — участок снижения спускаемою аппарата на поверхность планеты.
Если атмосфера у планеты отсутствует, как, например, на Луне, или сильно разрежена, как на Меркурии или на Марсе, то для торможения и обеспечения мягкой посадки спускаемого аппарата следует применять специальные тормозные ракетные двигатели. Подобным образом совершали мягкую посадку на поверхность Лупы лунные кабины «Аполлонов» с американскими астронавтами. Для обеспечения мягкой посадки космического аппарата на поверхность планеты, обладающей плотной атмосферой, приходитс51 прибегать к услугам аэродинамического торможения. В качестве примера мы уже знакомились с тем, как совершались спуск и посадка советских автоматических межпланетных станций на поверхность Венеры. Полет в обратном направлении — к Земле — будет происходить таким же образом, поэтому мы не станем повторяться.
Хотелось бы отметить, что эту классическую схему полета на другие планетные миры разработал выдающийся советский ученый Юрий Васильевич Кондратюк (1897—1942). В его книге «Завоевание межпланетных пространств», изданной в 1929 году, содержится подробное теоретическое обоснование полетов к Луне и планетам Солнечной системы. А спустя 40 лет она была успешно применена на практике. Именно но схеме Кондратюка совершались полеты па Луну американских «Аполлонов».
Межпланетные эллиптические траектории считаются самыми экономичными, так как полеты по ним космических аппаратов осуществляются с минимальными энергетическими затратами. По эллиптические орбиты имеют существенный недостаток: слишком велика продолжительность полета. Так, например, полет по полу эллипсу до Марса займет 259 суток, то есть более 8,5 месяца.
В случае полета на Марс корабля с экипажем возникает проблема обязательного возвращения людей па Землю. И пока эта проблема не будет решена, ни о каких полетах человека к планетам не может быть и речи. Сколько же времени понадобится на весь полет?
Начнем с того, что межпланетный корабль необходимо отправлять в полет в период удобного расположения планеты назначения относительно Земли. Иначе он ее не достигнет. Такие «стартовые окна» при запусках к Марсу повторяются в среднем через 2 года и 2 месяца. А чтобы экипаж смог благополучно возвратиться на Землю, люди должны выжидать на Марсе 450 суток, пока не наступит «стартовое окно» для полета к Земле. В конечном счете все путешествие продлится 2 года и 8 месяцев! Вполне понятно, что такие сроки неприемлемы. Как же быть?
Добиться существенного сокращения продолжительности межпланетного полета можно за счет увеличения начальной скорости в момент старта. Допустим, что при старте с околоземной орбиты ракета придаст кораблю третью космическую скорость — 16,7 км/с. Тогда полет будет совершаться уже не по эллипсу, а по скоростной параболической траектории и паши путешественники смогут достичь Марса всего за 70 суток! В этом случае время пребывания на Марсе можно сократить до 12 суток, а вес путешествие по трассе Земля - Марс—Земля продлится 152 дня.
Но чем дальше нужно лететь, тем большую скорость требуется сообщить межпланетному кораблю при старте. Так, если для полета к ближайшим планетам — Бене-ре и Марсу — минимальные начальные скорости относительно Земли составляют 11,5 и 11,6 км/с соответственно, то для полета к Юпитеру начальная скорость должна быть не меньше 14,2 км/с., а для достижения далекого Плутона — 16,3 км/с, то есть почти равна третьей космической скорости. Последнее объясняется тем, что для полетов к окраинам Солнечной системы корабль должен располагать еще некоторым дополнительным запасом энергии, необходимой для преодоления силы тяготения Солнца.
И наконец, если отправиться в межпланетный полет со скоростью, превышающей значение третьей космической скорости, то наш корабль будет лететь уже не по параболе, а по самой скоростной — гиперболической трассе. Достижение гиперболических скоростей позволит максимально сократить сроки межпланетных полетом.
Но как получить такие большие скорости? Ученые и конструкторы новой космической техники видят решение этой проблемы в создании межпланетных кораблей с атомными и электрическими ракетными двигателями.
Со времен Кеплера и Ньютона астрономам известно, что в поле тяготения массивного центрального тела движение происходит по классическим траекториям — эллипсам, параболам и гиперболам. Однако современные космические трассы часто сильно отличаются от классических. И порой только благодаря изощренной фантазии навигаторов удается найти нестандартные решения, позволяющие осуществить, казалось бы, невыполнимые космические проекты. Рис. вверху NASA
В начале XX века, когда принципиальная выполнимость космических полетов была научно обоснована, появились первые соображения об их возможных траекториях. Прямолинейный полет от Земли к другой планете энергетически крайне невыгоден. В 1925 году немецкий инженер Вальтер Гоман (Walter Hohmann) показал, что минимальные затраты энергии на перелет между двумя круговыми орбитами обеспечиваются, когда траектория представляет собой «половинку» эллипса, касающегося исходной и конечной орбит. При этом двигатель космического аппарата должен выдать всего два импульса: в перигее и апогее (если речь идет об околоземном пространстве) переходного эллипса. Данная схема широко используется, например, при выведении на геостационарную орбиту. В межпланетных полетах задача несколько осложняется необходимостью учитывать притяжение Земли и планеты назначения соответственно на начальном и конечном участках траектории. Тем не менее полеты к Венере и Марсу выполняются по орбитам, близким к гомановским.
Биэллиптические траектории
Пожалуй, первым примером более сложного космонавигационного приема могут служить биэллиптические траектории. Как доказал один из первых теоретиков космонавники Ари Абрамович Штернфельд, они оптимальны для перевода спутника между круговыми орбитами с разным наклонением. Изменение плоскости орбиты - одна из самых дорогих операций в космонавтике. Например, для поворота на 60 градусов аппарату надо добавить такую же скорость, с какой он уже движется по орбите. Однако можно поступить иначе: сначала выдать разгонный импульс, с помощью которого аппарат перейдет на сильно вытянутую орбиту с высоким апогеем. В ее верхней точке скорость будет совсем невелика, и направление движения меняется ценой относительно небольших затрат топлива. Одновременно можно скорректировать и высоту перигея, немного изменив скорость по величине. Наконец, в нижней точке вытянутого эллипса дается тормозной импульс, который переводит аппарат на новую круговую орбиту.
Этот маневр, называемый «межорбитальным перелетом с высоким апогеем», особенно актуален при запуске геостационарных спутников, которые первоначально выводятся на низкую орбиту с наклонением к экватору, равным широте космодрома, а потом переводятся на геостационарную орбиту (с нулевым наклонением). Использование биэллиптической траектории позволяет заметно сэкономить на топливе.
Гравитационные маневры
Многие межпланетные миссии при современных технических возможностях просто неосуществимы без обращения к экзотическим навигационным приемам. Дело в том, что скорость истечения рабочего тела из химических ракетных двигателей составляет около 3 км/с. При этом по формуле Циолковского каждые 3 км/с дополнительного разгона втрое увеличивают стартовую массу космической системы. Чтобы с низкой околоземной орбиты (скорость 8 км/с) отправиться к Марсу по гомановской траектории, надо набрать около 3,5 км/с, к Юпитеру - 6 км/с, к Плутону - 8-9 км/с. Получается, что полезная нагрузка при полете к дальним планетам составляет лишь несколько процентов от выведенной на орбиту массы, а та, в свою очередь, лишь несколько процентов стартовой массы ракеты. Вот почему 700-килограммовые «Вояджеры» (Voyager) запускались к Юпитеру 600-тонной ракетой «Титан» (Titan IIIE). А если ставится цель выйти на орбиту вокруг планеты, то возникает необходимость брать с собой запас топлива для торможения, и стартовая масса возрастает еще больше.
Но баллистики не сдаются - для экономии топлива они приспособили ту самую гравитацию, на преодоление которой при старте уходит значительная часть энергии. Гравитационные, или на профессиональном языке пертурбационные маневры практически не требуют расхода топлива. Все что нужно - это наличие вблизи трассы полета небесного тела, обладающего достаточно сильной гравитацией и подходящим для целей миссии положением. Подлетая к небесному телу, космический аппарат под действием его поля тяготения ускоряется или замедляется.
Здесь внимательный читатель может заметить, что аппарат, ускорившись гравитацией планеты, ею же и тормозится после сближения с небесным телом и что в результате никакого ускорения не будет. Действительно, скорость относительно планеты, используемой в качестве «гравитационной пращи», не изменится по модулю. Но она поменяет направление! А в гелиоцентрической (связанной с Солнцем) системе отсчета окажется, что скорость меняется не только по направлению, но и по величине, поскольку складывается из скорости аппарата относительно планеты и, по крайней мере частично, скорости самой планеты относительно Солнца . Таким способом можно без затрат топлива изменить кинетическую энергию межпланетной станции. При полетах к дальним, внешним, планетам Солнечной системы гравитационный маневр используется для разгона, а при миссиях к внутренним планетам - напротив, для гашения гелиоцентрической скорости.
Впервые идею гравитационного маневра высказали Фридрих Артурович Цандер и Юрий Васильевич Кондратюк еще в 1920-1930-х годах. Официально считается, что впервые подобный маневр выполнила в 1974 году американская станция «Маринер-10» (Mariner 10), которая, пролетев вблизи Венеры, направилась к Меркурию . Впрочем, первенство американцев оспаривают российские историки космонавтики, считающие первым гравитационным маневром облет Луны, который в 1959 году осуществила советская станция «Луна-3», впервые сфотографировавшая обратную сторону нашего естественного спутника.
Возмущения и коррекции
На картинках траектории межпланетных полетов выглядят очень просто: от Земли станция движется по дуге эллипса, дальний конец которой упирается в планету. Эллиптичность орбиты вокруг Солнца диктуется первым законом Кеплера. Рассчитать ее по силам даже школьнику, но если по ней запустить реальный космический аппарат, он промахнется мимо цели на многие тысячи километров. Дело в том, что на движение аппарата помимо Солнца влияет тяготение обращающихся вокруг него планет. Поэтому точно рассчитать, где окажется аппарат спустя месяцы, а то и годы полета, можно только сложным численным моделированием. Задаются начальное положение и скорость аппарата, определяется, как относительно него расположены планеты и какие силы действуют с их стороны. По ним рассчитывается, где окажется аппарат спустя небольшое время, скажем, спустя час, и как изменится его скорость. Затем цикл вычислений повторяется, и так шаг за шагом просчитывается вся траектория. Скорее всего, она попадет не совсем туда, куда нужно.
Тогда начальные условия немного меняют и повторяют расчет, пока не будет получен требуемый результат. Но как бы тщательно ни была рассчитана траектория, ракета не сможет идеально точно вывести на нее аппарат. Поэтому с самого начала рассчитывается целый пучок слегка расходящихся траекторий - изогнутый конус, внутри которого аппарат должен оказаться после старта. Например, при полете к Венере отклонение начальной скорости от расчетной всего на 1 м/с обернется у цели промахом в 10 000 километров - больше размера планеты. Поэтому уже во время полета параметры движения аппарата уточняются по телеметрическим данным (скорость, например, до миллиметров в секунду), а затем в расчетный момент включаются двигатели и орбиты корректируются.
Коррекции тоже не бесконечно точны, после каждой из них аппарат попадает в новый конус траекторий, но они не так сильно расходятся у точки назначения, поскольку часть пути уже пройдена. Если у цели аппарату предстоит гравитационный маневр, это повышает требования к точности навигации. Например, при пролете в 10 000 километрах от той же Венеры ошибка в навигации на 1000 километров приведет к тому, что после маневра станция собьется с курса примерно на градус. Исправить такое отклонение коррекционным двигателям, скорее всего, окажется не под силу. Еще жестче требования к точности навигации при использовании аэродинамического торможения в атмосфере. Ширина коридора составляет всего 10-20 километров. Пройди аппарат ниже - и он сгорит в атмосфере, а выше - ее сопротивления не хватит, чтобы погасить межпланетную скорость до орбитальной. К тому же расчет таких маневров зависит от состояния атмосферы, на которую влияет солнечная активность. Недостаточное понимание физики инопланетной атмосферы тоже может оказаться фатальным для космического аппарата.
Александр Сергеев
Юпитер нам поможет
Многие межпланетные зонды использовали для разгона тяготение Юпитера. Первыми были аппараты «Пионер-10» и «Пионер-11» (Pioneer), а вслед за ними «Вояджер-1» и «Вояджер-2». В 1992 году Юпитер помог выйти из плоскости эклиптики «Улиссу» (Ulysses) - зонду, исследующему полярные области Солнца, вокруг которого он обращается по орбите, почти перпендикулярной земной. Другим способом вывести аппарат на такую орбиту при современном уровне развития космической техники просто невозможно. Выполнил пертурбационный маневр у Юпитера и зонд «Новые горизонты» (New Horizons), запущенный Соединенными Штатами к Плутону 19 января 2006 года. Увеличив скорость на 4 км/с и на 2,5 градуса отклонившись от плоскости эклиптики, он сможет прибыть к цели в 2015 году, прежде чем на Плутоне (который в этом столетии удаляется от Солнца) станет замерзать атмосфера, снижая тем самым ценность будущих исследований.
Разумеется, для выполнения гравитационных маневров дата старта должна быть выдержана весьма точно. Баллистики оперируют понятием «окно запуска» - это интервал дат, в пределах которого эффективность запланированных гравитационных маневров максимальна. Ближе к краям «окна» эффект становится меньше, а потребности в топливе - больше. Если же выйти за его границы, то носитель просто не сможет вывести аппарат на нужную орбиту, что приведет к срыву полета или недопустимому возрастанию его длительности. Например, запуск «Новых горизонтов» неоднократно переносился по погодным и техническим причинам. Задержись старт еще на несколько дней, и зонд отправился бы в полет уже без расчета на «гравитационную помощь» Юпитера и с меньшими шансами на успех.
Выполнять маневры у планет-гигантов удобнее всего. Благодаря их большой массе поворачивать возле них можно по широкой плавной дуге и требования к точности навигации остаются довольно мягкими. Однако нередко в качестве «пращи» используют Венеру, Землю, Марс и даже Луну. Тут уже ошибаться нельзя, в противном случае аппарат уйдет от планеты совсем не в том направлении, как было запланировано.
Ари Абрамович Штернфельд (1905-1980) - один из пионеров космонавтики. Родился в Польше в еврейской семье. Высшее образование получил во Франции. Увлекся идеей космических полетов, выучил русский язык, чтобы читать работы Циолковского и переписываться с ним. Готовил в Сорбонне докторскую диссертацию по теме расчета космических орбит, однако ученый совет в 1934 году отверг ее как фантастическую. Угроза фашизма и коммунистические симпатии склонили его к эмиграции в СССР, где он стал работать в Реактивном научно-исследовательском институте вместе с Королевым и Глушко. В конце 1930-х руководство института было арестовано, а Штернфельд уволен. Он никогда больше не работал в области ракетной техники, но читал лекции и писал научные, научно-популярные и научно-фантастические книги. Его политические убеждения резко изменились, и после войны он безуспешно пытался вернуться в Польшу. К французским работам Штернфельда восходят такие термины советской ракетно-космической техники, как «космонавт», «космодром», «космонавтика», «перегрузка», «скафандр». На основе его расчетов строились траектории первых советских и американских межпланетных станций.
Космический гравсерфинг
Наиболее сложны - но тем и интересны! - траектории с пертурбационными маневрами не у одного, а у нескольких небесных тел. К примеру, станция «Галилео» (Galileo), чтобы добраться до Юпитера, осуществила гравитационный маневр в поле тяготения Венеры, а потом еще два возле Земли. Такие полеты возможны не всегда, а лишь при определенном расположении планет. Самый знаменитый подобный «большой тур» совершил «Вояджер-2», который последовательно пролетел вблизи Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Его близнец «Вояджер-1» тоже мог бы пройти подобным маршрутом, однако ученые предпочли поближе рассмотреть загадочный спутник Сатурна Титан, и его тяготение необратимо отклонило траекторию станции от направления на Уран. Это было трудное, но верное решение. Именно данные «Вояджера-2» позволили спустя 24 года осуществить посадку на Титан зонда «Гюйгенс» (Huygens).
В наши дни еще более сложный полет выполняет станция «Мессенджер» (MESSENGER). Ее основная задача - выход на орбиту вокруг Меркурия для детального изучения его характеристик. Миссия, рассчитанная на семь лет пути, в январе 2008 года вышла на заключительный этап. Аппарат уже выполнил четыре гравитационных маневра: один около Земли, два возле Венеры и один у самого Меркурия, а между ними производились маневры двигателями, чтобы каждый раз правильно входить в гравитационную «воронку» планеты. «Мессенджеру» предстоит совершить еще пять маневров (два гравитационных и три - двигателями), прежде чем он станет спутником ближайшей к Солнцу планеты. За это время он «намотает» вокруг Солнца 8 миллиардов километров - больше, чем до Плутона! Однако, не будь траектория столь сложной, при современном состоянии ракетно-космической техники этот полет вообще не мог бы состояться.
 |
Лестница Лагранжа
Несмотря на коррекции и гравитационные маневры, орбиты большинства межпланетных станций все же близки к классическим дугам эллипсов и гипербол. Но в последнее время астронавигаторы все чаще используют куда более изощренные траектории, пролегающие в тех областях пространства, где приходится в равной мере учитывать притяжение сразу двух небесных тел.
Рассмотрим, например, орбиту Земли вокруг Солнца. Она почти круговая с радиусом 150 миллионов километров и периодом обращения, равным году. Соотношение радиуса и периода определяется силой солнечного притяжения, заставляющей Землю двигаться по искривленной траектории. На большем расстоянии притяжение Солнца окажется слабее, а соответствующая орбитальная скорость ниже. Космический аппарат на такой орбите отстает от Земли (а на орбите меньшего радиуса обгоняет ее). Математически это выражается третьим законом Кеплера. Однако из этого правила есть исключение. Допустим, мы запустили станцию так, чтобы она пришла в некую точку, расположенную на продолжении земной тени, причем на строго определенном расстоянии от Земли (примерно полтора миллиона километров). Тогда притяжение нашей планеты, добавленное к солнечному, окажется как раз таким, что период обращения по расширенной орбите будет в точности равен году. Получится, что станция как бы все время прячется от Солнца позади Земли. Аналогичная траектория есть и внутри земной орбиты, где притяжение планеты, наоборот, ослабляет солнечное ровно настолько, чтобы на более короткой орбите период обращения был равен году. На таких орбитах станции будут обращаться вокруг Солнца, оставаясь неподвижными относительно Земли, - в направлении к Солнцу и от него. Это так называемые точки Лагранжа L1 и L2, где космический аппарат может неподвижно висеть, не расходуя топлива. Этим уже пользуются: в L1 работает солнечная обсерватория SOHO, а в L2 - астрофизический зонд WMAP. Туда же планируется вывести 6-метровый телескоп имени Джеймса Вебба, который строится на смену стареющему «Хабблу».
Но полеты в точках Лагранжа не лишены трудностей. Дело в том, что равновесие в них неустойчиво. Стоит аппарату немного отклониться из-за возмущений со стороны других планет или погрешностей навигации, как он начинает описывать вокруг точки Лагранжа медленно расходящиеся петли. Если вовремя не скорректировать орбиту, аппарат может быть выброшен в космос или даже упасть на Землю. Рассчитать движение по такой траектории очень трудно: она очень сильно «крутит хвостом» - при малейшей ошибке в начальных условиях может повернуться в противоположном направлении.
И все же NASA уже удалось воспользоваться такой сложной орбитой для миссии по сбору образцов солнечного ветра. Аппарат «Генезис» (Genesis) был запущен по тончайшим образом выверенной траектории, которая после нескольких витков вокруг точки L1 вернула его к Земле, причем так, что капсула с образцами по касательной вошла в атмосферу и совершила посадку (к сожалению, жесткую из-за сбоя в парашютной системе). А у навигаторов тем временем зреют новые планы. Среди раскручивающихся траекторий ухода от точки L1 есть такие, которые на время приводят аппарат на орбиту вокруг L2 (и наоборот). Причем для этого не требуется серьезных затрат топлива. У Земли пользы от этого немного. Иное дело - система Юпитера, где у каждого из четырех его больших спутников - Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто - есть по паре точек Лагранжа. Двигаясь вокруг планеты, внутренние спутники обгоняют внешние, и если правильно подгадать, то ценой совсем небольших затрат топлива аппарат может перепрыгнуть с неустойчивой орбиты вокруг точки L2, скажем, спутника Ио на такую же орбиту вокруг точки L1 Европы. Покрутившись там и проведя наблюдения, можно подняться еще на одну ступеньку «лестницы» - к точке L2 Европы, а оттуда в нужный момент прыгнуть к L1 Ганимеда, а там и до Каллисто рукой подать. Спускаться по этой «лестнице Лагранжа» тоже не возбраняется.
Именно такой план полета предлагается для большой исследовательской станции JIMO, которую NASA готовит для изучения галилеевых спутников Юпитера. До сих пор спутники Юпитера исследовались только с пролетных траекторий. «Лестница Лагранжа» позволит станции подолгу зависать над спутником - детально изучать его поверхность и отслеживать происходящие на ней процессы.
Александр Сергеев
С малой тягой к малым телам
Но гравитационные маневры - не единственный способ сэкономить топливо. Еще в 1930-х годах один из пионеров отечественного ракетного двигателестроения Валентин Петрович Глушко предложил использовать электроракетные двигатели (ЭРД). По сравнению с традиционными жидкостными ракетными двигателями (ЖРД) скорость истечения рабочего тела у них на порядок выше, а значит, топлива требуется в сотни раз меньше. К сожалению, тяга ЭРД исчисляется величинами порядка нескольких граммов-силы, так что для вывода аппаратов на орбиту они не годятся. Это «двигатели открытого космоса», предназначенные для медленного, но непрерывного ускорения, длящегося месяцы, а при межпланетных полетах и годы. «Миссии с малой тягой» стали популярны лишь тогда, когда электроника, сделав гигантский скачок, позволила увеличить срок службы космических аппаратов с нескольких месяцев до нескольких лет, а то и десятилетий.
Трасса полета с малой тягой совсем не похожа на классический эллипс, она представляет собой медленно разворачивающуюся спираль Архимеда. Переход с низкой околоземной орбиты на геостационарную по такой траектории затягивается на полгода. Это поистине пытка для владельца спутника, продающего услуги космической связи: каждый день ожидания обходится в десятки тысяч долларов. Приходится учитывать и такое неприятное обстоятельство, как многократный пролет через радиационные пояса Земли. Тонкая электроника очень не любит космических излучений. Но зато спутник, оснащенный ЭРД, можно запустить на геостационарную орбиту ракетой «Союз» (300 тонн), а для аппарата с обычным ЖРД уже нужен могучий «Протон» (700 тонн). Разница в стоимости запуска - в два-три раза. Вот и ломает голову заказчик космического аппарата: какой вариант выбрать? Обычно все же останавливаются на том, что быстрее: современные спутники связи начинают «отбивать» затраченные на их запуск деньги уже через пару недель после выведения на целевую орбиту. Так что в околоземном пространстве двигатели малой тяги применяют в основном для небольших коррекций орбиты.
Другое дело - полеты, скажем, к астероидам. ЭРД позволят относительно легко перекидывать межпланетную станцию с одного объекта к другому, причем не просто пролетать мимо, а подолгу задерживаться у каждого. По причине своей ничтожной (по сравнению с планетами) массы астероиды обладают мизерной гравитацией. Их облет мало похож на обычное орбитальное движение вокруг больших планет. Орбитальные скорости здесь измеряются сантиметрами в секунду, а периоды - многими сутками. Чтобы облететь астероид быстрее, приходится почти постоянно «работать двигателями». Стоит их выключить, и аппарат просто улетит от планетоида. Но зато практически полное отсутствие гравитации позволяет садиться на поверхность астероида и взлетать с него при минимальных затратах топлива.
По большому счету слово «посадка» здесь можно употреблять лишь условно: причаливание межпланетного зонда к астероиду больше напоминает стыковку двух космических кораблей, нежели классическую посадку на поверхность планеты. Этот фокус проделывали японцы со своим зондом «Хаябуса», который дважды опускался на поверхность астероида Итокава и поднимался с нее. Кстати, этот же полет показал, насколько непросто управлять аппаратом вблизи поверхности астероида. Обмен сигналами с аппаратом занимает десятки минут, так что отдавать ему команды в реальном времени невозможно, несмотря на небольшие скорости. Поэтому отработка автономной навигации вблизи неровной поверхности астероида была одной из основных задач «Хаябусы».
Стартовавший в сентябре 2007 года к астероидам Церере и Весте американский зонд «Заря» (Dawn) оснащен ионными двигателями с тягой меньше одной десятой Ньютона (вес 10-гранного груза). За сутки работы они ускоряют аппарат массой около тонны на 25 км/ч. Это не так мало, как может показаться: за год подобными темпами можно набрать 2,5 км/с. Полного же запаса топлива на борту (425 килограммов) хватит для изменения скорости аппарата на 10 км/с - никаким межпланетным аппаратам с химическими двигателями подобное недоступно.
Планетарные двигатели
Попробуем пофантазировать и представим, что наконец-то решено отправить экипаж, состоящий из людей, скажем, в систему Сатурна. Можно выбрать быстрый перелет с большой тягой: собрать межпланетный корабль на околоземной орбите, выдать при помощи ЖРД мощный разгонный импульс и по гиперболе отправиться в путешествие. Лететь все равно придется долго - несколько лет. Масса топлива нужна огромная. А значит, для снаряжения гигантского корабля потребуется не один десяток сверхтяжелых ракет. Запасы кислорода, воды, пищи и всего, что нужно в межпланетном полете, теряются на фоне огромной массы топлива, необходимого не только для разгона у Земли, но и для торможения у цели путешествия, и для возвращения к родной планете…
А что если попробовать малую тягу? Безумное количество топлива существенно сократится, а срок путешествия, как ни странно, может остаться прежним! Ведь двигатели корабля будут работать всю дорогу - полпути на разгон, а полпути - на торможение. Правда, тягу электрореактивных двигателей придется увеличить в сотни раз по сравнению с теми, что стоят на зонде «Заря». Но во-первых, такие разработки уже ведутся, а во-вторых, двигателей может быть много.
Для питания ЭРД понадобится несколько мегаватт энергии. Вблизи Земли ее можно было бы получать даром - от огромных солнечных батарей площадью тысячи, если не десятки тысяч квадратных метров. Но с удалением от Солнца их эффективность быстро падает: у Марса - на 60%, у Юпитера - в 30 раз. Так что для полетов к планетам-гигантам придется использовать ядерный реактор. И еще, скорее всего, ЖРД все-таки понадобятся для того, чтобы быстрее пройти опасные радиационные пояса вблизи Земли. Видимо, именно комбинированные двигательные установки будут применяться в межпланетных пилотируемых миссиях будущего.
Межпланетный суперхайвей
В 2002 году специалисты NASA выдвинули новую концепцию проектирования межпланетных орбит с очень низкими энергозатратами. Получив громкое название «Межпланетный суперхайвей», она, по сути, является расширением «лестницы Лагранжа» на всю Солнечную систему. Авторы работы утверждают, что если вам удалось добраться до точки Лагранжа в системе Солнце - Земля, то, правильно подобрав коррекционный импульс, вы сможете с минимальными затратами энергии добраться почти до любой другой точки Лагранжа в Солнечной системе. Надо только верно рассчитать маневры у других планет и их спутников. Именно эта идея легла в основу иллюстрации в начале этой статьи.
Не только гравитация
Дальний космос таит в себе немало загадок. Казалось бы, что может быть точнее баллистических расчетов, в основе которых лежат законы небесной механики? Не тут-то было! На космический зонд действует множество сил, которые трудно учесть заранее. Давление солнечного излучения и солнечный ветер, магнитные поля планет и истечение газа из самого аппарата - все это сказывается на скорости его движения. Даже тепловое излучение зонда и радиосигнал, посылаемый на Землю узконаправленной антенной, вызывают отдачу, которую приходится учитывать при точной навигации. А то что происходило с уже упоминавшимися «Пионерами», вообще не получило пока должного объяснения. Работающий в NASA российский астрофизик Вячеслав Турышев обнаружил около 10 лет назад, что зонды испытывают очень небольшое аномальное торможение. За 20 лет полета аномалия «Пионеров» привела к тому, что, подлетая к границам Солнечной системы, космические аппараты отклонились от расчетного положения на 400 тысяч километров! Какие только гипотезы не выдвигались для объяснения аномалии. От уже упомянутых магнитных полей и испарения остатков топлива из топливных магистралей до наличия на границах Солнечной системы массивных невидимых объектов. Некоторые физики считают аномалию указанием на неточность современной теории гравитации, другие видят в ней проявление космологических факторов вроде темной материи и темной энергии. Исчерпывающего объяснения пока нет, а группа Турышева продолжает обрабатывать данные о полете «Пионеров». Как бы то ни было, при проектировании новых траекторий межпланетных полетов придется учитывать возможность подобных неожиданных явлений.
В общем, работа космического баллистика балансирует на грани искусства и точных наук. Ему всегда приходится решать задачу со многими неизвестными, усугубленную стремлением заказчика сделать все «быстрее и дешевле», не выходя за рамки физических законов. Так что, несомненно, мы еще станем свидетелями рождения многих новых нетривиальных космических траекторий.
Открыв планшет, штурман самолета может похвастаться: вот маршрут предстоящего полета. Баллистикам, конечно, завидно, что летчики столь эффектно и наглядно могут изобразить свой путь. И они стали думать, а нельзя ли нечто аналогичное отыскать и для описания полета космического аппарата? В результате был найден удобный способ отразить характер движения спутника относительно Земли точно на таких же картах, какие используются в авиации. И, наверное, в честь этого достижения в одной песне о космонавтах появились слова: "Заправлены в планшеты космические карты"... Правда, относительно последующей строки песни "И штурман уточняет в последний раз маршрут" с автором ее следует поговорить особо. Вы ведь уже знаете, что уточнить маршрут - это значит как-то изменить начальные условия движения. Они, в свою очередь, находятся специалистами-баллистиками в результате длительных трудоемких вычислительных работ с использованием совершеннейших электронных вычислительных машин с учетом всех возможностей ракеты и требований программы полета. Вот поэтому штурман непосредственно перед стартом ("...Ведь нам еще осталось 14 минут") практически не сможет уточнить "в последний раз маршрут".
Маршрут движения космического аппарата относительно Земли баллистики назвали звучным словом трасса.
Трассой полета спутника называется проекция его орбиты на поверхность Земли. Построение ее производится следующим образом. Для каждого заданного момента времени рассчитывается прогноз движения спутника, т. е. определяются его координаты. Затем точка, где находится спутник, соединяется прямой линией с центром Земли. Точка пересечения этой прямой с поверхностью Земли называется подспутниковой точкой.
Построив для ряда моментов времени подспутниковые точки и соединив их плавной кривой, получим трассу движения.
Можно изготовить простую механическую модель спутника для вычерчивания трассы спутника. Для этого возьмите обыкновенный школьный глобус Земли и рядом с ним укрепите жесткий металлический обруч так, чтобы глобус находился внутри обруча, а центры обруча и глобуса совпадали (рис. 22). Глобус будет как бы изображать вращающуюся Землю, а обруч - круговую орбиту. Теперь приложите карандаш к обручу так, чтобы острие его касалось глобуса и было направлено к его центру. Передвигая карандаш вдоль обруча, вы будете как бы изображать полет спутника. Если одновременно вращать глобус (моделируя вращение Земли), то карандаш оставит на глобусе плавную кривую, которая и будет изображать след спутника. Трасса будет тем точнее, чем лучше вы выдержите соотношение периодов вращения Земли и обращения спутника.
Модель движения спутника относительно Земли можно, разумеется, значительно усовершенствовать и отражать на ней полет спутника в естественном темпе времени. Для этой цели можно применить автоматическую систему синхронизации вращения глобуса с земным и перемещение макета спутника по поверхности глобуса - с действительным полетом его относительно Земли. Тогда положение макета на глобусе на каждый момент времени будет в точности соответствовать координатам летящего корабля. Такое устройство применялось при запуске первых искусственных спутников Земли и было до поры до времени предметом восхищения журналистов. Однако этот глобус, устанавливаемый ранее в координационно-вычислительном центре, уже свое отслужил. Вместо глобуса появился огромный матовый световой экран с картой Земли. По карте ползет светящееся пятнышко, направляемое специальным электронным счетным устройством. Это пятнышко изображает собой летящий космический корабль. На той же карте определенными значками нанесены наземные измерительные пункты и зоны их радиовидимости в виде овалов. Когда "зайчик" входит в очередной овал, то это означает, что данный измерительный пункт "видит" летящий корабль и, стало быть, может держать с ним связь.
Но, изжив себя в координационно-вычислительном центре, глобус остается пока еще незаменимым помощником космонавтов. Его устанавливают на борту, в кабине космонавтов. Для них глобус является очень удобным и важным прибором, помогающим ориентироваться в полете и распознавать географические "черты" Земли. Такой глобус часто называют навигационным и он применяется на кораблях-спутниках "Восток", "Восход", "Союз".
Научившись строить трассы полета спутников на глобусе или на карте, теперь можно рассмотреть вопрос о том, как они выглядят и какие элементы орбиты можно определить с их помощью.
Начнем с простейшего случая построения трассы стационарного спутника Земли. Пусть этот спутник движется по экваториальной орбите. Радиус орбиты его может быть найден из условия: период обращения спутника должен быть равен одним звездным суткам (т. е. времени, в течение которого Земля совершает относительно звезд один полный оборот вокруг своей оси). Вычисления показывают, что радиус орбиты спутника должен быть равен 35809 км. Иначе говоря, спутник будет летать на высоте 29438 км со скоростью 3076 м/сек . При движении по стационарной экваториальной орбите он будет как бы висеть над одной и той же точкой поверхности Земли, расположенной на ее экваторе. Трасса спутника изобразится чрезвычайно просто: точка на карге. Вот вам и весь "маршрут" движения! Конечно, это обстоятельство может дать пищу для иронии не только летчикам или морякам, но даже пешеходам, которые, хотя и медленно, но все же перемещаются относительно поверхности Земли. Однако баллистики вместе с астрономами могут ответить им: природе далеко не безразличны стационарные орбиты, ведь Земля по отношению к Луне является своеобразным стационарным "спутником". Светлый лик Луны всегда обращен к Земле одной и той же стороной, а Земля, образно говоря, висит над неизменной областью поверхности Луны. И только благодаря старанию людей, создавших межпланетную станцию "Луна-3", удалось заглянуть за скрытую от Земли часть Луны, покинув стационарную орбиту. Если радиус орбиты спутника меньше радиуса стационарной орбиты, то период обращения его уменьшится, т. е. он совершит один виток быстрее, чем обернется Земля. Трасса полета спутника будет совпадать с экватором Земли, а подспутниковая точка "станет перемещаться вдоль него с запада на восток (в направлении вращения Земли). Наоборот, когда спутник выведен на орбиту радиус которой превысит радиус стационарной орбиты, то в своем движении он будет отставать от вращения Земли и подспутниковая точка будет перемещаться вдоль экватора с востока на запад в направлении, обратном вращению Земли.
А как будет выглядеть трасса если плоскость орбиты спутника не будет совпадать с плоскостью экватора? Чтобы разобраться в этом, обратимся к рис. 23. На нем схематически показана Земля и орбита спутника, если на нее смотреть с "ребра". Отсюда непосредственно видно, что наибольшая широта точек трассы будет численно равна наклонению плоскости орбиты. Таким образом, трасса круговой орбиты спутника Земли на карте Земли будет располагаться в полосе между параллелями, отстоящими от экватора к северу и к югу на угол, равный наклонению плоскости орбиты. Значит, если дана трасса полета спутника по круговой орбите, то на ней вы можете найти широту наиболее удаленной от экватора точки трассы и она численно будет равна наклонению плоскости орбиты к экватору.
Рассмотрим теперь движение спутника с момента времени, когда он пересек экватор при переходе с южного полушария к северному (как известно, подспутниковая точка в этот момент будет соответствовать положению восходящего узла орбиты). За время одного оборота спутника по орбите, т. е. к моменту прихода его к экватору, Земля провернется на некоторый угол, величина которого будет зависеть от периода обращения спутника. Этот угол, отсчитываемый вдоль экватора, баллистики называют смещением спутника по долготе за виток орбиты (для краткости иногда говорят - смещение за виток). Для кругового спутника Земли при высоте орбиты 200 км величина смещения будет составлять 22°. При увеличении радиуса орбиты величина смещения за виток будет также возрастать и для стационарных спутников она достигнет 24 часа звездных.
Примеры различных трасс спутников изображены на рис. 24, 25. По горизонтальным осям рисунков отложена долгота проекции спутника на земную поверхность, а по вертикальным - широта. На этих рисунках отчетливо видно, что трасса спутника всегда проходит в полосе между двумя.параллелями, симметричными относительно экватора.
Рассмотрим более подробно рис. 24. Жирная линия на нем изображает трассу полета спутника на первом витке. Начиная ют экватора (точка А ), трасса поднимается в северное полушарие и, коснувшись параллели, уходит снова к экватору, пересекает его, затем подходит к южной параллели, касается ее и снова подходит к экватору со стороны южного полушария (точка В ). Расстояние между точками А и В и есть смещение спутника по долготе за виток. Последующие витки трассы могут быть получены путем последовательного смещения се от витка к витку на величину отрезка АВ . Для облегчения рисования трассы можно изготовить специальное лекало.
Очевидно, что если смещение за виток укладывается целое число раз в длине экватора Земли, то трасса спутника через определенное число витков подойдет к точке А и в последующем будет повторяться.
Пусть N есть ближайшее целое число витков, которое спутник совершает приблизительно за сутки. Если после завершения N витков спутник не выйдет в точку А , а окажется, например, в точке С , то угловое расстояние по долготе между точками Л и С называют суточным смещением орбиты. Когда это смещение равно нулю, то спутник через сутки возвратится в исходное положение.
Исходя из описанных особенностей движения спутника Земли, мы теперь можем со знанием дела дать комментарии к следующим сообщениям ТАСС:
"Сегодня, 11 октября, в 14 часов 10 минут московского времени в Советском Союзе стартовала ракета-носитель с космическим кораблем "Союз-6". В 14 часов 19 минут корабль "Союз-6" с высокой точностью выведен на расчетную орбиту спутника Земли... По данным траекторных измерений параметры орбиты корабля следующие:
Максимальное расстояние от поверхности Земли (в апогее) 223 километра;
Минимальное расстояние от поверхности Земли (в перигее) 186 километров;
Наклонение орбиты 51,7 градуса;
Период обращения вокруг Земли 88,36 минуты "... " Продолжая намеченную программу научно-технических исследований и экспериментов кораблей "Союз", 12 октября 1969 года в 13 часов 45 минут московского времени в Советском Союзе произведен запуск второго космического корабля - "Союз-7"... Экипажи кораблей "Союз-6" и "Союз-7" установили между собой надежную двустороннюю радиосвязь".
В последующих сообщениях ТАСС говорилось, что параметры орбиты корабля "Союз-7" близки к параметрам орбиты корабля "Союз-6".
Прочитав внимательно эти сообщения ТАСС, давайте попробуем объяснить вопрос, почему старт корабля "Союз-7" произведен в 13 часов 45 минут? Можно предполагать, что время старта корабля "Союз-7" выбиралось из условия, чтобы после выведения на орбиту он оказался как можно ближе к кораблю "Союз-6" (..."установили между собой надежную двустороннюю радиосвязь"...). Для этого, очевидно, необходимо, чтобы трасса корабля "Союз-6" проходила через точку старта корабля "Союз-7". Проверим нашу гипотезу. Из сообщения ТАСС находим, что старт корабля "Союз-7" произведен спустя 23 часа 26 мин после старта корабля "Союз-6". При периоде обращения корабля "Союз-6" 88,36 мин в промежуток времени 23 час 26 мин . укладывается почти (без нескольких минут) 16 витков его вокруг Земли. Расхождение в несколько минут можно объяснить влиянием нецентральности тюля сил на полет корабля. Отсюда следует, что трасса корабля "Союз-6" действительно проходила в окрестности точки старта корабля "Союз-7" и тем самым обеспечивался их последующий близкий полет.
Изменение периода обращения спутника существенно меняет вид трассы его полета. В этом вы можете убедиться, еще раз посмотрев на рис. 25. Особый интерес представляет собой трасса полета стационарного спутника, плоскость орбиты которого не совпадает с плоскостью экватора. Из рис. 25 видно, что трасса спутника представляется в виде "восьмерки", расположенной над одним и тем же районом земной поверхности. Она "сужается" с уменьшением наклонения и стягивается в точку, когда орбита становится экваториальной.
Таким образом, мы рассмотрели основные характеристики движения кругового спутника относительно вращающейся Земли. Существенно отметить, что трасса его или "маршрут" движения не могут быть нарисованы произвольно, как это, скажем, выполняется при назначении маршрута полета самолета. Трасса спутника, несмотря на ее причудливый вид, отвечает строгим закономерностям движения и не может быть изменена произвольным образом. Она целиком и полностью определяется наклонением плоскости орбиты и периодом обращения спутника.
более общий функционал, учитывающий штрафные члены, меняя состав и число корректируемых параметров на промах. Практические алгоритмы и методы описаны в Φ 3Γ . Следует отметить, что указанные ме тоды позволили создать надежные алгорит мы решения задач сближения в точной по становке и более тридцати лет используют ся на практике для проектирования и управления полетом при сближении рос сийских и советских космических кораблей «Союз» и «Прогресс» с орбитальными стан циями «Мир» и МКС.
Методы оптимизации траекторий сбли жения КА в окрестности круговых орбит с использованием многорежимных двигатель ных установок, в том числе с малой тягой, и наличием краевых условий во внутренних
лены в , где используются алгоритмы внутренней точки задач линейного про граммирования высокой размерности (десят ки сотни тысяч переменных). Основу мето дов составляют дискретизация траектории на малые сегменты, в которых допускается про ведение маневров, и введение для всех сег ментов множеств псевдоимпульсов, опреде ляющих возможные направления вектора тя ги КА. Терминальные условия представля ются в форме линейного матричного уравне ния. Матричное неравенство для сумм ха рактеристических скоростей псевдоимпуль сов на каждом сегменте используется для преобразования к форме линейного про граммирования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аппазов Р.Ф., Сытин О.Г. Методы про ектирования траекторий носителей и спутни ков Земли. М.: Наука, 1987. 440 с.
2. Лидов М.Л. Математическая аналогия между некоторыми оптимальными задачами коррекции траекторий и выбора состава изме рений и алгоритмы их решения // Космиче ские исследования. 1971. Т.8, № 5. С. 687.
3. Навигационное обеспечение полета ор битального комплекса «Салют 6»–«Союз»– «Прогресс» / Под ред. Б.Н. Петрова и И.К. Ба жинова М.: Наука, 1985. 376 с.
4. Улыбышев Ю.П. Оптимизация много режимных траекторий сближения с ограниче ниями // Космические исследования. 2008.
Т. 46. № 2. С. 135–147.
2.2.4. БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОЛЕТА КА
Видимость КА с Земли и из космоса. Для КА, наблюдающего поверхность Земли, поле обзора представляет сферический сегмент на поверхности Земли с геоцентрическим углом Η , зависящим от высоты орбиты и минималь ного угла возвышения . Данные парамет ры связаны соотношением:
cos(Η ) |
||||||
R e ( |
||||||
где R e - экваториальный радиус Земли. Геометрия видимости представлена на
Условием видимости, например радиови димости для связи, КА для наблюдателя на по верхности Земли является его нахождение над плоскостью местного горизонта этого наблю дателя не ниже чем под некоторым минималь ным углом возвышения (см. рис. 2.2.5). Для радиотехнических систем этот угол составляет, как правило, не менее чем 3…7 .
Если размер поля обзора ограничивается максимально допустимым расстоянием 7 max , то для Η соотношение примет вид:
(R h) 2 |
||||
cos Η |
||||
2(R e h )R e |
||||
Времена начала и окончания зоны види |
||||
мости КА определяются по достижению пре дельных значений угла возвышения с исполь зованием геоцентрических координат наблю дателя R н и радиус вектора КА r :
! [(r R |
)т R ] |
7 т R |
||||||||
| r R н || R н | |
| 7 | R e |
|||||||||
Рис. 2.2.5. Геометрия видимости, - геоцен трический угол обзора, h - высота полета КА над Землей
Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая
Рис. 2.2.6. Взаимная видимость двух КА
Угол полураствора конуса обзора со сто роны КА равен:
Ι Η . |
|
ется над Землей (рис. 2.2.6). Для практических целей это условие обычно усиливается - ли ния визирования должна находиться над плот ными слоями атмосферы (h атм 4 100 км).
Данное условие можно представить в виде
| r 1 | sin , R з h атм , |
|||||||
(r 2 |
r1 ) |
||||||
Arccos |
|||||||
| r | | r |
|||||||
Трассы полета КА. Трасса полета КА представляет собой траекторию подспутнико вой точки на поверхности Земли. Географиче ские координаты (широта и долгота) подспут никовой точки (без учета прецессии плоскости орбиты):
Для круговых орбит размер поля обзора Η постоянен, а для эллиптических орбит изме няется в зависимости от высоты полета h .
Условие взаимной видимости двух КА - линия, соединяющая их положения располага
где i - наклонение орбиты, u - аргумент широ ты; ву - Гринвичская долгота восходящего уз ла; t - время от восходящего узла; ; з - угловая скорость вращения Земли. Здесь используется круговая функция arctg (…, …), где первый член соответствует синусу искомого угла, а второй - косинусу этого угла. Пример трассы полета МКС (круговая орбита с i 51,6 , h 400 км) приведен на рис. 2.2.7.
Рис. 2.2.7. Пример трассы полета МКС
Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая
Скорость движения по трассе для кру говой орбиты (аргумент широты u ; t , где ; - угловая скорость орбитального движе ния):
sini cosu |
|||||||||
1 sin2 i sin2 u |
|||||||||
cosi |
|||||||||
sin2 i sin2 u |
|||||||||
Особым случаем являются орбиты, имею щие нулевое наклонение i 0 и период, равный звездным суткам. В этом случае КА остается неподвижным относительно поверхности Зем ли. Такие КА называют геостационарными (см. п. 2.2.5).
Примеры трасс КА на различных круго вых орбитах показаны на рис. 2.2.8.
Геометрические свойства трасс на эл липтических орбитах в силу существенных
различий скорости полета КА относительно Земли носят более сложный характер, свя занный с монотонностью изменения долго ты, геодезической кривизной и характером точек самопересечения. Примеры эллипти ческих орбит с периодами T 6; 18 ч, иллю стрирующих влияние эксцентриситета ор биты на трассы КА при неизмененных ос тальных параметрах орбит, представлены на рис. 2.2.9.
Освещенность КА и Земли. Важное зна чение при анализе полета КА имеют условия его освещенности Солнцем, которые влияют на нагрев КА, оптическую аппаратуру звезд ных датчиков, эффективность работы сол нечных батарей и т.д. Характер освещенно сти зависит от взаимного положения самого КА, Солнца, Земли, а в некоторых случаях и Луны.
Геометрия образования теневых участков от Земли показана на рис. 2.2.10. С учетом гео метрических размеров Солнца и Земли разли чают собственно теневые и полутеневые участ ки. В последнем случае солнечный диск час тично закрыт Землей (рис. 2.2.11).
Полутеневые интервалы для низковысот ных и средневысотных орбит КА обычно су щественно меньше длительности самого тене вого участка, поэтому для расчетов теневых интервалов используют более простую геомет рическую интерпретацию в теневого ци линдра. Упрощенное представление тени на орбите иллюстрирует рис. 2.
Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая
Рис. 2.2.9. Примеры трасс эллиптических орбит
Рис. 2.2.10. Геометрия образования теневых участков от Земли:
R з - радиус Земли; R c - радиус Солнца; r c - радиус вектор Солнца; r o - радиус вектор КА; a т - граничный угол области тени; a ПT - граничный угол области полутени
Условие нахождения КА в тени можно представить в виде:
r 2 (r т e |
) 2 R |
||||
5 / 2, |
|||||
где e s - единичный вектор направления на Солнце.
Угол , (рис. 2.2.12) называют углом «Солнце – Объект – Земля». Он также опреде ляет освещенность подспутниковой точки, и
Рис. 2.2.11. Видимый солнечный диск:
а - полная освещенность; б - полутень; в - тень
при ϑΚ сответствует линии смены дня и ночи на поверхности Земли, называемой ли нией терминатора .
Плоскость орбиты КА прецессирует в инерциальном пространстве с некоторой угло вой скоростью, а видимое положение Солн ца описывается сложным движением с перио дом один год, поэтому продолжительность те невых интервалов и их положение на орбите меняются по времени полета КА. В зависимо сти от параметров самой орбиты и положения Солнца теневые участки в какие то периоды времени могут отсутствовать и в исключитель ном случае отсутствовать всегда. Последнее возможно, если скорость прецессии орбиты очень близка к угловой скорости смещения Солнца по экватору относительно инерциаль ного пространства. Этот случай соответствует солнечно синхронным орбитам (см. п. 2.2.5).
Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая
БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОЛЕТА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ |
|
Рис. 2.2.12. Упрощенное представление тени на орбите:
1 - КА; 2 - линия терминатора
Для орбиты МКС (наклонение i 51,6 , высота h 4 400 км) скорость прецессии узла− 5,0 ϑ сут, а средняя угловая скорость дви жения Солнца в годичном движении s 0,98 ϑ сут. Таким образом, угол между ли нией узлов орбиты КА и проекцией направле ния Солнца на экватор ежесуточно изменяется на s − 6 . Это означает, что условия ос вещенности орбиты МКС меняются с перио дичностью 4 60 суток. Пример распределения времен начала и окончания теневых интерва лов по шкале относительного времени от мо ментов прохождения восходящего узла для ор биты МКС в 2005 г. показан на рис. 2.2.13.
Угловое положение Солнца над плоско стью земного экватора также оказывает влия ние на теневые интервалы. Особенно это ярко
Рис. 2.2.13. Теневые интервалы для орбиты МКС в 2005 г.
марта) и осеннего (4 22 сентября) равноденст вий Солнце находится близко к плоскости земного экватора. Поэтому все геостационар ные КА будут ежедневно иметь теневые интер валы до тех пор, пока угол возвышения s Солнца над земным экватором не превысит по абсолютной величине 4 9 . Это соответствует датам, отстоящим от дат весеннего и осеннего равноденствия на / 22…23 дня. Затенение гео стационарного КА показано на рис. 2.2.14. Ас трономическое время суток для интервала за тенения геостационарного КА зависит от его долготы, а характер изменения длительности тени - от дат и подобен для всех геостацио нарных КА (рис. 2.2.15) с максимальной дли тельностью тени 4 1h 20m .
В ряде случаев необходимо также учиты вать возможность затенения КА Луной. Гео метрия образования лунной тени показана на рис. 2.2.16.
Вероятность таких событий для орбит с большими наклонениями мала. Для геоста ционарных орбит образование теневых интер валов носит относительно регулярный харак тер и случается несколько раз в год, причем собственно теневые интервалы могут отсутст вовать, а преимущественно имеются полутене вые интервалы. Их продолжительность может достигать до 4 3…4 ч.
Географические вычисления при анализе и визуализации полета КА. Вычисления, опре деляющиеся географическим представлени
Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая
Рис. 2.2.14. Затенение геостационарного КА
Рис. 2.2.15. Длительность интервалов для геостационарного КА
Рис. 2.2.16. Геометрия образования лунной тени
ем различных баллистических условий (для анализа и/или визуализации полета КА), связаны с определением геоцентрических широты и долготы точки на поверхности сферической Земли, отстоящей от некоторой заданной точки А (долгота А и широта А ) на заданное геоцентрическое расстояние в направлении, определяемом азимутом. Взаимное положение двух точек на поверх ности Земли иллюстрируется на рис. 2.2.17.
Соответствующие соотношения имеют вид:
arcsin (sin |
cos cos |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Arctg & sin sin , |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
cos A |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Η arccos; |
|||||||
arctg & sin (B A ) |
|||||||
cos A |
|||||||
Здесь используется круговая функция arctg (…, …), где первый член соответствует синусу иско мого угла, а второй - его косинусу.
Для построения поля обзора наземным измерительным пунктом на поверхности Земли для КА на круговой орбите использу ется следующий алгоритм. По высоте орби ты h КА определяется геоцентрический угол сферического сегмента Η (2.2.80). Задавая значения азимута в диапазоне от 0 до 2 используя уравнения (2.2.91) рассчитывается множество граничных точек. На рис. 2.2.18 показаны примеры полей обзоров наземных пунктов, используемых для управления по летом КА «Союз» (Москва, Уссу рийск, Колпашев, Петропавловск Камчат
Для цилиндрической модели затенения Земли мгновенное положение линии терми натора (рис. 2.2.19) определяет большой круг, у которого точка А определяет направление на Солнце. В этом случае Η /2 и координа ты граничных точек определяются соотноше
sin B cos A cos ; |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
tg (B A ) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
sin A |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
d
s
23)
ским радиусом /2 С с использова нием соотношений (2.2.91), положив А / i , А ВУ / /2 и Η /2 С . Однако за счет вращения Земли на клон трассы к параллели будет отли чаться от наклона для малого круга на поверхности сферы. Наклон трас сы КА и граничные точки полосы об зора представлены на рис. 2.2.21. Уравнения для определения этого
Рис. 2.2.20. Полоса обзора круговой орбиты на постоянный геоцентри ческий угол С . В этом случае они могут быть определены как малые круги со сфериче Рис. 2.2.21. Наклон трассы КА и граничные точки полосы обзора Откуда определяется угол наклона трассы (см. рис. 2.2.21):
Полагая / /2 Ι ; А ; А ; и Η /2 С (, - координаты трассы КА) в (2.2.91), определяются две граничные точки полосы обзора. Для географической визуализации полета КА обычно используются цилиндрические про екции. Однако в ряде случаев более наглядным является применение других картографических проекций. Основные виды географических проекций разделяются на три типа: – цилиндрические; – конические; – азимутальные. Для каждого типа имеется множество разновидностей, различающихся степенью сжатия и преобразования различных геогра фических областей. На рис. 2.2.22–2.2.24 по казаны геометрические иллюстрации образо вания указанных типов проекций, и для срав нения представлены отображения трасс со средним наклонением i 45 и высоким на клонением i 85 (для КА на круговой орбите h − 1680 км, Т 2 ч), а также полей обзора на блюдателей на Гринвичском меридиане с ши ротами 0; 40; 80 . Цилиндрические проекции дают нагляд ное представление приэкваториальной зо ны и средних широт. Конические проекции учитывают эффект изменения длины паралле ли при изменении широты, тем самым более точно отображают площадь областей, находя
Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Загрузка...