Три космические скорости

Как мы уже говорили, космическому аппарату, чтобы он смог совершить полет, нужно сообщить строго определенную скорость.

Какую скорость должен иметь искусственный спутник Земли? А космический корабль, который отправится к Луне? А с какой скоростью нужно отправить к Венере автоматическую станцию? Ответ на эти вопросы дает астродинамика - наука, изучающая движение искусственных небесных тел (спутников Земли, Луны, автоматических межпланетных станций и др.).

Я убежден, что многие уже слышали о трех космических скоростях и наверняка скажут: "Первая космическая скорость - это та, которая необходима для запуска искусственного спутника Земли, вторая - для того, чтобы отправиться к планетам, а третья - чтобы улететь за пределы Солнечной системы".

На вопрос: "Чему равны первая и вторая космические скорости?" - в подавляющем большинствеслучаев можно услышать ответы: "7,9 и 11,2 км/с". Однако такие ответы будут не совсем точными. Спутники и космические корабли летают с несколько меньшими скоростями. Например, корабли типа "Восток" летали со средней скоростью 7,7 км/с.

В чем же дело? Оказывается, 7,9 и 11,2 км/с (более точно 11,19) -это космические скорости, приведенные к поверхности Земли. А космические аппараты получают нужные скорости в нескольких сотнях километров от ее поверхности, где отсутствует атмосфера. Там сила притяжения Земли меньше. Чем дальше от поверхности планеты проходит орбита корабля, тем меньшая скорость ему нужна для того, чтобы вырваться из плена земного тяготения. Первую космическую скорость называют еще круговой скоростью. Ею должен обладать аппарат, чтобы стать искусственным спутником планеты и двигаться вокруг нее по круговой орбите. Но поскольку на формирование такой орбиты решающее влияние оказывает сила притяжения планеты, то для разных планет круговая скорость на одной и той же высоте будет различной, потому что у планет различная сила притяжения. На высоте 200 км спутник Земли должен иметь круговую скорость 7,791 км/с, на такой же высоте спутник Венеры должен обращаться со скоростью 7,201 км/с, спутник Марса -3,461 км/с, а у спутника Луны эта скорость всего 1,590 км/с.

Второй космической скоростью называют скорость, с которой аппарат, преодолевая притяжение Земли, улетает в космическое пространство. В этом случае он будет двигаться не по замкнутой орбите вокруг Земли, а устремится по параболической траектории, навсегда удаляясь от нашей планеты. Поэтому такую скорость часто называют параболической. Ее отношение к круговой скорости равно числу корень из 2, т. е. она примерно на 40% больше круговой скорости. Это справедливо не только для Земли, но и для всех других планет.

Чтобы преодолеть притяжение Солнца, аппарату надо сообщить скорость 16,7 км/с. Это третья космическая скорость. С ней аппарат станет удаляться от Земли по гиперболе. Рассказ о космических скоростях мы закончим ответом на вопрос: "Изменяются ли в полете скорости космических аппаратов, и если да, то как именно?"

В сообщениях ТАСС о запусках спутников и космических кораблей встречаются термины "апогей" и "перигей". Апогей и перигей - две самые характерные точки эллиптической орбиты, которая возникает, когда космическому аппарату сообщается скорость, отличная от круговой. Апогей - это точка орбиты, находящаяся на максимальном расстоянии от центра Земли, а перигей - на минимальном. Однако в сообщениях о запусках космических аппаратов указывается не все это расстояние, а лишь удаление их от поверхности Земли, т. е. из полученного результата вычитают средний радиус Земли, равный 6371 км.

При полете по эллиптической орбите скорость аппарата будет непрерывно изменяться. Максимальную скорость он будет иметь в перигее. Здесь на минимальной высоте аппарат имеет наименьший запас потенциальной энергии. Зато кинетическая энергия, определяемая его скоростью, имеет в этой точке максимум. Пройдя перигей, аппарат, двигаясь по эллиптической орбите, набирает высоту. Потенциальная энергия его возрастает за счет уменьшения энергии кинетической. Поэтому по мере увеличения высоты полета скорость аппарата убывает. Вот какие скорости будут у аппарата, обращающегося на эллиптической орбите с апогеем 10000 км и перигеем 200 км: в апогее 3,738 км/с и в перигее 9,306 км/с.

Термины "апогей" и "перигей" применимы только к орбитам искусственных спутников Земли. Аналогичные точки эллиптической орбиты спутника Луны называются апоселений и периселений, спутника Солнца - афелий и перигелий.

Поскольку речь зашла об элементах орбиты искусственных спутников, к названным следует добавить период обращения и наклонение орбиты. Период обращения - это промежуток времени, в течение которого спутник совершает полный оборот вокруг небесного тела - Земли, Луны, Марса, Солнца и т. д. Наклонение орбиты искусственного спутника Земли представляет собой угол между плоскостью, мысленно проведенной через земной экватор, и плоскостью, в которой движется спутник. Это единственный параметр орбиты, значение которого остается практически постоянным на протяжении всего существования спутника, в то время как другие параметры могут изменяться.

Изменение плоскости орбиты (на несколько градусов и более) возможно, но для этого необходимо вмешательство в пассивный полет космического аппарата, например включение реактивных двигателей при определенной ориентации аппарата. Однако нужно иметь в виду, что для изменения плоскости орбиты даже на несколько градусов нужна колоссальная энергия, сравнимая подчас с той, что была затрачена на выведение аппарата на орбиту.

Орбитальная станция "Салют": I - переходный отсек; II - рабочий отсек; III - агрегатный отсек; 1 - системы агрегатного отсека; 2 - иллюминаторы рабочего отсека; 3 - кресло космонавта у пульта управления станцией; 4 - иллюминаторы переходного отсека; 5 - баллоны с запасами сжатых газов; 6 -датчик ориентации; 7-антенна обзора системы поиска; 8 - приемный конус стыковочного устройства; 9-панели солнечных батарей; 10 - антенна системы наведения; 11 -астрономическая система "Орион" ; 12 - люк-лаз между переходным и рабочим отсеками; 13 - световые индексы; 14 - научное оборудование рабочего отсека; 15 - бытовое оборудование; 16 - микродвигатели системы ориентации; 17 - антенна обзора системы поиска; 18 - телевизионная камера внешнего обзора.

Для запуска корабля или автоматической станции к планетам надо при старте сообщить им такое количество энергии, чтобы они не только преодолели силу земного притяжения, но и сохранили при этом необходимую скорость. Для этого они должны приобрести при отлете с Земли скорость, которая значительно больше второй космической. Например, чтобы достичь орбиты Венеры, скорость отлета с Земли должна быть 11,462 км/с, а чтобы достичь орбиты Марса, скорость отлета должна быть 11,570 км/с.

Все автоматические межпланетные станции сначала выводятся на орбиту искусственных спутников Земли и уже затем стартуют к Венере и Марсу. В этом случае им достаточно сообщить для отлета к планете дополнительную скорость лишь 3-4 км/с, что можно сделать с помощью всего одной ступени ракеты.

Не случайно так много внимания мы уделили рассмотрению космических скоростей. Быстроту передвижения человек ценил всегда. Однако скорость никогда прежде не была необходимым условием путешествия. Несколько лет добирался до Индии Афанасий Никитин. Много месяцев понадобилось Магеллану для кругосветного путешествия. Более двух суток находились в воздухе экипажи Чкалова и Громова, совершавшие перелеты из Москвы через Северный полюс в Америку. Сейчас эти путешествия люди совершают быстрее, удобнее и проще. Но ни одного путешествия к небесным телам не смог совершить человек, пока не научился сообщать своим аппаратам строго определенные космические скорости.

перейти к началу страницы