«Техника-молодежи» 1963 №9, с.3-4

КОРИДОР ИЗ КОСМОСА

Что же это за планета? В какой звездной системе она расположена? Не заглядывайте в звездный атлас. Это наша Земля. Запертых планет много - среди них наши соседи: Венера, Марс и некоторые другие планеты солнечной системы. Правда, такое образное выражение может вызвать неудовольствие у любящих четкие определения ученых. Но легко убедиться, что любую планету, окруженную своей атмосферной оболочкой, можно считать в той или иной степени «запертой» для космонавтов, совершающих на нее посадку.

Многокилометровая толща атмосферы таит в себе угрозу для всякого тела, вторгающегося в нее с большими космическими скоростями. Наглядным примером тому служат метеориты.

Далеко не все из них достигают поверхности Земли. Большая часть сгорает в атмосфере. Это и не удивительно, так как аэродинамический нагрев летящих тел пропорционален их скорости, возведенной в куб.

Но при умелом расчете такая опасность не угрожает космическим кораблям, входящим из космоса в атмосферу. Атмосфера даже поможет кораблю совершить «мягкую» посадку, поглотив огромную кинетическую энергию ракеты. Тогда отпадет необходимость в специальных тормозных ракетных двигателях, без которых, например, не обойтись при посадке на Луну (там нет атмосферы).

Известно, что сопротивление, которое испытывает космическое тело в воздушных слоях, зависит не только от его скорости, но и от угла, под которым оно входит е атмосферу. Наиболее сильный нагрев и наибольшие перегрузки - при вертикальном вхождении. Метеориты сплошь и рядом следуют именно по этому пути.

Чтобы космическая ракета не разделила печальной участи метеоритов, нужно найти другой путь проникновения в атмосферную оболочку планеты. Чем больше траектория космического тела отклоняется от роковой вертикали, тем слабее воздействие на него атмосферы. Увеличивается путь, проходимый телом в верхних разреженных слоях, а следовательно, увеличивается и их тормозящее действие. Поэтому корабль успеет потерять часть своей кинетической энергии, прежде чем войдет в плотные слои атмосферы. На первый взгляд кажется, что приземляющаяся космическая ракета должна войти в атмосферу Земли или какой-нибудь другой планеты под углом как можно меньшим.

Однако, если угол вхождения космического корабля в атмосферу будет слишком мал, то сопротивление разреженных слоев окажется настолько незначительным, что не сможет погасить его громадную космическую скорость. Подобно комете, корабль промчится сквозь верхние разреженные слои атмосферы и снова уйдет в безвоздушное пространство. И только сила земного притяжения где-то задержит его. Описав под действием сил тяготения эллипс, корабль вернется в атмосферу Земли, чтобы затем снова проскочить сквозь разреженные воздушные слои в космическое пространство. Такое многократное прохождение сквозь земную атмосферу будет повторяться до тех пор, пока корабль не растеряет свою громадную кинетическую энергию и не пойдет на посадку.

На рисунке в заголовке показана ширина «коридора» для различных планет и Титана - спутника Сатурна - по сравнению с земным. «Коридор» зависит от радиуса планеты, силы тяжести, плотности атмосферы у поверхности.

Способ многократного торможения в атмосфере как будто не влечет катастрофических последствий. В теории космических полетов до недавнего времени он считался даже одним из наиболее целесообразных. До тех пор, пока не были обнаружены пояса радиации.

Некоторые зарубежные ученые считают даже, что для космических полетов пригодны только орбиты с высотой не больше 800 км, а пространство от 800 до 80 тыс. км опасно из-за слишком интенсивной радиации. Насколько правильны эти расчеты, покажут будущие исследования, но уже сейчас можно с уверенностью сказать, что космическая «карусель» - «вынужденное удовольствие». При подобном методе торможения необходима абсолютная точность управления полетом.

Таким образом, возвращающийся на Землю межпланетный корабль попадет в положение «богатыря на распутье»: слишком крутые траектории вхождения угрожают ему разрушением из-за чрезмерных перегрузок и перегрева, при слишком пологих траекториях над экипажем нависает опасность радиационного поражения.

Где же «золотая середина» между двумя крайними случаями? Промежуточных траекторий, оказывается, совсем немного. Все вместе они образуют узкий «коридор» из космоса в земную атмосферу. Зона безопасности как бы «зажата» между траекториями «недолета» и «перелета». Рамки очень жесткие. Расчеты показывают, что корабль должен войти в атмосферу под углом не меньшим 5-6° и не большим 7-9°. Только двигаясь по этим траекториям, космический корабль успеет сбросить весь излишек своей кинетической энергии за одно прохождение сквозь земную атмосферу. При этом перегрузки и нагрев корабля нигде не превысят дозволенной величины.

Ширина «коридора» зависит от многих факторов: от конструкции космического корабля и, следовательно, от допустимых для него перегрузок и перегрева, от скорости. Если наибольшая допустимая перегрузка для ракеты в 10 раз превышает ускорение силы тяжести, то расчетная ширина «коридора» составляет только 13 км! И даже при перегрузке вдвое большей его ширина достигает всего 32 км.

Для космического корабля, который возвращается от границ солнечной системы со скоростью около 16 км/сек, ширина «коридора» в 2,5 раза меньше, чем для корабля, совершавшего полет в район Луны и имеющего скорость в 11 км/сек. Перефразируя древнюю пословицу, можно сказать, что легче верблюду пройти через игольное ушко, чем попасть в «коридор безопасного входа».

Такие жесткие рамки приземления приводят некоторых зарубежных специалистов к пессимистическому выводу, что существующие системы управления космическими ракетами и даже предполагаемые системы управления ближайшего будущего не обеспечат требуемой точности. Трудно согласиться с этими безнадежными прогнозами, ведь буквально каждый день приносит нам новые научные открытия и технические достижения, опережающие порою даже мечты фантастов.

У каждой из планет существует сеой «коридор безопасного входа», зависящий от физических и химических свойств окружающей ее атмосферы. От того, насколько хорошо космонавты знают этот своеобразный пароль, зависит успех межпланетной экспедиции. У какой же планеты «коридор» наиболее широкий и посадка, таким образом, окажется наиболее легкой?

Ученые предполагают, что плотность атмосферы Венеры не жиже плотности атмосферы Земли. Эти планеты имеют приблизительно одинаковую ширину «коридора». По сравнению с ними атмосфера Марса разрежена гораздо больше. Казалось бы, это обстоятельство должно существенно облегчить посадку на Марс. Но у него мала сила тяжести, и плотность атмосферы очень слабо изменяется с высотой. Поэтому, несмотря на разреженность, уже на высоте 24 км плотность марсианской атмосферы уравнивается с земной, а выше даже превосходит ее. Поэтому «коридор» у Марса ненамного шире, чем у Земли и Венеры. У планеты-гиганта Юпитера «коридор» настолько узок, что от будущих космонавтов потребуется ювелирное искусство, чтобы правильно войти в атмосферу этой планеты. А вот у Титана, спутника планеты Сатурн, наоборот, настолько широк, что включает в себя все возможные траектории подхода.

Представим себе, что из-за неточности в системе управления космический корабль вошел в атмосферу ниже «коридора». Траектория кажется угрожающе крутой, нарастают перегрузки, температура через несколько минут достигнет такой величины, когда обшивка... И в этот критический момент из корпуса корабля выбрасываются крылья. Корабль подхватывает мощная аэродинамическая подъемная сила, он взмывает вверх и попадает в спасительное пространство. Крылья убираются. Если же космический корабль вошел в атмосферу выше «коридора», достаточно развернуть специальные перевернутые крылья, которые исправят положение. В отличие от обычных эти «крылья наоборот» имеют подъемную силу, действующую вниз. Она и втолкнет корабль в зону «коридора». «Перелет» можно ликвидировать и другим способом. Для этого достаточно привести в действие какое-нибудь устройство, увеличивающее силу сопротивления воздушных слоев, например раздвижной металлический зонт. Из-за резко возросшего сопротивления скорость ракеты сразу упадет, и она уже не сможет выйти еще раз в космическое пространство. Правда, при этом экипаж будет испытывать в течение нескольких минут максимальные перегрузки.

Для космических кораблей, снабженных крыльями, границы «коридора безопасного входа» раздвигаются. При допустимой перегрузке, в 10 раз превышающей ускорение силы тяжести, его ширина увеличивается до 70 км. А при вдвое большей допустимой перегрузке возрастает до 168 километров! Уже существующие системы управления могут обеспечить ракетам такую точность приземления. Считают, что использование выдвижных крыльев позволит космонавтам прибегнуть даже к ручному управлению на близких подступах к планетам.

Вероятно, космические «коридоры» не последнее из условий безопасных полетов в космосе. Приятно сознавать, что теперь, образно говоря, один за другим убираются камни с дороги в космос. И это распознавание и преодоление преград происходит не только теоретически, на бумаге, но и практически - за штурвалами советских космических кораблей.

Так выглядит воображаемый «коридор безопасного входа» в земную атмосферу. Если космический корабль «не угадает» и пройдет выше «коридора», время, необходимое для посадки, сильно увеличится, так как кораблю придется сделать несколько оборотов вокруг Земли, Если же он не дотянет до «коридора», ему угрожает чрезвычайно высокая температура, возникающая при резком торможении в плотных слоях атмосферы.

На диаграмме внизу показаны числовые характеристики космического «коридора».

Область 1 - область полета самолетов, 2 - область, где центробежных и подъемных сил оказывается недостаточно, чтобы удержать аппарат в полете, 3 - область «недолета», то есть область высоких температур и нагрузок, 4 - область «перелета» - корабль уходит из атмосферы.