Механика космического полета в элементарном изложении - Левантовский В.И
Текст представляет собой интервью А.Л.Чижевского с К.Э.Циолковским. Приводится по первопубликации в журнале «Химия и жизнь» (№ 1, 1977 г.).
Я - чистейший материалист. Ничего не признаю, кроме материи.
К.Э.Циолковский
Человечество бессмертно.
К.Э.Циолковский
…Однажды, войдя в светёлку, я застал К.Э.Циолковского в глубоком раздумье. Он был в светлой косоворотке, с расстёгнутым воротом и сидел в своём кресле, глубоко войдя в него. Он не сразу заметил, что я поднялся по лестнице и подошёл к нему.
«Помешал», - пронеслось у меня в голове. Но Константин Эдуардович протянул мне руку и сказал:
Садитесь, Александр Леонидович. Это я вот зря задумался о вещах, не поддающихся объяснению…
Мы поздоровались, и я сел рядом на стул.
Как это - не поддающихся объяснению? - спросил я. - Что за чудеса? Мне кажется, всё, что существует в мире, подлежит объяснению.
Конечно, с точки зрения человека. Для этого ему дан мозг, хотя и несовершенный, особенно у некоторых…
Нет, Александр Леонидович, это не совсем так. Мозг, верно, во многое может проникнуть, но не во всё, далеко не во всё… Есть и ему границы…
Так это ещё древние знали, - заметил я, - наше незнание огромно, а знаем мы очень мало.
Нет, это вопрос совсем другой категории. Сам вопрос этот не может быть поставлен, ибо он является вопросом всех вопросов…
То есть? Не совсем понимаю…
Очень просто. Есть вопросы, на которые мы можем дать ответ - пусть не точный, но удовлетворительный для сегодняшнего дня. Есть вопросы, о которых мы можем говорить, которые мы можем обсуждать, спорить, не соглашаться, но есть вопросы, которые мы не можем задавать ни другому, ни даже самому себе, но непременно задаём себе в минуты наибольшего понимания мира. Эти вопросы: зачем все это? Если мы задали себе вопрос такого рода, значит мы не просто животные, а люди с мозгом, в котором есть не просто сеченовские рефлексы и павловские слюни, а нечто другое, иное, совсем не похожее ни на рефлексы, ни на слюни… Не прокладывает ли материя, сосредоточенная в мозгу человека, некоторых особых путей, независимо от сеченовских и павловских примитивных механизмов? Иначе говоря, нет ли в мозговой материи элементов мысли и сознания, выработанных на протяжении миллионов лет и свободных от рефлекторных аппаратов, даже самых сложных?.. Да-с, Александр Леонидович, как только вы зададите себе вопрос такого рода, значит вы вырвались из традиционных тисков и взмыли в бесконечные выси: зачем всё это - зачем существуют материя, растения, животные, человек и его мозг - тоже материя, - требующий ответа на вопрос: зачем всё это? Зачем существует мир, Вселенная, Космос? Зачем? Зачем?
Материя - единое существующее, независимо от её движения или перемещения в пространстве. Я говорю о внешнем движении, например, движении моей руки со слухачом или движении Земли по её орбите. Это движение не определяет материи, и им можно пренебречь. Глубокое познание строения материи нам пока не доступно. Но некогда наступит переломный момент, когда человечество приблизится к этому «эзотерическому» знанию. Тогда оно и подойдёт вплотную к вопросу: зачем? Но для этого должны пройти миллиарды лет космической эры…
Многие думают, что я хлопочу о ракете и беспокоюсь о её судьбе из-за самой ракеты. Это было бы глубочайшей ошибкой. Ракеты для меня только способ, только метод проникновения в глубину космоса, но отнюдь не самоцель. Не доросшие до такого понимания вещей люди говорят о том, чего не существует, что делает меня каким-то однобоким техником, а не мыслителем. Так думают, к сожалению, многие, кто говорит или пишет о ракетном корабле. Не спорю, очень важно иметь ракетные корабли, ибо они помогут человечеству расселиться по мировому пространству. И ради этого расселения я-то и хлопочу. Будет иной способ передвижении в космосе - приму и его… Вся суть - в переселении с Земли и в заселении Космоса. Надо идти навстречу, так сказать, космической философии! К сожалению, наши философы об этом совсем не думают. А уж кому-кому как не философам следовало бы заняться этим вопросом. Но они либо не хотят, либо не понимают великого значения вопроса, либо просто боятся. И то возможно! Представьте себе философа, который боится! Демокрита, который трусит! Немыслимо!
Дирижабли, ракеты, второе начало термодинамики - это дело нашего дня, а вот ночью мы живём другой жизнью, если зададим себе этот проклятый вопрос. Говорят, что задавать такой вопрос - просто бессмысленно, вредно и ненаучно. Говорят - даже преступно. Согласен с такой трактовкой… Ну, а если он, этот вопрос, всё же задаётся… Что тогда делать? Отступать, зарываться в подушки, опьянять себя, ослеплять себя? И задаётся он не только здесь в светёлке Циолковского, но некоторые головы полны им, насыщены им - и уже не одно столетие, не одно тысячелетие… Этот вопрос не требует ни лабораторий, ни трибун, ни афинских академий. Его не разрешил никто: ни наука, ни религия, ни философия. Он стоит перед человечеством - огромный, бескрайний, как весь этот мир, и вопиет: зачем? зачем? Другие - понимающие - просто молчат.
Да, да, - сказал я. - Ответа на этот вопрос нет. Но, может быть, вы, Константин Эдуардович, что-либо придумали?
Циолковский рассердился. Слуховой рупор заходил в его руках.
Придумали? Как вы спрашиваете? Нет, Александр Леонидович, говорить так нельзя. Сей учитель, как и все малые мира сего, - и Константин Эдуардович показал на свою грудь, - ничего не может ответить на этот вопрос… Ничего, кроме некоторых догадок, может быть, и достоверных!
Прежде всего, чтобы ответить на какой-либо вопрос, нужно его ясно сформулировать, - сказал я.
Ну, это сколько угодно. Сформулировать этот вопрос я могу, остаётся лишь неясным: может ли человек верно и точно сформулировать его. Вот этого я не знаю, хотя, конечно, хотел бы знать. Вопрос же сводится все к тому же: зачем и почему существует этот мир, ну и, конечно, все мы, то есть суть материя. Вопрос этот прост, но кому мы его можем задать? Самим себе? Но это тщетно! Тысячи философов, учёных, религиозных деятелей за несколько тысячелетий так или иначе пытались его разрешить, но наконец признали его неразрешимым. От этого факта не стало легче тому, кто этот вопрос задаёт себе. Он всё так же мучится, страдает из-за своего незнания, некоторые люди даже говорят, что вопрос такого рода «ненаучен» (поймите это: ненаучен!), ибо ответить на него никто даже из умнейших людей не может. Только они, эти умнейшие люди, не объяснили, почему он ненаучен. Я подумал так: всякий вопрос может быть научным, если на него рано или поздно будет дан ответ. К «ненаучным» же относятся все те вопросы, которые остаются безответными. Но человек постепенно разгадывает некоторые загадки такого рода. Например, через сто или через тысячу лет мы узнаем, как устроен атом, хотя вряд ли узнаем, что такое «электричество», из которого построены все атомы, вся материя, то есть весь мир, космос и т. д. Потом наука многие тысячелетия будет разрешать вопрос о том, что такое «электричество». Значит, как наука ни старается, природа все время ставит ей новые и новые задачи величайшей сложности! При разрешении вопроса об атоме или об электричестве возникнет ещё новый вопрос о чем-либо малопонятном человеческому уму… И так далее. Выходит, что-либо человек не дорос до решения такого рода проблем, либо природа хитрит с ним, боится его, как бы он не узнал более, чем то положено по уставу. А об уставе этом мы тоже ничего путного не знаем. Опять «темно во облацех». Так одно цепляется за другое, а в действительности выходит, что мы стоим перед непроглядной стеной неизвестности.
Вы прочитали только начало статьи К.Э. Циолковского.
Приятного прочтения!
§ 1. Космодинамика - теория космических полетов
Буквальный смысл слова «космонавтика» (представляющего собой сочетание двух греческих слов) - «плавание во Вселенной». В обычном употреблении это слово означает совокупность различных отраслей науки и техники, обеспечивающих исследование и освоение космического пространства и небесных тел с помощью космических летательных аппаратов - искусственных спутников, автоматических станций различного назначения, пилотируемых космических кораблей.
Теория космических полетов, представлявших давнюю мечту человечества, превратилась в науку в результате основополагающих трудов великого русского ученого Константина Эдуардовича Циолковского. В течение продолжительного времени, до того момента, когда идеи, формулы и чертежи энтузиастов и ученых стали в конструкторских бюро и в цехах заводов превращаться в объекты, изготовленные «в металле», теоретический фундамент космонавтики покоился на трех китах: 1) теории движения космических аппаратов; 2) ракетной технике; 3) совокупности астрономических знаний о Вселенной.
Впоследствии в недрах космонавтики зародился широкий цикл новых научно-технических дисциплин, таких, как теория систем управления космическими объектами, космическая навигация, теория космических систем связи и передачи информации, космическая биология и медицина и т. д. Сейчас, когда нам трудно представить себе космонавтику без этих дисциплин, полезно вспомнить о том, что теоретические основы космонавтики закладывались К. Э. Циолковским в то время, когда производились лишь первые опыты над использованием радиоволн и радио не могло считаться
средством связи в космосе. В течение многих лет в качестве средства связи всерьез рассматривалась сигнализация с помощью лучей солнечного света, отражаемых в сторону Земли зеркалами, находящимися на борту межпланетного корабля. Сейчас, когда мы привыкли не удивляться ни прямому телевизионному репортажу с поверхности Луны, ни полученным по радио фотографиям, сделанным вблизи Юпитера или на поверхности Венеры, в это трудно поверить. Поэтому можно утверждать, что теория космической связи, несмотря на всю свою важность, не является все же главным звеном в цепи космических дисциплин.
Таким главным звеном служит теория движения космических объектов. Именно ее можно считать теорией космических полетов. Специалисты, занимающиеся этой наукой, сами называют ее по-разному: прикладная небесная механика, небесная баллистика, космическая баллистика, космодинамика механика космического полета, теория движения искусственных небесных тел.
Все эти названия имеют один и тот же смысл, точно выражаемый последним термином. Космодинамика, таким образом, является частью небесной механики - науки, изучающей движение любых небесных тел - как естественных (звезды, Солнце, планеты, их спутники, кометы, метеорные тела, космическая пыль), так и искусственных (автоматические космические аппараты и пилотируемые корабли). Но есть нечто, выделяющее космодинамику из небесной механики. Родившаяся в лоне небесной механики космодинамика пользуется ее методами, но не умещается в ее традиционных рамках.
Существенное отличие прикладной небесной механики от классической заключается в том, что вторая не занимается и не может заниматься выбором орбит небесных тел, в то время как первая занимается отбором из огромного числа возможных траекторий достижения того или иного небесного тела определенной траектории, которая учитывает многочисленные, зачастую противоречивые, требования. Главное требование - минимальность скорости, до которой разгоняется космический аппарат на начальном активном участке полета и соответственно минимальность массы ракеты-носителя или орбитального разгонного блока (при старте с околоземной орбиты). Это обеспечивает максимальную полезную нагрузку и, следовательно, наибольшую научную эффективность полета. Учитываются также требования простоты управления, условий радиосвязи (например, в момент захода станции за планету при ее облете),
условий научных исследований (посадка на дневной или ночной стороне планеты) и т. п.
Космодинамика предоставляет в распоряжение проектировщиков космической операции методы оптимального перехода с одной орбиты на другую, способы исправления траектории. В поле ее зрения находится неведомое классической небесной механике орбитальное маневр ирование.
Космодинамика представляет собой фундамент общей теории космического полета (подобно тому как аэродинамика представляет собой фундамент теории полета в атмосфере самолетов, вертолетов, дирижаблей и других летательных аппаратов). Эту свою роль космодинамика делит с ракетодинамикой - наукой о движении ракет. Обе науки, тесно переплетаясь, лежат в основе космической техники. Обе они являются разделами теоретической механики, которая сама представляет собой обособившийся раздел физики.
Будучи точной наукой, космодинамика использует математические методы исследования и требует логически стройной системы изложения. Недаром основы небесной механики были разработаны после великих открытий Коперника, Галилея и Кеплера именно теми учеными, которые внесли величайший вклад в развитие математики и механики. Это были Ньютон, Эйлер, Клеро, Даламбер, Лагранж, Лаплас. И в настоящее время математика помогает решению задач небесной баллистики и в свою очередь получает толчок в своем развитии благодаря тем задачам, которые космодинамика перед ней ставит.
Классическая небесная механика была чисто теоретической наукой. Ее выводы находили неизменное подтверждение в данных астрономических наблюдений. Космодинамика привнесла в небесную механику эксперимент, и небесная механика впервые превратилась в экспериментальную науку, подобную в этом отношении, скажем, такому разделу механики, как аэродинамика. На смену поневоле пассивному характеру классической небесной механики пришел активный, наступательный дух небесной баллистики. Каждое новое достижение космонавтики - это вместе с тем свидетельство эффективности и точности методов космодинамики.
Космодинамика делится на две части: теорию движения центра масс космического аппарата (теорию космических траекторий) и теорию движения космического аппарата относительно центра масс (теорию «вращательного движения»). Как уже говорилось в предисловии, в книге будет рассказываться главным образом о траекториях, и космический аппарат в большинстве случаев будет рассматриваться как материальная точка.
Введение.Человечество всегда мечтало о путешествии в космос. Самые разные средства для достижения этой цели предлагали писатели - фантасты, учёные, мечтатели. Но единственного находящегося в распоряжении человека средства, с помощью которого можно преодолеть силу земного притяжения и улететь в космос за многие века не смог изобрести ни один учёный, ни один писатель-фантаст. Например, герой рассказа французского писателя Сирано де Бержерака, написанного в XVII веке, добрался до Луны, подбрасывая сильный магнит над железной повозкой, в которой находился сам. Повозка всё выше поднималась над Землёй, притягиваясь к магниту, пока не достигла Луны, барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.
Впервые мечту и стремления многих людей впервые смог приблизить к реальности русский учёный Константин Эдуардович Циолковский(1857-1935), который показал, что единственный аппарат, способный преодолеть силу тяжести - это ракета, он впервые представил научное доказательство возможности использования ракеты для полётов в космическое пространство, за пределы земной атмосферы и к другим планетам Солнечной системы. Ракетой Цоилковский назвал аппарат с реактивным двигателем, использующим находящиеся на нём горючее и окислитель.
Реактивным двигателем называют двигатель, способный преобразовать химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, и приобрести при этом скорость в обратном направлении.
На каких же принципах и физических законах основывается действие реактивного двигателя?
Как известно из курса физики, выстрел из ружья сопровождается отдачей. По законам Ньютона, пуля и ружьё разлетелись бы в разные стороны с одинаковой скоростью, если бы имели одинаковую массу. Отбрасываемая масса газов создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение, как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве, так возникает отдача. Тем большую силу отдачи ощущает наше плечо, чем больше масса и скорость истекающих газов, и, следовательно, чем сильнее реакция ружья, тем больше реактивная сила. Эти явления объясняются законом сохранения импульса:
- векторная (геометрическая) сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остаётся постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы.
Максимальную скорость, которую может развить ракета, рассчитывают по формуле Циолковского:
, где
v max – максимальная скорость ракеты,
v 0 – начальная скорость,
v r – скорость истечения газов из сопла,
m – начальная масса топлива,
M – масса пустой ракеты.
Представленная формула Циолковского является фундаментом, на котором зиждется весь расчёт современных ракет. Числом Циолковского называют отношение массы топлива к массе ракеты в конце работы двигателя - к весу пустой ракеты.
Таким образом, получили, что максимально достижимая скорость ракеты зависит в первую очередь от скорости истечения газов из сопла. А скорость истечения газов сопла в свою очередь зависит от вида топлива и температуры газовой струи. Значит, чем выше температура, тем больше скорость. Тогда для настоящей ракеты нужно подобрать самое калорийное топливо, дающее наибольшее количество теплоты. По формуле видно, что кроме всего прочего скорость ракеты зависит от начальной и конечной массы ракеты, от того, какая часть её веса приходится на горючее, и какая - на бесполезные (с точки зрения скорости полёта) конструкции: корпус, механизмы, и т.д.
Основной вывод из этой формулы Циолковского для определения скорости космической ракеты состоит в том, что в безвоздушном пространстве ракета разовьёт тем большую скорость, чем больше скорость истечения газов и чем больше число Циолковского.
Устройство баллистической ракеты.
Представим в общих чертах современную ракету сверхдальнего действия.
Такая ракета необходимо должна быть многоуровневой. В её головной части размещается боевой заряд, позади - приборы управления, баки и двигатель. Стартовый вес ракеты превышает вес полезного груза в 100-200 раз в зависимости от топлива! Таким образом, настоящая ракета должна весить несколько сотен тонн, а в длину должна, как минимум, достигать высоты десятиэтажного дома. К конструкции ракеты предъявляется ряд требований. Так, необходимо, например, чтобы сила тяги проходила через центр тяжести ракеты. Ракета может отклониться от заданного курса или даже начать вращательное движение, если не выполнить обозначенные условия.
Рис.1 Внутреннее устройство ракеты.
Восстановить правильный курс можно с помощью рулей. В разреженном воздухе работают газовые рули, отклоняющие направление газовой струи, предложенные Циолковским. Аэродинамические рули работают при полёте ракеты в плотном воздухе.
Современные баллистические ракеты преимущественно работают на двигателях, использующих жидкое топливо. В качестве горючего обычно используют керосин, спирт, гидразин, анилин, а в качестве окислителей - азотную и хлорную кислоты, жидкий кислород и перекись водорода. Самыми активными окислителями являются фтор и жидкий озон, но они применяются редко из-за крайней взрывоопасности.
Двигатель -самая важный элемент ракеты. Самый важный элемент двигателя - камера сгорания и сопло. В камерах сгорания, из-за того, что температура сгорания топлива доходит до 2500-3500 О С, должны использоваться особо жаропрочные материалы и сложные методы охлаждения. Таких температур не выдерживают обычные материалы.
Очень сложны и остальные агрегаты. Например, насосы, которые должны подавать окислитель и горючее к форсункам камеры сгорания, уже в ракете ФАУ-2, одной из первых, были способны перекачивать 125 кг топлива в секунду.
В ряде случаев вместо обычных баллонов применяют баллоны со сжатым воздухом или каким-нибудь другим газом, способным вытеснить горючее из баков и загнать его в камеру сгорания.
Газовые приходиться делать из графита или керамики, поэтому они очень хрупкие и ломкие, поэтому современные конструкторы начинают отказываться от применения газовых рулей, заменяя их несколькими дополнительными соплами или поворачивая самое главное сопло. Действительно, в начале полёта, при высокой плотности воздуха, скорость ракеты мала, поэтому рули плохо управляют, а там, где ракета приобретает большую скорость, мала плотность воздуха.
На американской ракете, построенной по проекту “Авангард”, двигатель подвешен на шарнирах, и его можно отклонять на 5-7 О. Мощность каждой следующей ступени и время её действия меньше, потому что каждая ступень ракеты работает в совершенно различных условиях, которые и определяют её устройство, поэтому и конструкция самой ракеты может быть проще.
Запуск баллистическая ракета происходит со специального стартового устройства. Обычно это ажурная металлическая мачта или даже башня, около которой ракету собирают по частям подъёмными кранами. Участки такой башни размещаются против необходимых для проверки и отладки оборудования смотровых люков. Башня отъезжает, когда ракету заправляют топливом.
Ракета стартует вертикально, а затем начинает медленно наклоняться и вскоре описывает почти строго эллиптическую траекторию. Большая часть траектории полёта таких ракет лежит на высоте больше 1000 км над Землёй, где сопротивление воздуха практически отсутствует. Приближаясь к цели, атмосфера начинает резко тормозить движение ракеты, при этом её оболочка сильно нагревается, а, если не принять меры, ракета может разрушиться, а её заряд - преждевременно взорваться.
Представленное описание межконтинентальной баллистической ракеты устарело и соответствует уровню развития науки и техники 60-х годов, но, ввиду ограниченности доступа к современным научным материалам, отсутствует возможность дать точное описание работы современной межконтинентальной баллистической ракеты сверхдальнего радиуса действия. Несмотря на это, в работе были освещены общие свойства, присущие всем ракетам. Работа также может быть интересна в целях ознакомления с историей развития и использования описанных ракет.
Дерябин В. М. Законы сохранения в физике. – М.: Просвещение, 1982.
Гельфер Я. М. Законы сохранения. – М.: Наука, 1967.
Кузов К. Мир без форм. – М.:Мир, 1976.
Детская энциклопедия. – М.: Издательство АН СССР, 1959.
§ 1. Особенности 1раекторий полета человека
§ 2. Прямой полет Земля - Луна - Земля (первый вариант лунной экспедиции)
§ 3. Встреча в космосе и монтаж корабля (второй вариант лунной экспедиции)
§ 4. Разъединение и сближение на окололунной орбите (третий вариант лунной экспедиции)
§ 5. Экспедиции по программе «Аполлон»
§ 6. Лунная транспортная космическая система
§ 7. Лунные грузовые корабли с малой тягой
§ 8. Окололунная орбитальная станция
§ 9. Перспективы использования Луны
Часть четвертая
МЕЖПЛАНЕТНЫЕ ПОЛЕТЫ
§ 1. Главные особенности межпланетного полета
§ 2. Движение внутри сферы действия Земли
§ 3. Гелиоцентрическое движение вне сферы действия Земли
§ 4. Гомановские и параболические перелеты
§ 5. Движение внутри сферы действия планеты-цели
§ 6. Межпланетный пертурбационный маневр
§ 7. Искусственные спутники планет
§ 8. Возмущения межпланетных траекторий
§ 9. Коррекция межпланетных траекторий
§ 1. Траектории достижения планет
§ 2. Перелеты на орбиты искусственных спутников планет
§ 3. Солнечный парус
§ 4. Разработки космических аппаратов с двигателями малой тяги
§ 1. Одноимпульсные орбиты искусственных планет
§ 2. Полеты вне плоскости эклиптики
§ 3. Поворот плоскости орбиты с помощью солнечной ЭРДУ
§ 4. Двухимпульсные орбиты искусственных планет
§ 5. Переход через бесконечность
§ 6. Выведение искусственной планеты в точку либрации
§ 7. Научное значение искусственных планет
§ 1. Траектории в случае упрощенной модели планетных орбит
§ 2. Влияние эксцентриситета и наклона орбиты Марса
§ 3. Географические условия старта к Марсу
§ 4. Посадка на Марс
§ 5. Искусственные спутники Марса
§ 6. Полеты на спутники Марса - Фобос и Деймос
§ 7. Облет Марса с возвращением к Земле
§ 8. Автоматические станции исследуют Марс
§ 9. Результаты исследований Марса
§ 1. Достижение Венеры
§ 2. Посадка и искусственный спутник Венеры
§ 3. Облет Венеры
§ 4. Автоматические станции исследуют Венеру
§ 5. Результаты исследований Венеры
§ 1. Достижение Меркурия
§ 2. Посадка и искусственный спутник Меркурия
§ 3. Полет к Меркурию при попутном облете Венеры
§ 4. Полет с солнечно-электрическим двигателем
§ 5. Результаты исследований Меркурия
§ 1. Планеты, совсем не похожие на нашу
§ 2. Прямые перелеты
§ 3. Полеты к Юпитеру и Сатурну через планеты земной группы
§ 4. Пертурбационные маневры в сферах действия планет группы Юпитера
§ 5. Через Юпитер - к Солнцу и подальше от плоскости эклиптики
§ 6. Искусственный спутник Юпитера
§ 7. Искусственные спутники других планет группы Юпитера
§ 8. Посадки на естественные спутники
§ 9. Зондирование атмосфер юпитерианских планет. Посадка на Плутон
§ 10. Полеты с малой тягой
§ 11. Исследования Юпитера и Сатурна
§ 12. Результаты исследований в системах Юпитера и Сатурна
§ 1. Пролет астероида
§ 2. Встреча с астероидом
§ 3. Выход на орбиту вокруг астероида
§ 4. Посадка на астероид и возвращение на Землю
§ 1. Импульсные полеты
§ 2. Полеты с малой тягой
§ 3. Операции вблизи ядра кометы
§ 1. Они только отложены
§ 2. Особенности межпланетных экспедиций
§ 3. Спуск на Землю при возвращении из экспедиции
§ 4. Безостановочные пилотируемые облеты планет
§ 5. Экспедиции с остановками при прямых симметричных перелетах
§ 6. Экспедиции с траекториями возвращения, несимметричными траекториям прибытия
§ 7. Операции на околопланетных орбитах, пролетных траекториях и поверхностях
§ 8. Экспедиции на астероиды
§ 9. Использование кораблей с малой тягой
§ 10. Немного о будущем
Название : Механика космического полета в элементарном изложении.
В книге в доступной форме, без применения сложного математического аппарата, но вместе с тем вполне строго излагаются основы космодинамики - науки о движении космических летательных аппаратов. В первой части рассматриваются общие вопросы, двигательные системы для космических полетов, пассивный и активный полеты в поле тяготения. Следующие части посвящены последовательно околоземным полетам, полетам к Луне, к телам Солнечной системы (к планетам, их спутникам, астероидам, кометам) и за пределы планетной системы. Особо рассматриваются проблемы пилотируемых орбитальных станций и космических кораблей. Дается представление о методах исследования и проектирования космических траекторий и различных операций: встречи на орбитах, посадки, маневры в атмосферах, в гравитационных полях планет (многопланетные полеты и т. п.), полеты с малой тягой и солнечным парусом и т. д. Приводятся элементарные формулы, позволяющие читателю самостоятельно оценить начальные массы ракет-носителей и аппаратов, стартующих с околоземной орбиты, определить благоприятные сезоны для межпланетных полетов и др. Книга содержит большой справочный числовой и исторический материал.
За годы, прошедшие после выхода в свет второго издания этой книги, космонавтика достигла новых замечательных успехов. Все большее применение находят искусственные спутники Земли для развития народного хозяйства. Резко возросло число советских космонавтов, побывавших на околоземных орбитах. Работа экипажей (в том числе интернациональных) на советской орбитальной станции «Салют» стала обыденным явлением. Продолжается успешное изучение Венеры и Марса. Стал привычным пролет Юпитера, достигнут Сатурн, впереди Уран.
Наряду с практическими достижениями опубликован ряд теоретических работ и предложено немало тем для новых разработок, интересных именно с точки зрения механики космического полета. Достаточно, например, сказать, что солнечный парус стал рассматриваться как конкурент электро-ракетных двигательных установок. Конкретизируются проекты использования космических аппаратов в так называемых точках либрации, и уже началось их осуществление. Придумано, как использовать Землю для разгона на пути к Юпитеру и Сатурну
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к третьему изданию 8
Из предисловия ко второму изданию 10
Введение 15
§ 1. Космодинамика - теория космических полетов 15
§ 2. Основные законы механики 18
§ 3. О единицах силы и массы 20
§ 4. О системах отсчета 21
Часть первая
ОСНОВЫ РАКЕТО- И КОСМОДИНАМИКИ
22
Глава 1. Двигательные системы для космических полетов 22
§ 1. Законы ракетного движения 22
§ 2. Структура ракеты 27
§ 3. Составная ракета 29
§ 4. Термохимические ракетные двигатели 34
§ 5. Ядерные тепловые двигатели 38
§ 6. Тепловые двигатели с внешним источником энергии 41
§ 7. Электрические ракетные двигатели (ЭРД) 42
§ 8. Парусные системы 46
§ 9. Фотонный (квантовый) ракетный двигатель 48
§ 10. Классификации двигательных систем 48
Глава 2. Свободный полет в полях тяготения 54
§ 1. Силы, действующие на космический аппарат в полете 54
§ 2. Задача п тел и метод численного интегрирования 55
§ 3. Невесомость 57
§ 4. Центральное поле тяготения 59
§ 5. Траектории в центральном поле тяготения 61
§ 6. Неограниченная задача двух тел 66
§ 7. Сфера действия и приближенный метод расчета траекторий... 68
Глава 3. Активное движение космического аппарата 73
§ 1. Выход на траекторию свободного полета 73
§ 2. Активное движение в космическом пространстве 78
§ 3. Перегрузка 80
§ 4. Управление движением космического аппарата 82
§ 5. Движение космического аппарата относительно центра масс и управление им 84
Часть вторая
ОКОЛОЗЕМНЫЕ ПОЛЕТЫ
89
Глава 4. Движение искусственных спутников Земли 89
§ 1. Параметры орбиты 89
§ 2. Возмущенное движение спутника 91
§ 3. Влияние несферичности Земли 92
§ 4. Эволюция орбиты в земной атмосфере. . . ." 95
§ 5. Влияние притяжений Луны и Солнца 98
§ 6. Спутники в точках либрации 102
§ 7. Влияние давления солнечного света 106
§ 8. Движение спутника относительно земной поверхности 107
Глава 5. Активное движение в околоземном пространстве 111
§ 1. Выведение спутника на орбиту с низким перигеем 111
§ 2. Многоимпульсное выведение 113
§ 3. Изменение плоскости орбиты 117
§ 4. Спуск с орбиты 119
§ 5. Относительное движение в окрестности спутника 123
§ 6. Встреча на орбите 129
§ 7. Конечное сближение и стыковка 133
§ 8. Разгон с малой тягой до параболической скорости 136
§ 9. Изменения орбит и их коррекция с помощью малых тяг 140
§ 10. Разгон с помощью солнечного паруса 143
§ 11. Ориентация и стабилизация спутников 146
Глава 6. Использование искусственных спутников Земли "150
§ 1. Космические объекты в околоземном пространстве 150
§ 2. Исследовательские спутники 152
§ 3. Метеорологические спутники и спутники для исследования природных ресурсов Земли 159
§ 4. Спутники связи 164
§ 5. Навигационные и геодезические спутники 167
§ 6. Орбитальные энергостанции 168
Глава 7. Пилотируемые орбитальные объекты 170
§ 1. Корабли-спутники и орбитальные станции 170
§ 2. Роль орбитальных станций 176
§ 3. Искусственная тяжесть 177
§ 4. Многоразовый транспортный космический корабль (МТКК) . . 180
§ 5. Межорбитальный транспортный аппарат 185
§ 6. Эксплуатация многоразовых транспортных аппаратов 186
Часть третья
ПОЛЕТЫ К ЛУНЕ
191
Глава 8. Достижение Луны 191
§ 1. Плоская задача достижения Луны 191
§ 2. Пространственная задача достижения Луны 196
§ 3. Учет эллиптичности лунной орбиты, притяжения Луны и ее размеров 202
§ 4. Влияние гравитационных возмущений от сжатия Земли и от Солнца 205
§ 5. Точность наведения 206
§ 6. Коррекция траектории 209
§ 7. Посадка на Луну 210
§ 8. Научное значение автоматических лунных станций 217
Глава 9. Пролетные операции 221
§ 1. Пролетная траектория 221
§ 2. Сближение с возвращением к Земле 225
§ 3. Периодический облет Луны 230
§ 4. Разгонные траектории 234
§ 5. Маневрирование на пролетных траекториях 236
§ 6. Научное значение пролетных операций 237
Глава 10. Искусственный ыгутник Луны 239
§ 1. О возможности захвата Луной космического аппарата 239
§ 2. Запуск искусственного спутника Луны 241
§ 3. Орбиты спутников Луны и их эволюция 245
§ 4. Движение спутника относительно лунной поверхности.... 250
§ 5. Маневрирование спутников Луны 251
§ 6. Научное значение спутников Луны 253
Глава 11. Возвращение на Землю 256
§ 1. Траектории возвращения 256
§ 2. Вход в земную атмосферу и спуск 258
§ 3. Возвращение на Землю космических аппаратов, облетевших Луну 262
§ 4. Возвращение на Землю станций, совершивших посадки на Луне 265
Глава 12. Экспедиция на Луну 268
§ 1. Особенности 1раекторий полета человека 268
§ 2. Прямой полет Земля - Луна - Земля (первый вариант лунной экспедиции) 271
§ 3. Встреча в космосе и монтаж корабля (второй вариант лунной экспедиции) 275
§ 4. Разъединение и сближение на окололунной орбите (третий вариант лунной экспедиции) 277
§ 5. Экспедиции по программе «Аполлон» 278
§ 6. Лунная транспортная космическая система 290
§ 7. Лунные грузовые корабли с малой тягой 291
§ 8. Окололунная орбитальная станция 293
§ 9. Перспективы использования Луны 298
Часть четвертая
МЕЖПЛАНЕТНЫЕ ПОЛЕТЫ
302
Глава 13. Межпланетные полеты с большой тягой 302
§ 1. Главные особенности межпланетного полета 302
§ 2. Движение внутри сферы действия Земли 306
§ 3. Гелиоцентрическое движение вне сферы действия Земли.... 312
§ 4. Гомановские и параболические перелеты 315
§ 5. Движение внутри сферы действия планеты-цели 321
§ 6. Межпланетный пертурбационный маневр 325
§ 7. Искусственные спутники планет 329
§ 8. Возмущения межпланетных траекторий 335
§ 9. Коррекция межпланетных траекторий 337
Глава 14. Межпланетные полеты с малой тягой 341
§ 1. Траектории достижения планет 341
§ 2. Перелеты на орбиты искусственных спутников планет 343
§ 3. Солнечный парус 346
§ 4. Разработки космических аппаратов с двигателями малой тяги. 348
Глава 15, Зондирование межпланетного пространства 350
§ 1. Одноимпульсные орбиты искусственных планет 350
§ 2. Полеты вне плоскости эклиптики 353
§ 3. Поворот плоскости орбиты с помощью солнечной ЭРДУ.... 355
§ 4. Двухимпульсные орбиты искусственных планет 356
§ 5. Переход через бесконечность 359
§ 6. Выведение искусственной планеты в точку либрации 360
§ 7. Научное значение искусственных планет 361
Глава 16. Полеты к Марсу 363
§ 1. Траектории в случае упрощенной модели планетных орбит. . . 363
§ 2. Влияние эксцентриситета и наклона орбиты Марса 367
§ 3. Географические условия старта к Марсу 370
§ 4. Посадка на Марс 371
§ 5. Искусственные спутники Марса 374
§ 6. Полеты на спутники Марса - Фобос и Деймос 375
§ 7. Облет Марса с возвращением к Земле 377
§ 8. Автоматические станции исследуют Марс 378
§ 9. Результаты исследований Марса 381
Глава 17. Полеты к Венере 386
§ 1. Достижение Венеры 386
§ 2. Посадка и искусственный спутник Венеры 387
§ 3. Облет Венеры 387
§ 4. Автоматические станции исследуют Венеру 389
§ 5. Результаты исследований Венеры 394
Глава 18. Полеты к Меркурию 396
§ 1. Достижение Маркурия 396
§ 2. Посадка и искусственный спутник Меркурия 396
§ 3. Полет к Меркурию при попутном облете Венеры 398
§ 4. Полет с солнечно-электрическим двигателем 399
§ 5. Результаты исследований Меркурия 400
Глава 19. Полеты к юпитерианским планетам 402
§ 1. Планеты, совсем не похожие на нашу 402
§ 2. Прямые перелеты 403
§ 3. Полеты к Юпитеру и Сатурну через планеты земной группы. . 405
§ 4. Пертурбационные маневры в сферах действия планет группы Юпитера 407
§ 5. Через Юпитер - к Солнцу и подальше от плоскости эклиптики 410
§ 6. Искусственный спутник Юпитера 412
§ 7. Искусственные спутники других планет группы Юпитера... 416
§ 8. Посадки на естественные спутники 417
§ 9. Зондирование атмосфер юпитерианских планет. Посадка на Плутон 418
§ 10. Полеты с малой тягой 419
§ 11. Исследования Юпитера и Сатурна 420
§ 12. Результаты исследований в системах Юпитера и Сатурна. . . 424
Глава 20. Полеты к астероидам 429
§ 1. Пролет астероида 429
§ 2. Встреча с астероидом 430
§ 3. Выход на орбиту вокруг астероида 431
§ 4. Посадка на астероид и возвращение на Землю 432
Глава 21. Полеты к кометам 434
§ 1. Импульсные полеты 434
§ 2. Полеты с малой тягой 437
§ 3. Операции вблизи ядра кометы 439
Глава 22. Межпланетные экспедиции 440
§ 1. Они только отложены 440
§ 2. Особенности межпланетных экспедиций 441
§ 3. Спуск на Землю при возвращении из экспедиции 444
§ 4. Безостановочные пилотируемые облеты планет 447
§ 5. Экспедиции с остановками при прямых симметричных перелетах 448
§ 6. Экспедиции с траекториями возвращения, несимметричными траекториям прибытия 453
§ 7. Операции на околопланетных орбитах, пролетных траекториях и поверхностях 455
§ 8. Экспедиции на астероиды 458
§ 9. Использование кораблей с малой тягой 460
§ 10. Немного о будущем 465
Часть пятая
ПОЛЕТЫ ЗА ПРЕДЕЛЫ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
467
Глава 23. Преддверие полета к звездам 467
§ 1. Заплутонное пространство 467
§ 2. Полеты с большой тягой 468
§ 3. Полеты с малой тягой 469
Глава 24. Межзвездные полеты 470
§ 1 Астронавтика - составная часть космонавтики 470
§ 2. Фотонная ракета - средство осуществления межзвездных полетов 471
§ 3. Обобщенная формула Циолковского 472
§ 4. Продолжительности полетов 474
§ 5. О «собственных» скоростях звездолета 477
§ 6. Мечта или реальность? 478
Послесловие 481
Дополнение при корректуре. Космический лифт 484
Приложение I. Перечень таблиц в тексте книги 487
Приложение II. К вычислению начальных масс ракетных систем 487
Литература 490
Указатель имен и библиографических ссылок 503
Предметный указатель 506
Указатель наименований космических летательных аппаратов и проектов 509
