«Техника-молодежи» 1966 №1, с.20-23

Ракета-носитель выполнила свою задачу. Она подняла корабль за пределы плотных слоев атмосферы, сообщила ему необходимую космическую скорость. Дальше корабль будет двигаться по заранее рассчитанной траектории — по орбите спутника Земли, причем для этого движения уже не нужны ракетные двигатели. Но...

Представьте себе, что вам — члену космического экипажа — необходимо провести исследования какого-то явления в космосе. Значит, нужно развернуть корабль, чтобы иллюминатор был направлен в сторону заинтересовавшего вас объекта. Развернуть, но как? При помощи рулевых ракетных двигателей. Два таких двигателя укреплены по бокам корпуса корабля в диаметрально противоположных точках. Сопла направлены вдоль оси корабля в разные стороны. Включите эти двигатели — и космический корабль начнет медленно поворачиваться вокруг вертикальной оси. Включая одну из пар двигателей, можно управлять кораблем, поворачивать его вокруг любой из трех осей (рис. 1).

Рулевые двигатели компактны, очень экономичны, расход топлива измеряется миллиграммами в секунду. Главные требования к ним — надежность, способность работать длительное время, с многократными включениями и выключениями. Поэтому для их питания не всегда рационально применять горючее и окислитель. Часто выгоднее брать просто сжатый газ, например азот. Как же он будет работать?

Холодный, но сильно сжатый азот подводится к соплу и, двигаясь по нему, расширяется, приобретая скорость в несколько сотен метров в секунду. Конечно, это в четыре-шесть раз меньше скорости истечения продуктов сгорания из сопла ракетного двигателя. Поэтому приходится во столько же раз увеличивать расход азота по сравнению с расходом жидкого топлива. Но простота и надежность конструкции иногда оправдывают этот недостаток — общий расход газа за время полета, если он продолжается несколько суток, оказывается небольшим. Такие рулевые двигатели иногда называют рулевыми соплами, поскольку все устройство состоит из баллона со сжатым газом, клапана и сопла.

НА ОРБИТУ ПОДВИГОВ И ОТКРЫТИЙ (См. центральный разворот) ,,Приземление» легендарного космического корабля «Восток» на выставке авиационной и космической техники на аэродроме Бурже в Париже и на Выставке достижений народного хозяйства в Москве неизменно оказывалось в центре внимания публики. В истории космонавтики он навсегда останется кораблем, на котором человек впервые вырвался за пределы земной атмосферы и взглянул на нашу планету со стороны. Сейчас на смену «Востоку» пришли более совершенные корабли. 12 октября 1964 года весь мир услышал о старте «Восхода» с экипажем из трех космонавтов, а 18 марта из корабля-спутника «Восход-2» впервые соприкоснулся с космосом Алексей Леонов. «Восток» с честью выполнил свою историческую миссию: он вывел на просторы вселенной первых космопроходцев. Вот почему каждому будет интересно увидеть внутреннее устройство прославленного корабля, изображенного на развороте журнала.

Рис. 1. С помощью рулевых ракетных двигателей космический корабль можно сделать таким же послушным, кик, например, самолет (А — вращение вокруг вертикальной оси, Б — вокруг продольной, В — вокруг поперечной).

Управлять кораблем можно и с помощью маховых масс (рис. 2). Эту идею выдвинул еще К. Э. Циолковский. Внутри, корабля на оси, закрепленной в корпусе и проходящей через центр массы всей системы, установлен маховик. Если вращать его с некоторой угловой скоростью, то космический корабль начнет поворачиваться в противоположную сторону. Но как же маленький маховик (а он обязательно должен быть очень небольшим!) справится с огромной массой космического корабля? На этот вопрос отвечает простая формула , где ω_к и ω_м— угловые скорости корабля и маховика, a J_к и J_м — их моменты инерции. Значит, вращая маленький маховик с большой скоростью, можно медленно поворачивать тяжелый космический корабль вокруг той же оси, но в противоположную сторону.

СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ

Двигаясь по орбите, космический корабль не может сохранить желаемую ориентировку в пространстве: он произвольно вращается вокруг своего центра тяжести. Как сохранить нужную ориентацию неизменной, как стабилизировать положение корабля?

Для этого используются те же системы, о которых мы рассказали в предыдущей главе. Разумеется, с «привлечением» исключительно точной и безотказно действующей автоматики. Приборы улавливают самое незначительное отклонение корабля от заданного программой положения и посылают команды на включение рулевых двигателей или других исполнительных механизмов.

Стабилизация в космосе — сложная и ответственная задача. Полеты советских космических кораблей «Восток» и «Восход» показали, что наша инженерная наука успешно разрешила эту проблему. Но достигнутое не предел, а лишь начало творческого поиска ученых, инженеров, изобретателей...

Представим себе, что строится гигантский межпланетный корабль для полета на Марс. Какую систему стабилизации выбрать для него? Несомненно одно: надо искать новые, более эффективные системы стабилизации. Трудно сказать, к чему приведут эти поиски. Но кое-что уже более или менее очевидно. Например, можно представить себе систему стабилизации в дальнем космическом рейсе с помощью плазменных или ионных двигателей. Подобная установка хорошо показала себя на советском космическом аппарате «Зонд-2».

Ионные и плазменные двигатели дают слабую тягу — всего несколько граммов, но зато сообщают рабочему телу

Рис. 2. Для ориентации космического корабля может быть использована и система маховиков.

очень высокую скорость истечения. Один из американских ионных двигателей, испытанный в полете в июле 1964 года, развивал тягу около 3 г. При этом он расходовал около 0,7 мг паров ртути в секунду. Скорость истечения рабочего тела достигала 40 000 м/сек, то есть примерно в десять раз больше, чем у лучших перспективных жидкостных ракетных двигателей.

СИСТЕМА КОРРЕКТИРОВКИ

Как известно, среднее расстояние между орбитами Земли и Марса — более 70 млн. км. При такой длине маршрута достаточно самой ничтожной погрешности в величине или направлении скорости, чтобы космический корабль на миллионы километров «ушел» в сторону от Марса. А если за свое многомесячное путешествие космонавты пролетят вблизи какого-нибудь астероида и он силой своего притяжения отклонит корабль от трассы? Неужели из-за этого «космического малыша» экспедиция будет обречена на неудачу? Конечно, нет. Система управления должна корректировать трассу корабля. Как? Опять же с помощью ракетных двигателей. Есть и другие способы. Например, «солнечный парус». Он должен быть очень больших размеров — ведь давление света чрезвычайно мало. И тем не менее, изменяя положение паруса, можно изменять величину и направление силы давления лучей света, управляя полетом.

Представьте, что при движении по орбитам вокруг Земли корабль начинает маневрировать: поднимается на более высокую орбиту, изменяет направление полета, снижает высоту орбиты. Все подобные задачи сводятся к одному: надо сообщить кораблю дополнительную скорость.

Допустим, корабль движется вокруг Земли на высоте 180 км со скоростью 7803 м/сек. Пусть космонавт решил подняться на орбиту с высотой 400 км. Для этого космонавт включает двигатель и увеличивает скорость на 64 м/сек. Корабль начинает двигаться уже не по круговой, а по эллиптической орбите и в апогее поднимется на 400 км. Но здесь его скорость окажется меньше круговой: вместо 7675 м/сек всего 7611 м/сек. Значит, корабль не сможет удержаться на этой высоте и снизится до 180 км над поверхностью Земли. Чтобы остаться на круговой орбите на высоте 400 км, космонавт должен в апогее еще раз увеличить скорость на 64 м/сек. (Для того чтобы читатели могли сами рассчитывать маневры космических кораблей, приведем приближенную формулу: ΔН ≈ 3,5. ΔV. Здесь ΔV — прирост скорости в м/сек, а ΔН — увеличение высоты орбиты в противоположной точке траектории в километрах.)

СИСТЕМА ТОРМОЖЕНИЯ И ПРИЗЕМЛЕНИЯ

Задание выполнено. Можно возвращаться на Землю. Как это сделать? Если бы наша планета не имела атмосферы, то для посадки корабля надо было бы всю его скорость — около 7800 м/сек — погасить силой тяги ракетных двигателей. Потребовалась бы мощная многоступенчатая ракета, примерно такая же, как ракета-носитель, выводящая корабль на орбиту. Но у Земли есть воздушная оболочка, и для возвращения корабля достаточно относительно небольшой тормозной установки.

Допустим, что космический корабль движется по эллиптической орбите, близкой к той, по которой летел «Восход». Для простоты расчетов возьмем орбиту с высотой в апогее 400 км и в перигее 170 км (соответственно скорости в апогее и перигее будут 7608 м/сек и 7876 м/сек). Как изменить скорость корабля, летящего по этой орбите, чтобы он снизился, например, до высоты 100 км? Прежде всего надо знать, на какой высоте космонавты решат начать спуск. Возьмем два крайних случая. В апогее тормозные двигатели должны уменьшить скорость всего на 20 м/сек. А в перигее — на 88 м/сек. Получается интересный результат. Оказывается, космическому кораблю, летящему по эллиптической орбите, выгоднее начать спуск не тогда, когда он находится ближе всего к поверхности Земли, а, наоборот, в момент наибольшего удаления от нее. Правда, в этом случае корабль подойдет к заданной высоте с несколько большей скоростью (в нашем примере — на 66 м/сек). Но в плотных слоях атмосферы скорость погасится сопротивлением воздуха, а не ценою расхода топлива.

На космическом корабле «Восход» для полной гарантии перехода с орбиты спутника Земли на траекторию спуска были установлены две тормозные ракетные двигательные установки — основная и резервная. Парашютная система «Восхода» сработала на высоте 5 км при скорости около 220 м/сек. Но скорость парашютирования была все-таки еще велика.

Рис. 3. Сколько потребуется топлива для того, чтобы увеличить или уменьшить скорость космического корабля, например, на 100 м/сек? На это отвечает знаменитая формула Циолковского: примерно на 4% от полного веса корабля. Это еще немного. Но для прироста скорости на 7 км/сек нужно уже 20 — 30%. Необходимое количество топлива зависит еще и от скорости истечения гази (от 2000 до 4000 м/сек). qt — доля топлива в общей массе тормозной установки.

Для мягкой посадки на корабле «Восход» применили систему, состоящую из парашюта и посадочного двигателя. Этот двигатель был включен в непосредственной близости от поверхности Земли. Он погасил скорость, с которой происходил спуск на парашюте, и довел ее до ничтожно малой величины в момент посадки.

Таким образом, ни один шаг космического корабля не обходился без работы ракетных двигателей. Одни, установленные на ступенях ракеты, выводили корабль в космос. С помощью других космонавты управляли своим кораблем. Третьи использовались для торможения на высоте. Четвертые работали в момент посадки.