Большие ракеты для межпланетных сообщений можно заставить лететь по круговой орбите вокруг Земли. Такая ракета будет представлять собой как бы маленькую Луну. Она не должна быть оборудована для спуска обратно на Землю. Сообщение между ней и Землей может осуществляться при помощи ракет меньших размеров, благодаря чему эти большие ракеты (мы будем называть их наблюдательными станциями) могут быть лучше приспособлены для своего прямого назначения.
На такой станции могут быть оборудованы две кабины наблюдателей, соединенные между собой проволочным канатом длиной 10 ÷ 20 км и вращающиеся одна относительно другой.
Наблюдательная станция может явиться и станцией для пополнения запаса топлива, так как водород и кислород, защищенные от действия солнечных лучей, могут произвольно долгое время находиться в твердом состоянии.
Ракета, которая заполняется горючим и стартует с такой наблюдательной станции, совсем не страдает от сопротивления воздуха и очень мало подвержена замедляющему действию земного притяжения. Ее ускорение, а тем самым и отношение pd/p0 может быть очень мало, благодаря чему, согласно формуле (1), сильно повышается использование энергии горючего. Так как ракета не должна будет проходить сквозь атмосферу и испытывать действие значительного опорного ускорения, то ее форма и прочность могут быть выбраны произвольным образом. Кроме того, ракете не требуется придавать очень большой начальной скорости для вылета из сферы притяжения Земли, так как, во-первых, на наблюдательной станции потенциал поля тяготения Земли меньше, а, во-вторых, тяга ракеты должна лишь выравнять разницу между требуемой конечной скоростью и скоростью самой наблюдательной станции, составляющей около 8 км/сек.
Можно растянуть в пространстве круглую проволочную сетку (фиг. 84) вращением ее вокруг центра. В клетки сетки (изображенные на рисунке в увеличенном виде) можно вста-вить подвижные зеркала из легкого листового металла так, чтобы этим зеркалам электрическим путем можно было придавать со станции любое положение относительно сетки. Все зеркало должно вращаться вокруг Земли в плоскости, перпендикулярной плоскости земной орбиты, причем сетка должна быть наклонена под углом 45° к направлению падения солнечных лучей (фиг. 85). Регулируя положение отдельных ячеек сетки, можно всю отражаемую зеркалом солнечную энергию по желанию либо сконцентрировать на отдельные точки земной поверхности, либо распространить на обширные области, либо же, если мы не находим для нее никакого применения, излучать ее в мировое пространство. Поскольку отражающая поверхность может быть сделана как угодно большой, то можно достичь колоссальных эффектов, и, например, путь к Шпицбергену или к портам северной Сибири мог бы быть освобожден от льда, если подвергнуть его действию таких сконцентрированных солнечных лучей. Если бы даже зеркало имело в диаметре только 100 км, то оно могло бы посредством отраженной им энергии сделать обитаемыми обширные области на Севере и т. д. Особенно большое значение имеет то, что зеркало не стоит неподвижно над каким-либо одним пунктом земной поверхности и потому может выполнять все эти задачи.
Материал для создания такого зеркала следует выбирать, учитывая, что в пространстве нет кислорода, а сам он должен лишь незначительно нагреваться. Уменьшить нагревание материала можно, если его заднюю поверхность оставить шероховатой или даже окрасить в черный цвет. В качестве материала можно рекомендовать натрий, который имеет удельный вес, равный единице, обладает значительной прочностью на растяжение и характеризуется серебряным блеском. Если толщина отражающих листов 0,005 мм и масса проволоки сетки не превышает массы листа, то квадратный метр всей установки будет весить всего 10 г.
Давление света при вертикальном падении лучей на абсолютно черную поверхность на расстоянии Земли составляет 0,4 мг/м², а на абсолютно отражающую поверхность давление света будет вдвое больше. Для натриевой поверхности, расположенной к Солнцу под углом 45°, давление света составляет около 0,5 мг/м² (0,5 кг/км2). Даже когда зеркало расположено перпендикулярно к направлению падения солнечных лучей, давление света не превышает 1 кг/км² (1 мг/м²). Все зеркала вместе с креплениями, наблюдательной камерой и др. имеет удельный вес 10 г/м². Таким образом давление излучения сообщает зеркалу ускорение менее 0,1 см/сек². Зеркало не поднимается на высоту, большую, чем два земных радиуса над центром Земли. При этом ускорение силы тяжести остается свыше 240 см/сек². Но даже, если бы зеркало поднялось на 10 земных радиусов, то ускорение силы тяжести все-таки составляло бы около 10 см/сек², т.е. имело бы величину, в 100 раз большую, чем ускорение, вызванное давлением света.
Вводим три новых обозначения направлений. Направление на Солнце будем называть сагитальным (направление j), направление от центра зеркала к центру Земли — вертикальным (направление i) и, наконец, направление, перпендикулярное плоскости j — i, назовем трансверсальным (направление t). Вначале примем, что плоскость обращения зеркала перпендикулярна к направлению j, тогда она в то же время будет представлять собою плоскость j — i. Далее примем, что зеркальные плоскости перпендикулярны плоскости j — i, к двум же другим - основным плоскостям они наклонены под углом 45°, благодаря чему отраженный свет падает на Землю вертикально. Когда зеркало обращается вокруг Земли, направление у сохраняется в пространстве, тогда как направления t и i вращаются относительно неподвижной системы координат. Мы не будем сейчас касаться вопроса о том, потребуется ли нам в течение длительного времени посылать свет на Землю перпендикулярно и сможем ли мы это сделать. Для того чтобы изучить отдельные элементы, определяющие орбиту зеркала, допустим, что это возможно.
Пусть АВ (фиг. 86) обозначает Землю, a CD — траекторию, которую описала бы ракета без зеркала. Допустим сначала, что эта траектория есть окружность, а затем перейдем к более сложным случаям. Давление излучения L (фиг. 87) разлагается на две слагающие е и f, из которых одна (е) стремится поднять зеркало вертикально вверх. Действие этой слагающей компенсируем уменьшением скорости обращения зеркала на 1 — 2 м/сек (больше не требуется) по сравнению со скоростью, которую зеркало должно иметь, если давления излучения не существует. Вторая слагающая f давит на зеркало по направлению к земной тени.
Ускорение g также разлагается на две слагающие, из которых одна направлена к центру орбиты (соответствующая слагающая тяжести) и компенсирует центробежную силу z (см. фиг. 86) и слагающую светового давления е, а вторая — направлена к Солнцу и компенсирует слагающую f светового давления. Вследствие малой величины f можно пренебречь величиной смещения зеркала (r+h)·f/g под действием солнечной радиации.
Предположим, что зеркало должно работать описанным выше образом, но только над северным полушарием. Зеркало, как и ранее (но теперь только под влиянием силы тяжести), должно описывать над южным полушарием окружность в направлении ВА (см. фиг. 88). АВ есть экваториальная плоскость, если на нее смотреть в сагитальном направлении. Когда зеркало проходит через точку А и начинает работать, сила тяжести как бы уменьшается; скорость зеркала при этой уменьшенной силе слишком велика, оно начинает подниматься и в точке В' достигает за счет излишней кинетической энергии своего наибольшего удаления от Земли.
В точке В' его скорость слишком мала, чтобы оно могло длительно оставаться на этой высоте, обращаясь по круговой орбите. Даже если бы g уменьшилось на величину давления излучения, то зеркало вернулось бы в точку А по геометрическому продолжению этого эллипса, но рассматриваемое ускорение увеличивается, так как давление света перестает действовать. В результате зеркало еще более приближается к Земле, например, до точки А', причем его скорость значительно превосходит круговую скорость (которой оно должно было бы обладать на этой высоте). Круговая скорость на пути от А' до В была бы еще меньше вследствие давления света; таким образом эллипс от А' до В" будет еще более вытянут, чем эллипс от В' к А', поэтому В" лежит еще дальше, чем В'. Таким образом следующая ближайшая к Земле точка будет лежать еще ближе, чем А' и т. д. В результате зеркало коснется атмосферы Земли либо на стороне А, либо вырвется из сферы притяжения Земли на стороне В.
Присущая зеркалу энергия увеличивается при каждом обращении. На фиг. 89 можно судить о потенциале по обе стороны от линии АСВ; конечно, он меняется скачкообразно при переходе через эту линию; точки равного потенциала образуют полуокружности по обе стороны от этой линии.
В течение всего движения над линией АСВ сумма кинетической и потенциальной энергии зеркала должна оставаться постоянной; это условие должно выполняться также в продолжение его движения под линией АСВ.
Одной и той же разности высот Δh соответствует над линией АВ' меньшая разность потенциалов, чем под линией. Если зеркало совершило подъем Δh от А (перигей) к В' (апогей) за счет потери Δv' кинетической энергии (фиг. 90), то оно приобретает больше кинетической энергии, когда на обратном пути через С снова достигает высоты А; опускаясь затем на отрезок Δh, зеркало также приобретает больше кинетической энергии, чем оно расходует для преодоления этого подъема на другой стороне.
Мы можем бороться с этим явлением различными способами. Если, например, сообщить зеркалу в точке В такое ускорение, чтобы оно начало двигаться по эллипсу, изображенному штрихпунктирной линией, в точку А, и затем уменьшить в точке А его скорость настолько, чтобы оно продолжало лететь по кривой АВ, то это состояние может быть сохранено надолго. Такой случай будем иметь на практике, если солнечные лучи будут отражаться не вертикально, а по возможности к северному полюсу.
Все сказанное относится к вертикальной слагающей давления света при односторонней работе зеркала. Сагитальная слагающая в этом случае стремится повернуть плоскость орбиты вокруг оси, перпендикулярной к эклиптике (прецессия). На фиг. 91 плоскость чертежа представляет эклиптику, ACBD — Земля; если смотреть перпендикулярно к эклиптике, то при отсутствии давления света линия АВ будет орбитой, а АВ' — действительным путем зеркала. Если умело взяться за дело, то можно добиться того, чтобы плоскость орбиты зеркала по ворачивалась за год один раз, и притом так, чтобы она всегда была расположена перпендикулярно к направлению j.
Аналогичные рассуждения справедливы и в том случае когда давление света действует неодинаково сильно на всех участках пути АВ, а постепенно усиливается от А до полюса и уменьшается от P до В. Этот случай соответствует действительности, так как зеркальная сетка только над полюсом Должна быть наклонена к поверхности Земли под углом 45°, а над жаркой зоной зеркало не должно работать. (Пару зеркальных ячеек можно было бы применить для ночного освещения больших городов.) Торможения в точке А (см. фиг. 90) и ускорения в точке В можно, конечно, достигнуть только при помощи светового давления. Зеркальные ячейки должны в этом случае отражать свет в трансверсальном направлении; при этом возникают также сагитальные слагающие, но их действие частично взаимно погашается; кроме того, действие их не простирается так далеко на юг, как действие описанной ранее сагитальной слагающей на север. Однако мы легко можем совершенно уничтожить или изменить направление этой прецессии, поставив на юге зеркальные плоскости перпендикулярно к Солнцу Если мы желаем, чтобы зеркало на юге не работало, то можно выполнить целый ряд маневров со световым давлением, изменяя циркуляцию и вращение зеркала и приближая или совсем удаляя его от Земли.
Выше было упомянуто, что вблизи центра зеркала сила тяжести и центробежная
сила, приложенные к каждому атому, почти уравновешивают друг друга. Это
справедливо лишь для центра зеркала. Если зеркало наклонено к Земле под углом
45°, то при диаметре зеркала 100 км нижний его край будет ближе к Земле, чем
центр, примерно на 25√2 = 35,3 км, а верхний его край соответственно дальше. Как
известно, сила тяжести уменьшается пропорционально квадрату расстояния от центра
Земли; таким образом (фиг. 92), когда вся система точно сбалансирована
центробежной силой, возникающей при циркуляции зеркала вокруг Земли, то на
нижний край действует натяжение вниз γ, а на верхний край — такое
же натяжение вверх γ'. Эти силы частично вызывают натяжение сети
α — α';, а частично стремятся повернуть плоскость
сетки перпендикулярно к Земле — β — β';. Однако
последнее им не удастся выполнить вследствие вращения зеркала; вместо этого ось
вращения, аналогично оси гироскопа, отклоняется перпендикулярно действию силы.
Задача рационального управления сеткой заключается в том, чтобы установить ее наиболее выгодным образом для предпринимаемых работ. Сама собою напрашивается мысль — установить вращение зеркала таким образом, чтобы прецессия и обращение имели одинаковый период и чтобы плоскость орбиты всегда была перпендикулярна плоскости j — i и наклонена под углом 45° к направлению j (фиг. 93). К сожалению, этого не всегда можно достигнуть.
В некоторых случаях выгоднее вести зеркало так, чтобы период прецессии и период обращения не совпадали. Этот метод дает возможность подвергать определенные области более сильному облучению, чем при описанных выше способах. Вообще методы использования и вождения зеркала весьма многочисленны.
Выше были изложены, собственно говоря, только предварительные замечания. Что касается управления зеркалом в действительности, то необходимо сказать лишь следующее.
На юге могут быть использованы и маленькие зеркала; большие же зеркала почти не будут применяться. Главное назначение больших зеркал будет состоять в том, чтобы сделать плодородными полярные области; для южных областей в этом нет необходимости. Растопление глетчеров южного полярного континента могло бы вызвать нежелательное поднятие всего уровня моря (на 6 — 8 м). Кроме того, люди, вероятно, к тому времени уйдут так далеко в своем развитии, что пожелают сохранить в научно-исследовательских целях хотя бы одну холодную зону. Таким образом для южного полушария и для тропиков зеркало будет применяться лишь для ночного освещения больших городов и, возможно, для некоторого улучшения погоды. На севере, напротив, нигде, кроме Гренландии, вообще нет такого материкового льда, как на юге.
Поскольку зеркало должно работать, главным образом, над северным полушарием, то следует избрать для него такую орбиту, чтобы большая ее часть лежала над северным полушарием.
Согласно второму закону Кеплера, это будет происходить, если зеркало будет обращаться по эллипсу, ближайшая точка которого к Земле находится на юге. Расстояние этой ближайшей к Земле точки определяется требованием, чтобы зеркало даже при непредвиденных нарушениях его орбиты, вызваных метеоритами, невнимательностью водителя, не рассчитанным заранее влиянием полей силы тяжести иных планет и т. д., не проникало в атмосферу. Высота в 1000 км будет вполне достаточной.
Расстояние до наиболее удаленной от Земли точки опреде-ляется требованием, чтобы свет, отражаемый на Землю, имел необходимую концентрацию и чтобы, таким образом, выполнялось основное назначение зеркала. Так, например, пятно света от зеркала, находящегося на высоте 6000 км, не может иметь в поперечнике меньше 56 км. Если потребуется более сильная концентрация солнечной энергии, то зеркало придется приблизить к Земле, причем скорость его обращения придется уменьшить, чтобы оно вращалось по кругу. При наличии достаточного запаса времени это торможение можно будет произвести при помощи светового давления (это займет 2 — 3 мес); если же времени будет мало, то торможения можно будет достиг нуть при помощи реактивной силы. При небольшой высоте зеркала целесообразно вести его без прецессии.