КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Слово космос является синонимом слова Вселенная. Часто космос разделяют несколько условно на ближний, который возможно исследовать в настоящее время при помощи искусственных спутников Земли, космических аппаратов, межпланетных станций и других средств, и дальний - все остальное, несоизмеримо большее. По сути дела, под ближним космосом понимается Солнечная система, а под дальним - необъятные просторы звезд и галактик.

Поскольку вопросы астрономии и астрофизики, хотя, конечно, очень кратко, были рассмотрены ранее, настоящий и последний раздел книги будет посвящен космонавтике. Космонавтика, или, как ее иногда называют, астронавтика, объединяет в себе полеты в космическое пространство, совокупность отраслей науки и техники, служащих для исследования и использования космического пространства в интересах нужд человечества с использованием различных космических средств. Началом космической эры человечества считается 4 октября 1957 г.- дата, когда в Советском Союзе был запущен первый искусственный спутник Земли.

Начало теории космических полетов было положено широко известным русским ученым Константином Эдуардовичем Циолковским (1857 - 1935), большую часть своей /жизни работавшим учителем физики и математики в г. Калуге. Вот что писал о Циолковском один из наиболее крупных советских ученых - Мстислав Всеволодович Келдыш (1911-1978): «В 1903 г. вышла одна из его основных работ - «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в которой были указаны главнейшие направления развития ракетной техники. По этим направлениям действительно пошло последующее развитие исследований космоса.

К. Э. Циолковским были изучены основные принципы баллистики ракет, предложена схема жидкостного ракетного двигателя, установлены закономерности, определяющие реактивную силу двигателя. Им были предложены схемы космических кораблей и даны широко вошедшие сейчас в практику принципы конструирования ракет. К. Э. Циолковский был страстным пропагандистом возможности осуществления космических полетов в скором будущем» (Келдыш М. В. Космические исследования. М., 1967. Кн. 1, Октябрь и научный прогресс.).

Рискуя рассказывать читателю об уже хорошо известных ему предметах, мы все-таки скажем несколько слов о ракетном двигателе. Дело в том, что ракета - единственное средство для полетов в космическое пространство. Ракета - это летательный аппарат, принцип работы которого - следствие третьего закона механики Ньютона: закон сохранения импульса. На рис. 58 приведена простейшая схема устройства ракеты. Поскольку ракета космического двигателя предназначена для полетов в очень разреженном и практически полностью безвоздушном пространстве, она должна «нести с собой» не только топливо Кгорючее), но и окислитель, каковым в обычных условиях '(но не в ракетах космического двигателя!) является кислород воздуха.

В настоящее время наибольшее применение получило жидкое топливо и окислители, а также твердое топливо, содержащее окислитель в своем составе (типа пороха). Отсюда возникли термины ЖРД - жидкостный ракетный двигатель и РДТТ - твердотопливный ракетный двигатель. В качестве жидкого горючего в настоящее время-чаще всего применяются керосин, диметилгидразин несимметричный H₂N-N(CH₃)₂, гидразин N₂H₄, водород жидкий, аммиак жидкий и некоторые другие, а в качестве жидких окислителей - кислород жидкий, четырехокись азота N₂О₄, азотно-кислотные ракетные окислители (растворы окислов азота в азотной кислоте), перекись водорода Н202 и некоторые другие.

Как видно из рис. 58, ракета имеет два основных элемента: камеру сгорания и сопло. Существуют различные конструкции ракет, но любая из них имеет эти два обязательных элемента. При пуске ракеты с ЖРД в камеру сгорания начинают поступать топливо и окислитель.

Рис. 58. Простейшая схема устройства ракеты 1- камера сгорания; 2 - сопло

В результате горения топлива образуются продукты сгорания, обладающие высокой температурой: химическая энергия топлива превращается в тепловую. Продукты сгорания вследствие разности давлений в камере и во внешнем пространстве с большой скоростью вытекают через сопло наружу - происходит преобразование тепловой энергии в механическую (кинетическую) энергию струи газа (продуктов сгорания). Вытекающая, как уже сказано, с большой скоростью, достигающей 3000-4500 м/с, струя газов создает, согласно закону сохранения импульса, реактивную силу тяги. В этом вся суть дела. Ракета, которой в космическом пространстве «не от чего отталкиваться», движется в результате образующейся реактивной силы.

Чрезвычайно важно отметить, что скорость, развиваемая ракетой (а вместе с ней и всем космическим летательным аппаратом) на активном участке пути, т. е. на том сравнительно коротком участке, пока работает ракетный двигатель, должна быть достигнута очень и очень высокая.

Существует понятие так называемых космических скоростей: первой, второй и третьей. Первой космической скоростью называется такая скорость, при достижении которой тело (космический аппарат), запущенное с Земли, может стать ее спутником. Если не учитывать влияния атмосферы, то непосредственно над уровнем моря первая космическая скорость составляет 7,9 км/с и с увеличением расстояния от Земли уменьшается. На высоте 200 км от Земли она равна 7,78 км/с. Практически первая космическая скорость принимается равной 8 км/с.

Для того чтобы преодолеть притяжение Земли и превратиться, например, в спутник Солнца или достигнуть какой-нибудь другой планеты Солнечной системы, запускаемое с Земли тело (космический аппарат) должно достигнуть второй космической скорости, принимаемой равной 11,2 км/с.

Третьей космической скоростью у поверхности Земли телу (космическому аппарату) необходимо обладать в том случае, когда требуется, чтобы оно могло преодолеть притяжение Земли и Солнца и покинуть Солнечную систему. Третья космическая скорость принимается равной 16,7 км/с.

Космические скорости по своему значению огромны. Они в несколько десятков раз превышают скорость звука в воздухе. Только из этого ясно видно, какие сложные задачи стоят в области космонавтики.

Большое значение имеет расчет траекторий полета космических аппаратов, в котором должна преследоваться основная цель - максимальная экономия энергии. При расчете траектории полета космического аппарата необходимо определять наиболее выгодное время и по возможности место старта, учитывать аэродинамические эффекты, возникающие в результате взаимодействия аппарата с атмосферой Земли при старте и финише, и многое другое.

Многие современные космические аппараты, особенно с экипажем, имеют относительно малые бортовые ракетные двигатели, главное назначение которых - необходимая коррекция орбиты и осуществление торможения при посадке. При расчете траектории полета должны учитываться ее изменения, связанные с корректировкой. Большая часть траектории (собственно, вся траектория, кроме активной ее части и периодов корректировки) осуществляется с выключенными двигателями, но, конечно, под воздействием гравитационных полей небесных тел. На рис. 59 в качестве примера представлена орбита автоматической межпланетной станции «Зонд-6», запущенной 10 ноября 1968 г. с территории Советского Союза, облетевшей Луну и сделавшей фотографирование обратной ее стороны; 17 ноября спускаемый аппарат станции приземлился в заданном районе Советского Союза.

Рис. 59. Схема полета 'Зонда-6' с облетом Луны. Штриховая линия - орбита спутника и траектория движения без коррекции

В создании летательных космических аппаратов наиболее трудной задачей является, вероятно, разработка и производство ракетного двигателя. Космические скорости, как уже говорилось, очень большие, а летательный аппарат должен достигнуть одной из них. Поэтому ракетный двигатель должен иметь огромную мощность, измеряемую десятками миллионов киловатт.

Оказывается, что одноступенчатая ракета не в состоянии придать аппарату скорость, равную первой космической скорости, а тем более второй и третьей. Дело заключается в том, что для достижения первой космической скорости одноступенчатой ракетой вес горючего и окислителя должен был бы составить 93 - 96% веса всей ракеты в целом. Создать такую конструкцию практически невозможно.

Поэтому приходится применять составные ракеты (многоступенчатые). На рис. 60 представлена принципиальная пакетная схема многоступенчатой (составной) ракеты. Действие составной ракеты, состоящей из нескольких ступеней, заключается в том, что отдельные ракеты (ступени) включаются в работу одна за другой, последовательно, причем после израсходования топлива одной ступени и завершения работы ее ракетного двигателя ступень отделяется. Таким образом, по мере отделения отработавших ступеней вес ракеты в целом уменьшается, а это значит, что полезный груз при том же общем запасе топлива может получить большую скорость, чем в случае одноступенчатой ракеты.

Рис. 60. Принципиальная схема многоступенчатой составной ракеты: 1 - топливные отсеки; 2 - реактивные двигатели; 3 - полезный груз; 4 - головной обтекатель; 5 - отсек аппаратуры управления; 6 - силовые узлы связи ступеней

Составные ракеты, конструкция которых может быть различной, способны развивать первую, вторую и третью космические скорости.

Следует отметить, что теория составных ракет принадлежит Циолковскому.

Большинство летательных космических аппаратов (особенно с экипажем) имеют па борту источник тока (солнечную батарею, состоящую из фотоэлементов (Высокая стоимость фотоэлементов в данном случае значения не имеет, так как их мощность и «тираж» относительно невелики.), или топливные элементы (Топливный электрохимический генератор, в котором происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую; в настоящее время находят применение практически только так называемые кислородно-водородные топливные элементы, требующие для функционирования непрерывной раздельной подачи водорода и кислорода, что, конечно, дорого, поэтому они пока иногда применяются лишь в космических аппаратах.), или электрические аккумуляторы), который служит для питания ряда систем: терморегулирования, радиосвязи и радиотелеметрии, бортовой ЭВМ, ориентации, жизнеобеспечения и некоторых других.

В Советском Союзе среди организаций и отдельных ученых и конструкторов, работы которых (вслед за работами Циолковского) лежат в основе современной космонавтики, следует назвать Газодинамическую лабораторию (ГДЛ), созданную в 1921 г., в которой под руководством выдающегося советского ученого и конструктора Валентина Петровича Глушко (р. 1908) в 1929 г. были начаты разработки жидкостного и электрического ракетных дви-телей, и Группу изучения реактивного движения (ГИРД), образованную в 1932 г., сыгравшую наряду с ГДЛ под руководством выдающегося советского ученого и конструктора Сергея Павловича Королева (1907 - 1966) основную роль в зарождении советского ракетостроения. В конце 1933 г. ГДЛ и ГИРД были объединены в Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ).

Если начало космической эры на Земле связывают, как уже говорилось, с запуском 4 ноября 1957 г. в СССР первого искусственного спутника Земли и, следовательно, с достижением спутником первой космической скорости, то второй важнейший этап в развитии космонавтики - день первого космического полета человека.

12 апреля 19G1 г. советский гражданин Юрий Алексеевич Гагарин (1934 - 1968), ставший известным всему миру, совершил космический полет, облетев Землю на корабле «Восток» за 1 ч 48 мин. Это была большая победа человеческого гения, новая страница развития космонавтики.

После этого последовало большое число запусков различных летательных космических аппаратов. Увеличивалось количество различных научно-технических задач, решаемых с целью дальнейшего изучения Луны, Земли, других планет Солнечной системы (Венеры, Марса). Советским космонавтом Алексеем Архиповичем Леоновым был впервые осуществлен выход в открытый космос, стали проводиться групповые полеты со стыковкой летающих космических аппаратов, намного увеличилась длительность полетов, появились автоматические межпланетные станции, стали применяться автоматические космические аппараты (например, луноходы) и многое другое.

Большим достижением, можно сказать, третьим историческим событием, в развитии космонавтики была лунная экспедиция, происходившая 16 - 24 июля 1969 г., в которой участвовали три американских космонавта (или, как говорят в США, астронавта) - Я. Армстронг, Э. Олдрин и М. Коллинз,- двое из которых (Н. Армстронг и Э. Олдрин) высаживались на поверхность Луны и пробыли на ней 21 ч 36 мин.

Каких же новых больших событий, новых исторических страниц можно ожидать в развитии космонавтики? Конечно, дать сколько-нибудь развернутый ответ очень трудно. Послушаем высказывания ученых.

Уже упоминавшийся выше один из крупнейших специалистов в области космонавтики, В. П. Глушко, пишет: «Начало 2-й половины XX в. ознаменовалось выходом человека в космос... Наша Родина открыла дорогу в космос! Советский Союз первый осуществил полеты искусственных спутников Земли, Солнца, Луны, автоматических станций к Луне, Венере и Марсу, пилотируемых одноместных и многоместных кораблей, выход космонавта из корабля в открытый космос. Советские станции впервые достигли поверхности Луны и Венеры, сфотографировали обратную сторону Луны, осуществили мягкую посадку на Луну и передали на Землю изображение лунной панорамы. Первые мужчина и женщина, совершившие одиночные и групповые полеты в космосе,- граждане СССР» (Глушко В. П. Предисловие к первому изданию.- В кн.: Космонавтика: Маленькая энциклопедия. 2-е изд., доп. М., 1970, с. 5 ).

И немного дальше В. П. Глушко пишет: «В эти дни (В. П. Глушко имеет в виду период приблизительно 1928- , 1932 гг.) во многих странах происходил переход от теоретических исследований, основоположником которых был К. Э. Циолковский, к лабораторным. Начали работать первые жидкостные ракетные двигатели, полетели первые жидкостные ракеты. Потребовалось около 30 лет упорного труда для создания первоосновы ракетной техники -мощных жидкостных ракетных двигателей с достаточно высокими показателями эффективности и надежности. Рождение этих двигателей открыло путь для разработки ракет различного назначения, решающих задачи освоения космоса» (Там же, с. 6.. )

И далее В. П. Глушко пишет: «Однако ограничение возможности жидкостных ракет для решения задач дальних полетов в космос заставляют форсировать работы ведущиеся в различных странах по созданию ядерных и электрических ракетных двигателей. Эффективное сочетание на ракете жидкостных и электрических ракетных двигателей расширит энергетические возможности, и долгое время такая ракета будет являться основным средством для полетов в пределах нашей Солнечной системы».

Ясная точка зрения. К сказанному необходимо добавить, что ядерный ракетный двигатель, схема которого (с твердофазной активной зоной) показана на рис. 61, представляет собой ракетный двигатель, рабочим телом которого является какое-либо вещество (например, водород), а теплом для нагревания рабочего тела служит энерговыделение активной зоны ядерного реактора. Из приведенной схемы видно, что жидкий водород из бака 1 поступает в насос 2, приводом которому служит газовая турбина 3. Жидкий водород омывает снаружи ядерный реактор и сопло, при этом нагревается и испаряется. Основная масса теперь уже газообразного водорода протекает через реактор, омывая его тепловыделяющие элементы 4 и за счет этого нагревается еще более. Нагретый газообразный водород поступает в сопло 5, в котором он расширяется и вытекает с большой скоростью наружу, создавая необходимую тягу.

Рис. 61. Схема ядерного ракетного двигателя: 1 - бак с жидким водородом; 2- насос ; 3 - турбина для привода насоса; 4- тепловыделяющие элементы ядерного реактора; 5 - сопло; 6 - защитный экран

Необходимо также сказать несколько слов об устройстве электрического ракетного двигателя. Напомним, что мощность любого ракетного двигателя в конце концов определяется температурой газа, вытекающего через сопло, и массой этого газа. Жидкостные ракетные двигатели, как об этом уже говорилось, имеют в этом отношении определенные ограничения (трудности с увеличением забираемого с Земли количества топлива и окислителя, большой расход тепла при температуре порядка 3000 К и выше на диссоциацию газа и некоторые другие). Источником энергии электрического ракетного двигателя является бортовое устройство, вырабатывающее электрическую энергию (электрический генератор). До тех пор пока это устройство остается небольшим по своей мощности (солнечные или аккумуляторные батареи, современные топливные элементы), электрический ракетный двигатель, естественно, также имеет малую мощность, хотя в случае применения солнечных батарей может работать весьма долго. Такие установки используются для коррекции траектории и ориентации космических аппаратов, питания бортовых приборов и т. д. Важно заметить, что такие установки при малой силе тяги (в тысячи раз меньшей веса ракеты, почему они и не в состоянии вывести аппарат на орбиту искусственного спутника Земли) могут иметь огромную скорость истечения рабочего тела из сопла (10-100 км/с).

Если же на борту космического летательного аппарата находилась бы ядерно-энергетическая установка достаточно большой мощности, то ее функции в сочетании с жидкостным ракетным двигателем могли бы быть расширены.

Электрические ракетные двигатели разделяются на электротермические, электростатические (ионные) и электромагнитные (плазменные). Мы кратко остановимся только на одном из них - электротермическом; его схема показана на представленном рис. 62. Рабочее тело с малой молекулярной массой (например, водород, Н2, аммиак N2H4) подается через патрубок 1 в камеру нагрева 2, переходящую в сопло. Камера нагрева и сопло выполняются из какого-либо жаростойкого материала, например вольфрама. В качестве нагревательного элемента служит жаростойкая (например, вольфрамовая) проволока 3, ток к которой подается от бортового генератора.

Рис. 62. Схема электротермического ракетного двигателя: 1 - подвод рабочего тела; 2 - камера нагрева и сопло; 3 - нагревающий элемент; 4 - опора нагревающего элемента

Специалисты считают также, что в дальнейшем развитии космонавтики важнейшее место займут долговременные орбитальные станции, использование которых является, как известно, одним из направлений космических исследований в СССР. Именно на этом пути могут быть сделаны новые исторические шаги в космонавтике.

Специалисты США, по крайней мере в настоящее время, особое внимание уделяют созданию и запуску крылатых летательных космических аппаратов многоразового использования. Вполне возможно, что на этом пути исследования космоса будут получены результаты большого значения.

Мы приводим выдержку из статьи А. П. Александрова: «Выход людей за пределы атмосферы нашей планеты - одно из потрясающих событий нашего времени, связанное с именем замечательного советского ученого, Главного конструктора ракетно-космических систем, дважды Героя Социалистического Труда, академика Сергея Павловича Королева. Деятельность С. П. Королева и значение ее невозможно переоценить.

Мне не пришлось непосредственно работать с Сергеем Павловичем, но по ряду вопросов мы с ним встречались. Мы обсуждали различные виды ракетного топлива, возможность применения ядерных двигателей в ракетной технике. Нам обоим были интересны довольно многочисленные проблемы. Чтобы поговорить по этим вопросам, я приехал в организацию, которой руководил Сергей Павлович. Сначала он показал мне множество разработок, проведенных его организацией, а затем пригласил в свой кабинет. Там были развешаны чертежи, по которым он мне рассказал о планах проникновения в космическое пространство, познакомил с расчетами и траекториями различных полетов к Луне, облет Луны, на Венеру, к Марсу. Мне казалось, что я попал в какую-то совершенно фантастическую ситуацию. Надо сознаться, что хотя я не впервые увидел сложные технические новинки и проекты, но все увиденное там произвело на меня глубочайшее впечатление. Как будто я попал в невероятный фантастический мир. Даже не верилось, что можно в столь короткие сроки и человеческими силами решить подобные задачи.

Рис. 63. Схема радиорелейной связи с использованием спутника связи с ретранслятором: 1 - оконечный пункт линии; 2 - промежуточный пункт; 3 - земная станция радиосвязи со спутником; 4 - искусственный спутник Земли

Мы долго разговаривали, обсуждали разные варианты использования - в космосе, на Земле, под водой и т. д.- той техники, которая у нас уже имелась. Сергей Павлович подробно рассказывал о том, как решаются те или другие задачи. После этой встречи у меня сложилось впечатление о Сергее Павловиче как о богато одаренном человеке, целеустремленном, требовательном к строгости научных рассуждений, к собственным разработкам. После этого мы не раз встречались, вместе рассматривали различные задачи, и каждый раз меня поражала глубина, с которой он подходил к их решению. К тому времени в ракетной технике образовалось много направлений, их создали и возглавляли замечательные конструкторы, очень квалифицированные люди. Тем не менее Сергей Павлович выделялся даже среди этих выдающихся конструкторов.

Весьма полезным для развития ракетно-космической техники оказалось сотрудничество Сергея Павловича с Мстиславом Всеволодовичем Келдышем. Келдыш был увлечен той деятельностью, которую развивал Королев, он очень быстро направил в эту сферу внимание многих великолепных математиков, механиков и других специалистов. Именно он первый стал применять в ракетной технике вычислительные машины, которые до этого в их зачаточном состоянии применялись только в области ядерной физики. Участие Келдыша в этих разработках позволило решить, по сути дела, все задачи механики, которые ставились в этих сложных условиях. К Королеву и Келдышу примыкал еще Игорь Васильевич Курчатов. Этот знаменитый триумвират, или «три К», как мы их называли, представлял собой творческое содружество, сыгравшее огромную роль в укреплении могущества нашей Родины» (Из истории советской космонавти