Какие проблемы нужно решить, чтобы межзвездные полеты стали реальностью? На каком расстоянии от земли летают космические корабли


Расстояния в космосе. Ближайшие к нам звезды и объекты

Содержание страницы:

Все когда-либо путешествовали, затрачивая конкретное время на преодоление пути. Какой же бесконечной казалась дорога, когда она измерялась сутками. От столицы России до Дальнего Востока – семь дней езды на поезде! А если на этом транспорте преодолевать расстояния в космосе? Чтобы добраться до Альфа Центавра поездом потребуется всего-то 20 млн. лет. Нет, лучше на самолёте – это в пять раз быстрее. И это до звезды, находящейся рядом. Конечно, рядом — это по звёздным меркам.

Расстояние до Солнца

Аристарх СамосскийАриста́рх Само́сскийАстроном, математик и философ, жил в III веке до н. э. Первым догадался что земля вращается вокруг Солнца и предложил научный метод определения расстояний до нее. ещё за двести лет до нашей эры попытался определить расстояние до Солнца. Но вычисления его были не очень верны – он ошибся в 20 раз. Более точные значения получил космический аппарат Кассини в 1672 году. Были измерены положения Марса во время его противостояния из двух различных точек Земли. Высчитанное расстояние до Солнца получилось 140 млн. км. В середине ХХ в, при помощи радиолокации Венеры, выяснились истинные параметры расстояний до планет и Солнца.

Сейчас нам известно, что расстояние от земли до Солнца  — 149 597 870 691 метр. Это значение называется астрономической единицей, и оно является фундаментом для определения космических расстояний по методу звёздных параллаксов.

Многолетние наблюдения также показали, что Земля отдаляется от Солнца примерно на 15 метров в 100 лет.

Расстояния до ближайших объектов

Мы мало задумываемся о расстояниях, когда смотрим прямые трансляции из дальних уголков земного шара. Телевизионный сигнал приходит к нам практически мгновенно. Даже с нашего спутника, Луны, радиоволны долетают до Земли за секунду с хвостиком. Но стоит заговорить об объектах более дальних, и тотчас приходит удивление. Неужели до такого близкого Солнца свет летит 8,3 минуты, а до ледяного Плутона – 5,5 часов? И это, пролетая за секунду почти 300 000 км! А для того, чтобы добраться к той же Альфе в созвездии Центавра, лучу света потребуется 4,25 года.

Даже для ближнего космоса не совсем годятся наши, привычные, единицы измерения. Конечно, можно проводить измерения в километрах, но тогда цифры будут вызывать не уважение, а некоторый испуг своими размерами. Для нашей Солнечной системы принято проводить измерения в астрономических единицах.

Теперь космические расстояния до планет и других объектов ближнего космоса будут выглядеть не так страшно. От нашего светила до Меркурия всего 0,387 а.е., а до Юпитера – 5,203 а.е. Даже до самой удалённой планеты – Плутона – всего 39,518 а.е.

До Луны расстояние определено с точностью до километра. Это удалось сделать, поместив на его поверхность уголковые отражатели, и применив метод лазерной локации. Среднее значение расстояния до Луны получилось 384 403 км. Но Солнечная система простирается гораздо дальше орбиты последней планеты. До границы системы целых 150 000 а. е. Даже эти единицы начинают выражаться в грандиозных величинах. Тут уместны другие эталоны измерений, потому что расстояния в космосе и размеры нашей Вселенной – за границами разумных представлений.

Средний космос

Быстрее света в природе ничего не бывает (пока не известны такие источники), поэтому именно его скорость была взята за основу. Для объектов, ближайших к нашей планетной системе, и для удалённых от неё, принят за единицу путь, пробегаемый светом за один год. До границы Солнечной системы свет летит около двух лет, а до ближайшей звезды в Центавре 4,25 св. года. Всем известная Полярная звезда расположилась от нас на удалении в 460 св. лет.

Каждому из нас мечталось отправиться в прошлое или будущее. Путешествие в прошлое вполне возможно. Нужно лишь взглянуть в ночное звёздное небо – это и есть прошлое, далёкое и бесконечно далёкое.

Все космические объекты мы наблюдаем в их далёком прошлом, и чем дальше наблюдаемый объект, тем дальше в прошлое мы смотрим. Пока свет летит от далёкой звезды до нас, проходит столько времени, что возможно  в настоящий момент этой звезды уже не существует!

Ярчайшая звезда нашего небосвода – Сириус – погаснет для нас только через 9 лет после своей смерти, а красный гигант Бетельгейзе – только через 650 лет.

Наша галактика имеет размер в поперечнике 100 000 св. лет, а толщину около 1 000 св. лет. Представить такие расстояния невероятно трудно, а оценить их практически невозможно. Наша Земля, вместе со своим светилом и другими объектами Солнечной системы, обращается вокруг центра галактики, за 225 млн. лет, и делает один оборот за 150 000 св. лет.

Дальний космос

Расстояния в космосе до далёких объектов измеряют, используя метод параллакса (смещения). Из него вытекла ещё одна единица измерения – парсек Парсек (пк) - от параллактической секундыЭто та дистанция, с которой радиус земной орбиты наблюдается под углом в 1″.. Величина одного парсека составила 3,26 св. года или 206 265 а. е.  Соответственно, есть и тысячи парсек (Кпк), и миллионы (Мпк). А самые дальние объекты во Вселенной будут выражаться в расстояниях миллиард парсек (Гпк). Параллактическим способом можно пользоваться для определения расстояний до объектов, удалённых не далее 100 пк, большие расстояния будут иметь очень значительные погрешности измерений. Для исследования далёких космических тел применяется фотометрический метод . В основе этого метода находятся свойства цефеид – переменных звёзд.

Каждая цефеида имеет свою светимость, по интенсивности и характеру которой можно оценивать удалённость объекта, находящегося рядом.

Также для определения расстояний по яркости используют сверхновые звёзды, туманности или очень большие звёзды классов сверхгигантов и гигантов. Посредством этого способа реально вычислять космические расстояния до объектов, расположенных не далее 1000 Мпк. Например, до ближайших к Млечному Пути галактик – Большого и Малого Магеллановых Облаков, получается соответственно 46 и 55 Кпк. А ближайшая галактика Туманность Андромеды окажется на удалении 660 Кпк. Группа галактик в созвездии Большая Медведица отстоит от нас на 2,64 Мпк. А размер видимой вселенной 46 миллиардов световых лет, или 14 Гпк!

Измерения из космоса

Для повышения точности измерений в 1989 году стартовал спутник «Гиппарх». Задачей спутника было определение параллаксов более 100 тысяч звёзд с миллисекундной точностью. В результате наблюдений, были вычислены расстояния для 118 218 звёзд. В их число вошли больше 200 цефеид. Для некоторых объектов изменились ранее известные параметры. Например, рассеянное звёздное скопление Плеяды приблизилось – вместо 135 пк прежнего расстояния получилось всего 118 пк.

comments powered by HyperComments

light-science.ru

Коллекция заблуждений: причина невесомости на орбите - отсутствие гравитации

Еще один случай, когда все в целом правильно понимают суть некоего явления, но часто, к сожалению, описывают его не совсем верно.

Согласно закону всемирного тяготения все тела притягиваются друг к другу, и сила притяжения прямо пропорциональна массам тел и обратна пропорциональна квадрату расстояния между ними. То есть выражение «отсутствие гравитации» вообще не имеет смысла. На высоте нескольких сотен километров над поверхностью Земли — там, где летают пилотируемые корабли и космические станции — сила притяжения Земли очень велика и практически не отличается от силы гравитации вблизи поверхности.

Если бы существовала техническая возможность сбросить некий предмет с башни высотой километров 300, он бы начал падать вертикально и с ускорением свободного падения, точно так же, как он падал бы с высоты небоскреба или с высоты человеческого роста. Таким образом, во время орбитальных полетов сила земного притяжения не отсутствует и не ослабевает в значимых масштабах, а компенсируется. Точно так же, как для водных судов и аэростатов, сила притяжения земли компенсируется архимедовой силой, а для крылатых летательных аппаратов — подъемной силой крыла.

Да, но вот самолет-то летит и не падает, а пассажиру внутри салона не летают как космонавты на МКС. При обычном полете пассажир прекрасно ощущает свой вес, и от падения на землю его удерживает не непосредственно подъемная сила, а сила реакции опоры. Лишь во время аварийного или искусственно вызванного резкого снижения человек вдруг чувствует, что перестает давить на опору. Возникает невесомость. Почему? А потому что если потеря высоты происходит с ускорением, близким к ускорению свободного падения, то опора больше не мешает пассажиру падать — она и сама падает.

Фотоspaceref.com Невесомость на борту самолета. Понятно, что когда самолет прекратит резкое снижение, или, к несчастью, упадет на землю, тут-то и станет ясно, что гравитация никуда не девалась. Ибо в земных и околоземных условиях эффект невесомости возможен только во время падения. Собственно продолжительным падением и является орбитальный полет. Космическому кораблю, двигающемуся по орбите с первой космической скоростью, мешает упасть на Землю сила инерции. Взаимодействие гравитации и инерции имеет название «центробежной силы», хотя в реальности такой силы не существует, это в некотором роде фикция. Аппарат стремится двигаться по прямой (по касательной к околоземной орбите), но земная гравитация постоянно «закручивает» траекторию движения. Здесь эквивалентом ускорения свободного падения является так называемое центростремительное ускорение, в результате которого меняется не значение скорости, а ее вектор. И поэтому скорость корабля остается неизменной, а направление движение постоянно меняется. Поскольку и корабль, и космонавт движутся с одной и той же скоростью и с тем же самым центростремительным ускорением, космический аппарат не может выступать в качестве опоры, на которую давит вес человека. Вес — это возникающая в поле сил тяжести сила воздействия тела на опору препятствующую падению, А корабль, как и резко снижающийся самолет, падать не мешает.

Вот поэтому совершенно неправильно говорить об отсутствии земной гравитации или о наличии «микрогравитации» (как принято в англоязычных источниках) на орбите. Напротив, притяжение земли является одним из главных факторов возникающего на борту феномена невесомости.

Об истинной микрогравитации можно говорить лишь в применении к полетам в межпланетном и межзвездном пространстве. Вдали от крупного небесного тела действие сил притяжения отдаленных звезд и планет будет настолько слабым, что возникнет эффект невесомости. О том, как с этим бороться, мы не раз читали в фантастических романах. Космические станции в виде тора (баранки) станут раскручиваться вокруг центральной оси и создавать имитацию гравитации с помощью центробежной силы. Правда, чтобы создать эквивалент земного притяжения, придется задать тору диаметр более 200 м. Есть и другие проблемы, связанные с искусственной гравитацией. Так что все это дело отдаленного будущего.

ФотоNASA Звездолеты будущего станут большими и круглыми. Предыдущее заблуждение

www.popmech.ru

Процесс запуска спутника и вывода на орбиту земли

Байконур

Запуск спутника в космос ознаменовался новой эрой и стал прорывом в области техники и космонавтики.  Необходимость создания спутника определилась ещё в начале двадцатого века. Однако с самого начала на пути запуска спутника в космическое пространство стояло множество проблем, над которыми трудились самые лучшие инженеры и учёные. Эти проблемы были связаны с необходимостью создания двигателей, способных работать в тяжелейших условиях и при этом, они должны быть необычайно мощными. Так же проблемы были связаны с правильным определением траектории движения спутника.

Итак, советские ученые решили поставленные задачи, и  4 октября 1957 года в СССР успешно был запущен искусственный спутник, за движением которого наблюдал весь мир. Это событие стало мировым прорывом и обозначило новый этап, как в науке в целом, так и во всем мире.

Спутник на орбите земли

Прямая трансляция запуска Союз-Прогресс (миссия к МКС)

Задачи, решаемые спутником

Задачи, решаемые запуском спутника можно определить как следующие:

1. Изучение климата;

     Всем известно, какое влияние климат оказывает на  сельское хозяйство, на военную инфраструктуру. Благодаря спутникам можно предсказать появление разрушающих стихий, избежать большого количества жертв.

2. Изучение метеоритов;

    В космическом пространстве находится огромное количество метеоритов, вес которых достигает нескольких тысяч тонн. Метеориты могут представлять опасность не только для спутников, космических кораблей, но и для людей. Если при пролете метеорита сила трения невелика, то несгоревшая часть способна достигнуть Земли. Диапазон скорости метеоритов достигает от 1220 м/сек до 61000 м/сек.

3. Применение телевизионного вещания;

     В настоящее время роль телевидения велика. В 1962 году был запущен первый телевизионный транслятор, благодаря ему мир впервые увидел видеокадры через Атлантику в течение нескольких минут.

4. Система GPS.

Система GPS играет огромную роль почти в каждой сфере нашей жизни. GPS подразделяется на  гражданскую и военную. Она представляет собой электромагнитные сигналы, излучаемые в радиоволновом участке спектра антенной, установленной на каждом из спутников. Состоит из 24 спутников, которые находятся на месте орбиты на высоте 20200 км. Время обращения вокруг Земли составляет 12 часов.

Телекоммуникационный спутник «Арабсат-5Б»

Запуск «Союз»

Запуск спутников и выход их на орбиту

Для начала важно обозначит траекторию полета спутника. На первый взгляд, кажется, что логичнее запустить ракету перпендикулярно (по кратчайшему расстоянию до цели), однако, такой вид запуска оказывается невыгодным, как с инженерной точки зрения, так и с экономической. На спутник, запущенный вертикально действуют силы притяжения Земли, которые значительно сносят её от назначенной траектории, и, сила тяги становится равной силе тяжести Земли.

Чтобы избежать падения спутника, сначала, его запускают вертикально, чтобы он смог преодолеть упругие слои атмосферы, такой  полет продолжается на протяжении всего 20 км. Далее спутник с помощью автопилота наклоняется и в горизонтальном направлении движется к орбите.

Кроме того, задача инженеров состоит в том, чтобы рассчитать траекторию полета таким образом, чтобы  скорость, затрачиваемая на преодоление атмосферных слоёв, а так же на затрату топлива составляли лишь несколько процентов от характеристической скорости.

Траектория выхода ракеты-носителя к орбите

Немаловажным является и то, в какую сторону запустить спутник. При запуске ракеты в сторону вращения Земли, происходит приращение скорости, которое зависит от местоположения запуска. Например, в экваторе оно является максимальным и составляет 403 м/с.

Орбиты спутников бывают круговыми и эллиптическими. Эллиптической орбита будет являться в том случае, если скорость ракеты будет выше окружной. Точка, находящаяся в ближайшем положении называется перигеем, а наиболее отдаленная апогеем.

Сам запуск ракеты со спутником производится в несколько ступеней.  При прекращении работы двигателя первой ступени, угол наклона ракета-носителя составит 45 градусов,  на высоте 58 км, затем производится её отделение. В работу включаются двигатели второй ступени, с возрастанием угла наклона. Далее, вторая ступени отделяется на высоте 225 км. Затем, ракета по инерции достигает  высоты 480 км и оказывается в точке, находящейся на расстоянии 1125 км от старта. Затем начинает работать двигатели третьей ступени.

Ракета-носитель со ступенями

Возвращение спутника на землю

Возвращение спутника на Землю сопровождается некоторыми проблемами, связанными с торможением. Торможение может осуществляться двумя способами:

  1. Благодаря сопротивлению атмосферы. Скорость спутника, вошедшего в верхние слои атмосферы, будет уменьшаться, но из-за аэродинамической формы подскочит рикошетом  обратно  в космическое пространство. После этого, спутник уменьшит свою скорость и войдет глубже в атмосферу. Так повторится несколько раз. После снижения скорости, спутник будет осуществлять спуск с помощью выдвижных крыльев.
  2. Автоматический ракетный двигатель. Ракетный двигатель должен быть направлен в сторону противоположную движению искусственного спутника. Плюс данного способа заключается в том, что скорость торможения можно регулировать.

Заключение

Итак, спутники всего за полвека вошли в жизнь человека. Их участие помогает исследовать новые космические пространства. Спутник, как средство бесперебойной связи помогает сделать удобной повседневную жизнь людей. Прокладывающие путь в космические просторы, они помогают сделать нашу жизнь такой, какая она есть сейчас.

www.13min.ru

Ракеты и космические аппараты

Исследование Солнечной системы — планет и других небесных тел, обращающихся вокруг Солнца, — началось в 1957 году, когда в СССР был запущен первый спутник, «Спутник-1». С тех пор люди успели побывать на Луне, а беспилотные космические зонды побывали на всех планетах, за исключением Плутона. Спутники, обращающиеся по орбитам вокруг Земли, вошли в нашу жизнь. Миллионы людей благодаря им имеют возможность смотреть телевизор (см. статью «Телевидение и видео«). На рисунке показано, как часть космического корабля возвращается на Землю с помощью парашута.

Ракеты 

История освоения космоса начинается с ракет. Первые ракеты использовались для бомбардировок еще во время второй ми­ровой войны. В 1957 г. была создана раке­та, доставившая в космос «Спутник-1». Большую часть ракеты занимают баки с топливом. До орбиты добирается только верхняя часть ракеты, называемая полезным грузом. У ракеты «Ариан-4» три отдельных секции с топливными баками. Их называют ступенями ракеты. Каждая ступень толкает ракету на какое-то расстояние, после чего, опустев, отделяется. В итоге от ра­кеты остается только полезный груз. Первая ступень несёт 226 тонн жидкого топлива. Топливо и два ускорителя создают необходимую для взлета огромную масса. Вторая ступень отделяется на высоте 135 км. Третья ступень ракеты – её двигатели, работающие на жидком водороде и азоте. Топливо здесь сгорает примерно за 12 минут. В результате, от ракеты «Ариан-4» Европейского космического агентства, остается только полезный груз.

В 1950-1960-х гг. СССР и США соревновались в освоении космоса. Первым пилотируемым космическим аппаратом был «Восток». Ракета «Сатурн-5» впервые доставила людей на луну.

Ракеты 1950-х— /960-х гг.:

1.  «Спутник»

2.  «Авангард»

3.  «Юнона-1»

4.  «Восток»

5.  «Меркурий-Атлант»

6.  «Джемини-Титан-2»

7.  «Союз»

8.  «Сатурн-1Б»

9.  «Сатурн-5»

Космические скорости 

Чтобы попасть в космос, ракета должна выйти за пределы атмосферы. Если ее скорость будет недостаточна, она просто упадет на Землю, из-за действия силы тяготения. Скорость, необходимую для выхода в космос, называют первой космической скоростью. Она составляет 40000 км/ч. На орбите космический корабль огибает Землю с орбитальной скоростью. Орбитальная скорость корабля зависит от его расстояния до Земли. Когда космический корабль летит по орбите, он, в сущности, просто падает, но не может упасть, так как теряет высоту как раз настолько, насколько под ним уходит вниз, закругляясь, земная поверхность.

Космические зонды 

Зонды — это беспилотные космические аппараты, посылаемые на дальние расстояния. Они побывали на всех планетах, кроме Плутона. Зонд может лететь до места на­значения долгие Годы. Когда он подлетает к нужному небесному телу, то выходит на орбиту вокруг него и посылает на Землю добытую информацию. «Миринер-10», единственный зонд, побывавший на Марсе. «Пионер-10» стал первым космическим зондом, покинувшим пределы Солнечной системы. До ближайшей звезды он долетит больше чем через миллион лет.

Некоторые зонды предназначены для посадки на поверхность другой планеты, либо они оснащены спускаемыми аппаратами, сбрасываемыми на планету. Спускаемый аппарат может собрать образцы грунта и доставить их на Землю для исследований. В 1966 году впервые на поверхность Луны опустился космический аппарат — зонд «Луна-9». После посадки он раскрылся, как цветок, и начал съемки.

Спутники 

Спутник — это беспилотный аппарат, который выводят на орбиту, как правило, земную. Спутник имеет конкретную задачу — например, наблюдать за погодой, передавать телеизображение, разведывать залежи полезных ископаемых: есть даже спутники-шпионы. Спутник движется по орбите с орбитальной скоростью. На рисунке вы видите снимок устья реки Хамбер (Англия), сделанный «Лэндсетом» с околоземной орбиты. «Лэндсет» может «рассмотреть на Земле участки площадью всего в 1 кв. м.

Спутник может облетать Землю над экватором. над полюсами или под любым углом к экватору. Все зависит от его задачи. Спутник, летящий над экватором на высоте 35 880 км. совершает полный виток ровно за 24 часа. Эта орбита называется геостационарной, т.к. спутник неподвижен по отношению к Земле.

Космический челнок 

Космический челнок — это пилотируемый корабль, который можно использовать много раз. В этом его громадное преимущество перед ракетами. В момент взлета челнок использует два ракетных ускорителя. Они позволяют челноку развить скорость в 1,4 км/с. На вы­соте 43 км они сбрасываются, опускаются на парашютах в океан и затем могут быть использованы вновь. Перед вами космический челнок с ускорителями и топливным баком.

Челнок может провести на околоземной орбите до 30 суток. Его можно использовать для вывода спутников на ор­биту, для ремонта спутников, уже находящихся в космосе или же в качестве лаборатории для научных экспериментов. В 1993г. челнок летал в космос для ремонта телескопа «Хаббл» — большого телескопа, находящегося ни орбите и изучающего отдаленные участки Вселенной. Кроме того, внутри космических лабораторий нет тяготения, в них можно проводить эксперименты, невозможные в земных условиях. Выполнив задачу, космический челнок возвращается на Землю с выключенными двигателями. Он сбрасывает скорость и под действием притяжения Земли начина­ет опускаться по спирали. Войдя в атмосферу, челнок планирует к поверхности. Челнок входит в атмосферу на очень высокой скорости. От трения о воздух челнок раскаляется докрасна. Поэтому на его поверхности есть теплозащитный экран — особый слой керамики, способный выдержать очень высокую температуру.

Орбитальные станции 

Станция — это тот же спутник, но предназначенный для работы людей на его бор­ту. К станции может пристыковываться космический корабль с экипажем и груза­ми. Пока в космосе работали только три долгосрочные станции: американский «Скайлэб» и российские «Салют» и «Мир». «Скайлэб» был выведен на орбиту в 1973 г. Ни его борту последовательно работали три экипажа. Станция прекратила свое существование в 1979 г.

Орбитальные станции играют огромную роль в изучении влияние невесомос­ти на организм человека. Станции будущего, такие как «Фридом», которую американцы строят сейчас при участии специалистов из Европы, Японии и Канады, будут использоваться для очень долго­срочных экспериментов или для промышленного производства в космосе.

Когда космонавт выходит из станции или корабля в открытый космос, он надевает скафандр. Внутри скафандра искусственно создается давление, равное атмосферному. Внутренние слои скафандра охлаждаются жидкостью. Приборы следят за давлением и содержанием кислорода внутри. Стекло шлема очень прочное оно выдерживает удары мелких камешков — микрометеоритов.

www.polnaja-jenciklopedija.ru

Какие проблемы нужно решить, чтобы межзвездные полеты стали реальностью?

Солнечная система уже давно не представляет особого интереса для фантастов. Но, что удивительно, и у некоторых ученых наши «родные» планеты не вызывают особого вдохновения, хотя они еще практически не исследованы.

Едва прорубив окно в космос, человечество рвется в неведомые дали, причем уже не только в мечтах, как раньше.Еще Сергей Королев обещал в скором времени полеты в космос «по профсоюзной путевке», но этой фразе уже полвека, а космическая одиссея по-прежнему удел избранных — слишком дорогое удовольствие. Однако же два года назад HACA запустило грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технического фундамента для космических полетов.

Эта беспрецедентная программа должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов со всего мира. Если все увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться, как на трамваях.

Так какие же проблемы нужно решить, чтобы звездные полеты стали реальностью?ВРЕМЯ И СКОРОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНЫ

Звездоплавание автоматических аппаратов кажется некоторым ученым почти решенной задачей, как это ни странно. И это при том, что совершенно нет никакого смысла запускать автоматы к звездам с нынешними черепашьими скоростями (примерно 17 км/с) и прочим примитивным (для таких неведомых дорог) оснащением.

Сейчас за пределы Солнечной системы ушли американские космические аппараты «Пионер-10» и «Вояджер-1», связи с ними уже нет. «Пионер-10» движется в сторону звезды Альдебаран. Если с ним ничего не случится, он достигнет окрестностей этой звезды... через 2 миллиона лет. Точно так же ползут по просторам Вселенной и другие аппараты.

Итак, независимо от того, обитаем корабль или нет, для полета к звездам ему нужна высокая скорость, близкая к скорости света. Впрочем, это поможет решить проблему полета только к самым близким звездам.

«Даже если бы мы умудрились построить звездный корабль, который сможет летать со скоростью, близкой к скорости света, — писал К. Феоктистов, — время путешествий только по нашей Галактике будет исчисляться тысячелетиями и десятками тысячелетий, так как диаметр ее составляет около 100 000 световых лет. Но на Земле-то за это время пройдет намного больше».

Согласно теории относительности, ход времени в двух движущихся одна относительно другой системах различен. Так как на больших расстояниях корабль успеет развить скорость очень близкую к скорости света, разница во времени на Земле и на корабле будет особенно велика.

Предполагается, что первой целью межзвездных полетов станет альфа Центавра (система из трех звезд) — наиболее близкая к нам. Со скоростью света туда можно долететь за 4,5 года, на Земле за это время пройдет лет десять. Но чем больше расстояние, тем сильней разница во времени.

Помните знаменитую «Туманность Андромеды» Ивана Ефремова? Там полет измеряется годами, причем земными. Красивая сказка, ничего не скажешь. Однако эта вожделенная туманность (точнее, галактика Андромеды) находится от нас на расстоянии 2,5 миллиона световых лет.

По некоторым расчетам, путешествие займет у космонавтов более 60 лет (по звездолетным часам), но на Земле-то пройдет целая эра. Как встретят космических «неадертальцев» их далекие потомки? Да и будет ли жива Земля вообще? То есть возвращение в принципе бессмысленно. Впрочем, как и сам полет: надо помнить, что мы видим галактику туманность Андромеды такой, какой она была 2,5 млн лет назад — столько идет до нас ее свет. Какой смысл лететь к неизвестной цели, которой, может, уже давно и не существует, во всяком случае, в прежнем виде и на старом месте?

Значит, даже полеты со скоростью света обоснованны только до относительно близких звезд. Однако аппараты, летящие со скоростью света, живут пока лишь в теории, которая напоминает фантастику, правда, научную.

КОРАБЛЬ РАЗМЕРОМ С ПЛАНЕТУ

Естественно, в первую очередь ученым пришла мысль использовать в двигателе корабля наиболее эффективную термоядерную реакцию — как уже частично освоенную (в военных целях). Однако для путешествия в оба конца со скоростью, близкой к световой, даже при идеальной конструкции системы, требуется отношение начальной массы к конечной не менее чем 10 в тридцатой степени. То есть звездолет будет походить на огромный состав с топливом величиной с маленькую планету. Запустить такую махину в космос с Земли невозможно. Да и собрать на орбите — тоже, недаром ученые не обсуждают этот вариант.

Весьма популярна идея фотонного двигателя, использующего принцип аннигиляции материи.

Аннигиляция — это превращение частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. Наиболее изучена аннигиляция электрона и позитрона, порождающая фотоны, энергия которых и будет двигать звездолет. Расчеты американских физиков Ронана Кина и Вей-мин Чжана показывают, что на основе современных технологий возможно создание аннигиляционного двигателя, способного разогнать космический корабль до 70% от скорости света.

Однако дальше начинаются сплошные проблемы. К сожалению, применить антивещество в качестве ракетного топлива очень непросто. Во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, губительного для космонавтов. Кроме того, контакт позитронного топлива с кораблем чреват фатальным взрывом. Наконец, пока еще нет технологий для получения достаточного количества антивещества и его длительного хранения: например, атом антиводорода «живет» сейчас менее 20 минут, а производство миллиграмма позитронов обходится в 25 миллионов долларов.

Но, предположим, со временем эти проблемы удастся разрешить. Однако топлива все равно понадобится очень-очень много, и стартовая масса фотонного звездолета будет сравнима с массой Луны (по оценке Константина Феоктистова).

ПОРВАЛИ ПАРУС!

Наиболее популярным и реалистичным звездолетом на сегодняшний день считается солнечный парусник, идея которого принадлежит советскому ученому Фридриху Цандеру.

Солнечный (световой, фотонный) парус — это приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.В 1985 году американским физиком Робертом Форвардом была предложена конструкция межзвездного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звезд за 21 год.

На XXXVI Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолета, движение которого обеспечивается энергией лазеров оптического диапазона, расположенных на орбите вокруг Меркурия. По расчетам, путь звездолета этой конструкции до звезды эпсилон Эридана (10,8 световых лет) и обратно занял бы 51 год.

«Маловероятно, что по данным, полученным в путешествиях по нашей Солнечной системе, мы сможем существенно продвинуться вперед в понимании мира, в котором мы живем. Естественно, мысль обращается к звездам. Ведь раньше подразумевалось, что полеты около Земли, полеты к другим планетам нашей Солнечной системы не являются конечной целью. Проложить дорогу к звездам представлялось главной задачей».

Эти слова принадлежат не фантасту, а конструктору космических кораблей и космонавту Константину Феоктистову. По мнению ученого, ничего особо нового в Солнечной системе уже не обнаружится. И это при том, что человек пока долетел только до Луны...

Однако за пределами Солнечной системы давление солнечного света приблизится к нулю. Поэтому существует проект разгона солнечного парусника лазерными установками с какого-нибудь астероида.

Все это пока теория, однако первые шаги уже делаются.

В 1993 году на российском корабле «Прогресс М-15» в рамках  роекта «Знамя-2» был впервые развернут солнечный парус 20-метровой ширины. При стыковке «Прогресса» со станцией «Мир» ее экипаж установил на борту «Прогресса» агрегат развертывания отражателя. В итоге отражатель создал яркое пятно 5 км в ширину, которое прошло через Европу в Россию со скоростью 8 км/с. Пятно света имело светимость, примерно эквивалентную полной Луне.

Итак, преимущество солнечного парусника — отсутствие топлива на борту, недостатки — уязвимость конструкции паруса: по сути, это тонкая фольга, натянутая на каркас. Где гарантия, что по дороге парус не получит пробоин от космических частиц?

Парусный вариант может подойти для запуска автоматических зондов, станций и грузовых кораблей, но непригоден для пилотируемых полетов с возвратом. Существуют и другие проекты звездолетов, однако они, так или иначе, напоминают вышеперечисленные (с такими же масштабными проблемами).

СЮРПРИЗЫ В МЕЖЗВЕЗДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Думается, путешественников во Вселенной поджидает множество сюрпризов. К примеру, едва высунувшись за пределы Солнечной системы, американский аппарат «Пионер-10» начал испытывать силу неизвестного происхождения, вызывающую слабое торможение. Высказывалось много предположений, вплоть до о неизвестных пока эффектах инерции или даже времени. Однозначного объяснения этому феномену до сих пор нет, рассматриваются самые различные гипотезы: от простых технических (например, реактивная сила от утечки газа в аппарате) до введения новых физических законов.

Другой аппарат, «Вояд-жер-1», зафиксировал на границе Солнечной системы область с сильным магнитным полем. В нем давление заряженных частиц со стороны межзвездного пространства заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться. Также аппарат зарегистрировал:

  • рост количества высокоэнергетических электронов (примерно в 100 раз), которые проникают в Солнечную систему из межзвездного пространства;
  • резкий рост уровня галактических космических лучей — высокоэнергетических заряженных частиц межзвездного происхождения.
И это только капля в море! Впрочем, и того, что сегодня известно о межзвездном океане, достаточно, чтобы поставить под сомнение саму возможность бороздить просторы Вселенной.

Пространство между звездами не пустое. Везде есть остатки газа, пыли, частицы. При попытке движения со скоростью, близкой к скорости света, каждый столкнувшийся с кораблем атом будет подобен частице космических лучей большой энергии. Уровень жесткой радиации при такой бомбардировке недопустимо повысится даже при полетах к ближайшим звездам.

А механическое воздействие частиц при таких скоростях уподобится разрывным пулям. По некоторым расчетам, каждый сантиметр защитного экрана звездолета будет непрерывно обстреливаться с частотой 12 выстрелов в минуту. Ясно, что никакой экран не выдержит такого воздействия на протяжении нескольких лет полета. Или должен будет иметь неприемлемую толщину (десятки и сотни метров) и массу (сотни тысяч тонн).

Собственно, тогда звездолет будет состоять в основном из этого экрана и топлива, которого потребуется несколько миллионов тонн. В силу этих обстоятельств полеты на таких скоростях невозможны, тем паче, что по дороге можно нарваться не только на пыль, но и на что-то покрупнее, или попасть в ловушку неизвестного гравитационного поля. И тогда гибель опять-таки неминуема. Таким образом, если и удастся разогнать звездолет до субсветовой скорости, то до конечной цели он не долетит — слишком много препятствий встретится ему на пути. Поэтому межзвездные перелеты могут осуществляться лишь с существенно меньшими скоростями. Но тогда фактор времени делает эти полеты бессмысленными.

Получается, что решить проблему транспортировки материальных тел на галактические расстояния со скоростями, близкими к скорости света, нельзя. Бессмысленно ломиться через пространство и время с помощью механической конструкции.

КРОТОВАЯ НОРА

Фантасты, стараясь побороть неумолимое время, сочинили, как «прогрызать дырки» в пространстве (и времени) и «сворачивать» его. Придумали разнообразные гиперпространственные скачки от одной точки пространства до другой, минуя промежуточные области. Теперь к фантастам присоединились ученые.

Физики принялись искать экстремальные состояния материи и экзотические лазейки во Вселенной, где можно передвигаться со сверхсветовой скоростью вопреки теории относительности Эйнштейна.

Так появилась идея кротовой норы. Эта нора осуществляет смычку двух частей Вселенной подобно прорубленному тоннелю, соединяющему два города, разделенные высокой горой. К сожалению, кротовые норы возможны только в абсолютном вакууме. В нашей Вселенной эти норки крайне неустойчивы: они попросту могут сколлапсировать до того, как туда попадет космический корабль.

Однако для создания стабильных кротовых нор можно использовать эффект, открытый голландцем Хендриком Казимиром. Он заключается во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых колебаний в вакууме. Оказывается, вакуум не совсем пуст, в нем происходят колебания гравитационного поля, в котором спонтанно возникают и исчезают частицы и микроскопические кротовые норы.

Остается только обнаружить одну из нор и растянуть ее, поместив между двумя сверхпроводящими шарами. Одно устье кротовой норы останется на Земле, другое космический корабль с околосветовой скоростью переместит к звезде — конечному объекту. То есть звездолет будет как бы пробивать тоннель. По достижении звездолетом пункта назначения кротовая нора откроется для реальных молниеносных межзвездных путешествий, продолжительность которых будет исчисляться минутами.

ПУЗЫРЬ ИСКРИВЛЕНИЯ

Сродни теории кротовых нор пузырь искривления. В 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре выполнил расчеты согласно уравнениям Эйнштейна и нашел теоретическую возможность волновой деформации пространственного континуума. При этом пространство будет сжиматься перед космическим кораблем и одновременно расширяться позади него. Звездолет как бы помещается в пузырь искривления, способный передвигаться с неограниченной скоростью. Гениальность идеи состоит в том, что космический корабль покоится в пузыре искривления, и законы теории относительности не нарушаются. Движется при этом сам пузырь искривления, локально искажающий пространство-время.

Несмотря на невозможность перемещаться быстрее света, ничто не препятствует перемещению пространства или распространению деформации пространства-времени быстрее света, что, как полагают, и происходило сразу после Большого взрыва при образовании Вселенной.

Все эти идей пока не укладываются в рамки современной науки, однако в 2012 году представители НАСА заявили о подготовке экспериментальной проверки теории доктора Алькубьерре. Как знать, может, и теория относительности Эйнштейна когда-нибудь станет частью новой глобальной теории. Ведь процесс познания бесконечен. А значит, однажды мы сможем прорваться чрез тернии к звездам.

Ирина ГРОМОВА

Вы можете прочитать другие новости на эту тему:

paranormal-news.ru

Спуск космического корабля на Землю - Путь в космос - Металл

 Преодолеть силу земного тяготения, пробить толщу воздушной оболочки и достигнуть космического пространства - задача не из легких. А как вернуться из космоса обратно на Землю? 

 На первый взгляд кажется, что спуск космического корабля на Землю должен быть значительно проще подъема. Все хорошо знают: тяжело идти в гору, а с горы легче. К сожалению, эта простая и очевидная истина оказывается не совсем верной, когда имеешь дело со спуском с «космической горы». Мы рассматривали устройство обитаемого космического корабля, пригодного для совершения длительных полетов в космическом пространстве. Он состоит из двух главных частей: орбитального отсека и так называемого спускаемого аппарата (его еще называют возвращаемым аппаратом). Помимо этого, на корабле имеются тормозной двигатель, солнечная батарея и ряд других систем. Все эти составные части корабля доставляются в космическое пространство с Земли. А вот на Землю возвращается не весь корабль, а только небольшая часть его, та, которая называется спускаемым аппаратом. 

 Перед тем как начинать спуск на Землю, все члены экипажа космического корабля переходят в спускаемый аппарат. В нем же размещена аппаратура, необходимая для поддержания жизнедеятельности экипажа, а также материалы наблюдений, проведенных экипажем в соответствии с планом полета. Остальные части корабля в надлежащий момент отстыковываются от спускаемого аппарата и через некоторое время падают на Землю. Выражение «падают на Землю» не совсем точно. Части космического корабля, «падающие на Землю», не достигают поверхности Земли. Проходя через плотные слои воздуха, они нагреваются и сгорают, подобно тому как сгорают железные и каменные метеориты, попадающие в атмосферу Земли. 

 Человек побывал уже не только в околоземном космосе, на расстоянии 200 - 300 км от поверхности Земли, но и в так называемом дальнем космосе. Условия спуска на Землю космических кораблей, возвращающихся из дальнего и ближнего космоса, неодинаковы. Находясь в космическом пространстве вблизи Земли, корабль движется со скоростью = 8 км/сек, т. е. он имеет первую космическую скорость. При такой скорости движения вокруг земного шара, на высотах, где нет или почти нет атмосферы, корабль может находиться очень длительное время, не удаляясь от Земли и не падая на нее. Что же нужно сделать для того, чтобы корабль начал опускаться на Землю, т. е. падать? Для этого следует уменьшить скорость его движения. 

 Хотя обычно каждому, возвращающемуся из длительной и дальней поездки, хочется поскорее вернуться домой, возвращаться из космоса поспешно не следует потому, что сильно затормозить космический корабль непросто, или, лучше сказать, недешево. Мы уже говорили, что каждый лишний килограмм груза в корабле - вещь, чрезвычайно нежелательная. Затормозить космический корабль, двигающийся по орбите вокруг Земли, можно путем включения двигателя, развивающего тягу, направленную против движения корабля. 

 Предположим, что космический корабль и все, что на нем находится (без топлива), имеет массу 3 т. Сколько же нужно взять на корабль топлива, чтобы уменьшить его скорость с 8 до 4 км/сек? 

 Для того чтобы уменьшить скорость корабля на 4 км/сек, необходимо включить двигатель, который создавал бы тягу, направленную в сторону, противоположную его движению. Допустим, что скорость истечения продуктов сгорания топлива из сопла тормозного двигателя будет равна 3000 м/сек (величина, достижимая для современных жидкостных ракетных двигателей). Формула, установленная Циолковским, позволяет определить, что начальная масса космического корабля, т. е. его масса вместе с топливом, перед включением тормозного двигателя должна составлять 11,4 т, следовательно, топлива в корабле должно быть = 8400 кг. Таким образом, масса топлива, которое необходимо сжечь в тормозном двигателе, превосходит массу конструкции корабля и груза, находящегося в нем, почти в 3 раза. Такой способ торможения космических кораблей весьма неэкономичен да и практически трудноосуществим, так как доставить в космическое пространство такую большую массу топлива непросто и недешево. Но оказалось, что столь сильно тормозить космический корабль, совершающий орбитальный полет, для того чтобы он начал спуск на Землю, и не требуется. 

 Чтобы начать движение по траектории спуска, корабль должен потерять всего лишь небольшую часть своей скорости. Вполне достаточно для этого уменьшить скорость космического корабля на 200 - 250 м/сек. Для случая, рассмотренного нами, т. е. для космического корабля массой в 3 т, потеря скорости на 200 м/сек может быть обеспечена кратковременной работой тормозного двигателя при сжигании в нем топлива, масса которого меньше одной десятой массы корабля. Но приземляться космический корабль должен с почти нулевой скоростью, иначе произойдет катастрофа - корабль и экипаж, находящийся в нем, в момент приземления разобьются. Каким же образом можно отобрать от корабля всю или почти всю кинетическую энергию, которой он обладает? Практически осуществимый путь торможения космического корабля, без затраты топлива, был указан К. Э. Циолковским. Воздушная оболочка Земли, по мнению Циолковского, может играть роль тормоза для космических аппаратов, возвращающихся из межпланетного путешествия на Землю. Тормозить воздухом? Такое предложение может показаться не совсем реальным. Но вспомните, как дует ветер в лицо, когда вы быстро съезжаете на лыжах с крутой горы. А попробуйте высунуть руку из окна автомобиля, когда он мчится по шоссе. Воздух из почти невесомого и неощутимого становится упругим. Вы с трудом сможете удержать ладонь руки перпендикулярно направлению движения автомобиля. 

 Скорость движения космического корабля при входе его в воздушную оболочку Земли (после того как он будет приторможен на 100 - 200 м/сек) превосходит скорость самых быстрых самолетов примерно в 28 раз. При столь громадных скоростях воздух оказывает большое сопротивление движению. Всякое сопротивление связано с появлением трения. Происходит трение и при движении тел в воздухе. Возьмите два куска дерева и быстро потрите их друг о друга. - Что вы при этом заметите? - Куски дерева нагреваются - это результат того, что производимая вами работа трения перешла в тепло. Трение о воздух также сопровождается выделением тепла. 

 При движении космических аппаратов в атмосфере Земли имеет место не только трение о воздух. Когда корабль проходит воздушную оболочку, он создает впереди себя волну сжатого воздуха. Воздух сжимается не постепенно, а за очень малый промежуток времени. Как велико это сжатие? Расчеты показывают, что давление в сжатом воздухе при движении космического аппарата может достигать 50 атм. Из курса физики вы знаете, что быстрое сжатие или расширение газа происходит практически без притока и без отвода тепла, так как вследствие малого времени тепло не успевает ни уйти в окружающую среду (при сжатии), ни передаться от внешней среды (при расширении). Такие процессы называют адиабатическими. 

 Вследствие адиабатического сжатия слой воздуха, находящийся впереди летящего космического аппарата, разогревается до высокой температуры. Температура слоя воздуха, сжатого летящим космическим аппаратом, может достигнуть 8000° К. Это очень высокая температура. На Земле нет таких веществ, которые могли бы оставаться в твердом состоянии при этой температуре. Самые тугоплавкие вещества начинают переходить в газ или жидкость при температуре 4000 - 4500° С. А сможет ли космический аппарат выдержать столь высокие температуры? К тому же нужно помнить, что внутри корабля, за его обшивкой, находятся люди. 

 Торможение космического корабля воздушным тормозом требует соблюдения определенных мер предосторожности, иначе корабль может не только затормозиться, но и сгореть, не долетев до Земли. Спуск корабля с околоземной орбиты начинается с торможения его в космическом пространстве, где нет воздуха. Для этого на некоторое время включаются тормозные двигатели, которые развивают тягу, направленную в сторону, противоположную движению корабля. После срабатывания тормозных двигателей космический корабль изменяет траекторию и начинает снижаться, приближаясь к Земле. 

 Полет по орбите вокруг Земли космический корабль осуществляет обычно на некотором удалении от границы воздушной оболочки, поэтому после торможения корабль какое-то время снижается в пространстве, где практически отсутствует воздух. Время снижения корабля в безвоздушном пространстве должно быть не меньше определенной величины. За это время на корабле проводятся подготовительные работы по входу в воздушную оболочку. Поэтому высота, с которой можно производить изменение траектории космического корабля, т. е. начинать спуск на Землю, ограничивается временем, необходимым для выполнения подготовительных работ. 

 Что же необходимо проделать на космическом корабле перед тем, как он войдет в воздушную атмосферу Земли? После того как корабль затормозится двигателем, от него отбрасывается все, без чего он может производить спуск. Отбрасывается служебный отсек, тормозной двигатель и некоторые системы. Делается это для того, чтобы уменьшить массу космического корабля, а следовательно, уменьшить количество энергии, которую нужно отобрать от корабля в процессе его спуска к Земле.  

Рис. 14. Спускаемый аппарат имеет форму чечевицы.  Спускаемые аппараты советского космического корабля «Союз» и американского корабля «Аполлон» имеют вид чечевицы (рис. 14). Слой теплозащиты на спускаемых аппаратах этих космических кораблей нанесен на поверхность неравномерно. На лобовой части толщина теплозащитного слоя самая большая, на противоположной стороне (донная часть аппарата) - самая маленькая. Сделано это для того, чтобы уменьшить массу спускаемого аппарата. Толстый слой лобовой защиты должен выдержать большие механические нагрузки и обеспечить отвод тепла, поступающего от раскаленного сжатого воздуха. 

 Теплозащита на донной части спускаемого аппарата и боковых его поверхностях ни по механическим свойствам, ни по тепловым характеристикам не рассчитана на такие нагрузки, какие должна выдерживать лобовая часть. Следовательно, для того чтобы при спуске спускаемый аппарат не разрушился или не нагрелся до недопустимо высокой температуры, он должен войти в атмосферу Земли направленной вперед лобовой частью. Для этого перед входом в атмосферу он должен быть соответствующим образом ориентирован и в таком ориентированном положении войти в воздушную оболочку Земли. 

 Ориентация преследует и другую цель, а именно обеспечение входа спускаемого аппарата в атмосферу под определенным углом. Для чего это нужно? Угол входа влияет на ряд показателей процесса спуска. Для пилотируемых космических аппаратов угол входа в атмосферу определяется величиной ускорения, которое может выдержать человек. Мы уже говорили о том, что при подъеме космического корабля в космическое пространство возникают перегрузки, превышающие собственный вес человека в несколько раз. 

 В отличие от подъема при спуске космический корабль движется с отрицательным ускорением. Какие же силы будут действовать на человека, находящегося в спускаемом аппарате, в процессе его снижения? Во-первых, сила тяжести F = mg (m - маса космонавта, g - ускорение свободного падения), направленная к центру земного шара. Кроме того, на него будет действовать сила упругости, направленная в противоположную сторону. Эти две силы и сообщают ускорение а, направленное противоположно ~. 

 Следовательно, при спуске с орбиты на Землю космонавт испытывает действие силы, направленной от Земли. Эта сила прижимает космонавта к сидению кабины или к потолку. По величине эта сила превосходит нормальный вес космонавта (его вес в состоянии покоя) на та. Человек может выдерживать перегрузку, т. е. увеличение собственного веса, в 10 - 12 раз. (Конечно, при этом он становится практически неработоспособным.) Большое увеличение веса, или, как говорят, большая перегрузка, опасно для жизни человека. 

 Перегрузка, испытываемая космонавтами при спуске спускаемого аппарата с орбиты на поверхность Земли, зависит от того, под каким углом к горизонту спускаемый аппарат движется в атмосфере Земли.  

Рис. 15. Спуск космического корабля на Землю.  Рассмотрим два возможных случая снижения спускаемого аппарата: первый - аппарат движется по крутой траектории; второй - движение происходит по пологой траектории, составляющей с горизонтом небольшой угол (см. рис. 15). Очевидно, во втором случае спуск будет продолжаться гораздо дольше, чем в первом. Аппарат постепенно будет входить в нижележащие слои атмосферы и постепенно терять скорость, вследствие чего отрицательное ускорение спускаемого аппарата будет небольшим. Спуск по траектории, составляющей малый угол с линией горизонта, позволяет, по сравнению с крутым спуском, обеспечить более безопасные условия для экипажа, т. е. снизить перегрузки до пределов, которые легко переносятся человеческим организмом. 

 Однако угол спуска нельзя делать и слишком малым, так как в этом случае возникает другая угроза безопасности экипажа, связанная с перегреванием. 

 Рассмотрим, как форма траектории полета спускаемого аппарата влияет на его нагревание. Мы уже говорили о том, что большая часть кинетической и потенциальной энергии, которой обладает космический корабль, находясь в орбитальном полете в космическом пространстве, при спуске на Землю превращается во внутреннюю энергию. Как будет нагреваться спускаемый аппарат при спуске на Землю по крутой траектории, по сравнению с движением по некоторой кривой, расположенной под малым углом к горизонту? При крутом спуске возвращаемый аппарат быстрее тормозится, а вследствие этого и быстрее теряет энергию. При спуске по пологой кривой аппарат дольше находится в разреженных слоях воздуха и поэтому снижает скорость не так резко, как в первом случае. Очевидно, чем более пологой будет траектория, тем медленнее аппарат будет терять скорость. Следовательно, количество тепла, образующегося в единицу времени, при спуске аппарата по крутой траектории будет значительно больше, чем при спуске по траектории, составляющей малый угол с горизонтом. 

 Из сказанного напрашивается вывод, что, чем круче траектория спуска, тем меньше опасность перегрева спускаемого аппарата, а следовательно, и меньше опасность для экипажа. Но вывод этот неверен. С точки зрения поддержания внутри кабины спускаемого аппарата приемлемых для экипажа температурных условий слишком плавный спуск нежелателен. Чем это обьясняется? Вы знаете, что при тушении пожаров спасательным командам приходится зачастую проникать в горящий дом, пробиваясь сквозь пламя. Человека обливают водой, и он в мокрой одежде, без всякого вреда для себя проходит сквозь стену огня. Это он смог бы проделать и в сухом костюме, если бы последний был сшит из негорючей ткани. Температура пламени горящих на воздухе предметов обычно составляет 450 - 500°С. Это довольно высокая температура, но из-за того, что пожарный в своем негорючем костюме находится в пламени очень небольшое время, костюм не успевает прогреться, и поэтому столь высокая температура оказывается для человека неопасной. 

 А как бы чувствовал себя человек в таком же костюме из негорючей ткани, если бы окружающая его среда имела температуру, даже в два-три раза меньшую, чем температура пламени, но время пребывания в ней исчислялось бы несколькими минутами? Видимо, это было бы небезопасно не только для здоровья, но и для жизни человека. Костюм из негорючей ткани ему бы не помог - за столь длительное время тело человека нагрелось бы до температуры окружающей среды, т. е. перегрелось. Аналогичная картина имеет место и при движении спускаемого аппарата в атмосфере. Если аппарат спускается по крутой траектории, к нему подводится в единицу времени большее количество тепла, чем при движении по пологой траектории. Но, для того чтобы тепло могло дойти до кабины аппарата, где помещается экипаж, требуется время. Это время зависит от характера и толщины теплозащитного слоя, нанесенного на наружную поверхность спускаемого аппарата, и характеристики теплоизоляции, которая находится под слоем теплозащиты. 

 Если спуск аппарата происходит быстро, то времени на прогрев может оказаться недостаточно и тогда, несмотря на большое количество тепла, подводимого к спускаемому аппарату в единицу времени извне, от раскаленных газов воздушной атмосферы, воздух внутри кабины не успеет сильно нагреться. При длительном спуске (по пологой траектории), хотя в единицу времени от менее раскаленного воздуха будет поступать меньшее количество тепла, все же успеет какая-то его часть пройти внутрь кабины спускаемого аппарата через теплозащитное покрытие и теплоизоляцию обшивки аппарата, что приведет к нагреванию воздуха и всех предметов, находящихся внутри кабины. 

 Таким образом, такие два показателя, от которых зависит безопасность спуска экипажа космического корабля на Землю, как перегрузка и нагревание, по-разному меняются от вида траектории снижения спускаемого аппарата в плотных слоях атмосферы. Уменьшение перегрузки требует плавной траектории, длительного времени спуска. Недопустимость перегревания кабины спускаемого аппарата, наоборот, требует спуска по более крутой траектории с малым временем пребывания аппарата в плотных слоях воздуха. Траекторию спуска выбирают такой, при которой перегрузки не превышали бы величины, допустимой для человеческого организма, и в то же время температура внутри кабины аппарата, где помещается экипаж, не была бы выше 40 - 50°С. Такую температуру человек может легко переносить. Имеющаяся уже довольно большая практика спуска обитаемых космических аппаратов с орбиты на Землю показывает, что допустимые величины перегрузок и температур воздуха внутри кабины обеспечиваются при времени снижения в плотных слоях атмосферы в течение 20 - 25 мин. 

 Мы рассмотрели условия спуска возвращаемого аппарата из ближнего или околоземного космоса. Находясь вблизи Земли и двигаясь вокруг нее, космический объект имеет скорость ~ 8 км/сек (первую космическую скорость). Для того чтобы космический корабль мог выйти в дальний космос, посетить какое-либо небесное тело нашей солнечной системы, он должен развить скорость 11,2 км/сек (т. е. вторую космическую скорость). И возвращаться ему из дальнего космоса тоже придется со второй космической скоростью. Как это влияет на условия спуска? 

 Прежде чем рассматривать спуск космического корабля на Землю после возвращения его из межпланетного полета, выясним, как происходит сближение космических объектов с таким небесным телом, как Луна. 

 Находясь на околоземной орбите, космический корабль имеет скорость движения, равную первой космической. Обладая этой скоростью, он не может упасть на Землю, но и удалиться от Земли, улететь к другим небесным телам тоже не может.  

Рис. 16. Траектории искусственного спутника Земли при различных скоростях движения относительно земного шара.  Если кораблю сообщить скорость, большую, чем первая космическая, но меньшую второй космической, он будет продолжать двигаться вокруг Земли, улететь в межпланетное пространство он не сможет. Однако двигаться он будет не по круговой орбите, а по эллиптической (рис. 16). Длина большой оси эллипса будет тем большей, чем большую скорость (превышающую первую космическую) будет иметь космический корабль. 

 Нужно сказать, что почти все искусственные спутники Земли, находящиеся на околоземной орбите, движутся не по кругу, а по эллипсу. Почему? Иногда эллиптическая траектория искусственного спутника Земли бывает необходима для выполнения им своих задач в космосе. В этих случаях спутникам намеренно сообщают скорость несколько большую, чем первая космическая. По большей части траектория искусственных спутников получается эллиптической потому, что просто трудно обеспечить, чтобы скорость спутника на расчетной высоте точно соответствовала первой космической. 

 По мере увеличения скорости космического корабля его траектория движения превращается из эллиптической в параболическую. Скорость, при которой космический корабль приобретает параболическую траекторию, называется второй космической, она равна ~ 11,2 км/сек. Параболическая траектория, так же как и круговая, имеет только теоретическое значение. Полеты космических кораблей и необитаемых космических аппаратов к Луне и другим планетам солнечной системы (Марсу, Венере) проходят не по параболическим траекториям, а по гиперболическим. По параболе космический корабль может двигаться только при условии, если его скорость точно соответствует второй космической, а если она немного меньше, то он станет двигаться по замкнутой кривой - эллипсу, т. е. находиться около Земли и лететь к другим планетам солнечной системы не сможет. Если же кораблю сообщить скорость чуть большую, чем вторая космическая, его траекторией становится уже не парабола, а гипербола. Гипербола - незамкнутая кривая, и космический корабль, перейдя на гиперболическую траекторию, при движении по ней не может приблизиться к Земле. Он будет от нее все дальше и дальше удаляться и в конце концов потеряет с ней связь, т. е. перестанет чувствовать действие силы земного тяготения. 

 Таким образом, чтобы полететь на Луну или какую-либо планету солнечной системы, космическому кораблю, находящемуся на околоземной орбите, необходимо сообщить скорость равную или чуть большую, чем вторая космическая. Если после достижения космическим кораблем скорости, немного большей второй космической, выключить двигатель, то корабль будет продолжать двигаться по гиперболической траектории.  

Рис. 17. В точке А сила притяжения тела Землей (F з) равна силе притяжения этого тела Луной (F л)  В космическом пространстве есть такое место, где тело, находящееся в этой точке, испытывает одинаковые силы притяжения со стороны Луны и Земли (рис. 17). Если кораблю сообщить скорость, достаточную для того, чтобы он смог долететь до этой точки и чуть перейти ее, то на него в большей степени будет действовать лунное притяжение, чем земное. До нейтральной точки, где тяготения Луны и Земли взаимно уравновешиваются, космический корабль летит, затрачивая сообщенную ему двигателем кинетическую энергию на преодоление силы тяготения Земли. На этом участке он как бы набирает высоту над Землей. Движение космического корабля после нейтральной точки под действием силы тяжести Луны следует уже рассматривать не как движение вверх по отношению к Земле, а как падение вниз, на Луну. Если при подъеме, т. е. при полете до нейтральной точки, корабль все время уменьшает скорость, то начиная с этой точки под действием тяготения Луны он все время ускоряется, скорость его увеличивается. Вблизи Луны скорость космического корабля достигает значения второй космической (но не для условий Земли, а для лунных условий). С помощью тормозного двигателя скорость корабля снижают до первой лунной космической скорости. Имея эту скорость, корабль будет двигаться вокруг Луны не падая и не удаляясь от нее. Лунная первая космическая скорость не равна первой космической околоземной скорости. 

 Ввиду того, что масса Луны в 81 раз меньше массы Земли, ускорение свободного падения для Луны оказывается меньше ускорения свободного падения для Земли, а первая лунная космическая скорость составляет всего лишь 1,7 км/сек. Что необходимо для того, чтобы космический корабль мог сойти с лунной орбиты и лететь к Земле? Очевидно, так же как и в случае отлета с Земли к Луне, ему необходимо сообщить так называемую вторую лунную космическую скорость. Для околоземного космического пространства вторая космическая скорость равна - 11,2 км/сек, для окололунного она значительно меньше. Космический корабль может выйти из зоны притяжения Луны и лететь к другим небесным телам солнечной системы, если скорость его немного превысит 2,4 км/сек. Имея эту скорость, космический корабль начнет удаляться от Луны, поднимаясь вверх по отношению к ее поверхности. 

 Двигаясь по гиперболической траектории, космический корабль будет удаляться от Луны, постепенно уменьшая скорость. Его кинетическая энергия будет переходить в потенциальную. Достигнув нейтральной точки, где действие силы притяжения Луной уравновешивается действием силы притяжения Землей, космический корабль начнет падать на Землю. В нейтральной точке космический корабль будет иметь максимальную потенциальную энергию (относительно Земли). 

 По мере приближения к Земле потенциальная энергия будет уменьшаться, а кинетическая - возрастать. Приблизившись к Земле, космический корабль приобретет скорость, приблизительно равную 11,2 км/сек, т. е. вторую космическую. С такай скоростью начинать спуск на Землю небезопасно. Перед тем как начинать спуск, необходимо уменьшить скорость корабля. Но как? 

 Мы уже определяли количество топлива, которое нужно сжечь в ракетном двигателе для того, чтобы уменьшить скорость космического корабля с 8 до 4 км/сек. Оказалось, что топлива для этого нужно слишком много, чтобы такой путь торможения космических объектов мог иметь практическое значение. Затормозить тело, двигающееся со скоростью 11,2 км/сек, еще труднее. Расчеты и практика космических полетов в Советском Союзе и США показывают, что задача торможения космических кораблей, двигающихся со второй космической скоростью, может быть успешно решена, если использовать тормозящее действие воздушной оболочки земного шара. При возвращении на Землю космического корабля из орбитального полета, когда скорость его ненамного превышает первую космическую, безопасный спуск с использованием тормозящего действия атмосферы можно осуществить, если обеспечить соответствующий угол входа корабля в плотные слои атмосферы. Корабль, входя постепенно во все более и более плотные слои воздуха, будет разогреваться и одновременно тормозиться, пока не достигнет поверхности Земли.

ags-metalgroup.ru

Сколько лететь до Марса? "Летим на Марс!"

Марс – наш непосредственный космический сосед. Тот факт, что Марс расположен от земли недалеко и иногда виден невооруженным глазом, объясняет повышенное внимание к нему на протяжении столетий.

Средневековые астрологи наделяли «красную планету» способностью вызывать войны и катаклизмы, а фантасты от Рэя Брэдбери до Алексея Толстого описывали воображаемые марсианские цивилизации. Впрочем, технический прогресс постепенно приближает человечество к тому, когда мы сможем непосредственно посетить марсианскую поверхность и все потрогать руками.

Какое расстояние от Земли до Марса?

Дистанция от «красной планеты» до Земли изменчива. Дело в том, что эти космические тела вращаются вокруг Солнца несинхронно и по разным орбитам. Марс делает полный оборот за 687 земных дней, а кроме того ее маршрут представляет собой эллипс. Земля же движется по кругу, завершая его за 365 дней. Орбитальная скорость у планет тоже разная.

Из-за таких несовпадений Марс и Земля то сближаются, то удаляются друг от друга. Планеты сходятся каждые 16, 17 световых лет. Минимальная дистанция между ними около 56 млн. километров, максимальная – почти 401 млн. километров.

С какой скоростью летают ракеты 21-го века?

Космическая ракета Saturn-V

Чтобы спланировать путешествие к «красной планете» полезно знать то, с какой скоростью предстоит перемещаться. Самым быстрым аппаратом в истории человечества считается космическая ракета Saturn-V (смотрите на фото).

Ее скорость в космическом пространстве достигала 64 500 км/ч. Попутно это еще и самый крупный и грузоподъемный представитель своего класса транспортных средств. Именно Saturn-V переносила знаменитый корабль «Апполон-16».

Космическим пространством условно считается зона, начинающаяся на высоте 100 километров. Значит временем на взлет и посадку при подсчетах можно пренебречь.

Сколько земных лет, дней, часов лететь человеку до Марса?

Предположим, что мы отправимся на Марс, подгадав вылет так, чтобы нам потребовалось преодолевать минимальное расстояние. В этом случае аппарат, аналогичный по скорости Saturn-V, долетит до места назначения примерно за 870 часов или 36 земных дней.

Если нам на Марсе не понравится и мы захотим домой, то лучше возвращаться поскорее. С каждым месяцем срок обратного путешествия будет удлиняться. В 2027 году на обратную дорогу понадобится уже 258 дней. Хотя существует вариант дождаться 2035 года и снова полететь по короткому маршруту за 36 дней.

Время полета до Марса и обратно на космическом корабле

Вы знакомы с теорией относительности Альберта Эйнштейна? Если да, то вы знаете, что скорость течения времени для космонавтов, летящих к «красной планете», и для землян – разная. Так что, когда мы говорим о сроках путешествия, следует учитывать, что существует два разных отсчета.

Впрочем, на практике разница почти незаметна. Часы космонавтов, вернувшихся после 72 дней пути, будут отставать на 0,003 секунды.

Сколько лететь по времени до Марса со скоростью света?

Скорость света – верхний скоростной предел во вселенной. Она равняется почти 300 000 километров в 1 секунду. Это утверждение тоже обосновал вышеупомянутый Альберт Эйнштейн.

Данный рубеж может интересовать нас по двум причинам:

  • быстрее разогнаться (а значит — оперативнее добраться до Марса) никак не выйдет;
  • свет в перспективе может сам по себе являться переносчиком информации.

Если мы достигнем скоростного совершенства, то долететь до Марса или передать сообщение получится за 3 минуты и 7 секунд. В таком случае уже не важно, когда вылетать. При самом медленном варианте путешествие не превысит 22 минут. Используя ядерный двигатель можно будет еще посетить другие близлежащие планеты, т.к. энергии на это хватит с лихвой.

Википедия о полете на Марс

Википедия сообщает, что первые серьезные планы организации полетов на красную планету начали строиться перед программой «Аполлон». В СССР эти вопросы поднимались в 70-х, но приоритет был отдан попыткам освоения Луны. В те годы марсианская экспедиция не произошла.

Программа «Аврора» и «Созвездие»

В настоящий момент ЕС реализует программу «Аврора», в рамках которой запланировано достигнуть данной цели к 2033 году. НАСА, сотрудничая с ЕС, развивает программу «Созвездие», предполагающую, что человек посетит Марс к 2037 году. Интересно то, что промежуточный этап «Созвездия» — построение постоянно действующей базы на Луне.

Полет к Фобосу

Россия до 2015 года рассчитывала реализовать непилотируемый полет к марсианскому спутнику – Фобосу. Однако первый вылет космического аппарата в 2011 году прошел неудачно из-за внештатной ситуации. Дальнейшие запуски запланированы на 2020-2021 годы.

Полет аналога Saturn-V на Марс

Интерес представляет план полета, подготовленный Робертом Зубиным. Он включает в себя использование космического аппарата, аналогичного по своим возможностям ракете Saturn-V. Основной источник энергии – компактный ядерный реактор. С Земли корабль транспортирует с собой 6 тонн водорода. Также будет задействован диоксид углерода, находящийся в атмосфере Марса. Благодаря энергии реактора из этих компонентов будет изготавливаться метан и вода. Воду предполагается разлагать электричеством, а полученный водород расходовать на выработку метана и воды. В итоге удастся изготовить более 100 тонн топлива, чего хватит на сам полет, возвращение и работу техники на поверхности «красной планеты». Предполагается, что вне Земли космонавты проведут более 1,5 лет.

Что уже запускали на Марс и что там побывало?

Маринер-4

К Марсу и его спутникам запускалось большое количество космических аппаратов. Первое успешное исследование с полетной траектории было произведено американским аппаратом Маринер-4 в 1964 году. Это дало возможность сделать фотографии поверхности планеты с близкого расстояния. К 1971 году аппараты серии Маринер зафиксировали состав атмосферы и температуру марсианской поверхности, а также картографировали Марс.

СССР неоднократно пытался совершить мягкую посадку космического аппарата на марсианскую поверхность. Частично это удалось в 1974 году. Аппарат проработал около 2-х недель.

Космические станции Викинг-I и II

В 1976 году появились первые работающие марсианские станции Viking-I и Viking -II. Они много дали для понимания реальных условия на планете и начали целенаправленный поиск жизни на «красной планете».

Космический аппарат «Одиссей» и станция «Феникс»

В 2001 орбитальный аппарат «Одиссей» обнаружил на Марсе лед. Окончательно наличие воды на «марсианской планете» подтвердила в 2008 году американская станция «Феникс». В 2007 году запущена автоматическая станция, работающая в полярном районе Марса.

Сейчас на орбите Марса работают 6 искусственных спутников. На поверхности планеты научные задачи решают два марсохода.

Какие условия на Марсе?

В настоящий момент климат Марса изучен достаточно подробно. Условия на планете суровые, но все же она наиболее приближена к Земле.

  1. Марсианские сутки по длительности приближены к земным.
  2. Атмосфера на 96% состоит из углекислого газа. Кислород присутствует в минимальных объемах (0,14%). Также выявлено наличие аргона и азота. Среднее атмосферное давление более чем в 150 раз ниже привычного нам. Из-за конденсации газов на полюсах зимой и испарения летом.
  3. Наличие на планете воды обуславливает периодическое появление облаков. Также фиксировалось выпадение снега. Сейчас в жидком виде воды на планете нет. Исследования позволяют предположить, что она была там ранее.
  4. Температура колеблется от -127°C до +20°C. Среднегодовой показатель -40°C. На поверхности частые ветра, и из-за слабой силы тяжести они формируют масштабные пылевые бури и смерчи.
  5. Интересны полярные «шапки». Они заметно увеличиваются в зимний период и уменьшаются в летний. Это можно наблюдать даже с земли, используя любительский телескоп.

Есть ли жизнь на Марсе?

Вопрос наличия жизни на Марсе бурно обсуждался с конца 19 века. Некоторые детали рельефа планеты воспринимались первоначально как «рукотворные», что порождало массу смелых гипотез. В настоящий момент поиск жизни ведется путем исследования ее химических следов в почвах и породах, а также биосигнатур в атмосфере.

Интересный эксперимент

Интересен эксперимент исследователей Германского Аэрокосмического Центра, состоящий в моделировании марсианских условий и проверке возможности выживания земных организмов в них. Ряд лишайников и водорослей выжили на искусственной «Красной планете». Они также не прекратили процесс фотосинтеза.

В 2012 году российские биологи повторили этот эксперимент с рядом бактерий. Во многих случаях результат был положителен, а один штамм чувствовал себя даже лучше, чем в условиях Земли. Все это дает надежду обнаружить жизнь на Марсе. Хотя она едва ли будет иметь развитые формы.

Может быть Вы еще не в курсе?

Запланирован — Первый полет людей на Марс в XXI веке

*

rusachka.ru


Читайте также
  • Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
    Гиперскоростная звезда – более 1.000.000 миль в час
  • Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
    Астрономы обнаружили самую большую спиральную галактику
  • Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
    Млечный путь содержит десятки миллиардов планет, схожих с Землей
  • Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
    Млечный путь разорвал своего спутника на четыре отдельных хвоста
  • Найден источник водородных газов для нашей Галактики
    Найден источник водородных газов для нашей Галактики