«Знание - сила» №11 1959 год

Моей специальностью является отдел астрономии, носящий горделивое название «небесная механика». Эта наука занимается изучением и расчетами различных движений всевозможных небесных тел: Земли, Луны, других планет солнечной системы, комет, метеоров, звезд и т. п.

До недавнего прошлого небесная механика занималась естественными небесными телами, с незапамятных времен плавающими в космических пространствах. Но вот два года назад был запущен первый советский искусственный спутник Земли. В космосе появилось первое искусственное небесное тело. Потом были запущены другие спутники — не только Земли, но и Солнца. Число искусственных небесных тел стало быстро увеличиваться. Наконец полетели в космос наш знаменитый Лунник-2 и автоматическая межпланетная станция.

Появление искусственных небесных тел, сделанных целиком человеческими руками и осуществляющими определенные, предписанные человеком программы научных исследований, вызвало к жизни новый раздел небесной механики. Встала задача — найти способы быстрого и точного расчета движений искусственных небесных тел.

Как же производятся такие расчеты?

Чтобы лучше понять основу этого дела, представим себе сначала, что мы сидим на морском или речном берегу и забавляемся игрой, которую одинаково любят и дети и взрослые: бросаем камешки в цель, например, в лежащий на берегу большой камень. Мы знаем, что не так-то легко сразу попасть в цель, но при некоторой сноровке и после ряда попыток обыкновенно мы в цель попадем, чем и будем очень довольны. Бросая много раз подряд камешки в нашу цель, мы заметим, что на удачное попадание существенно влияет и сила, с которой мы бросаем камень, и направление, которое мы стараемся придать его полету. Мы заметим также, что даже небольшое изменение в скорости или в ее направлении (которое зависит от нас — от силы нашей руки и от верности нашего глаза) может значительно изменить полет брошенного камня, так что камень может дать, как говорят артиллеристы, или недолет, или перелет, или вообще сильное уклонение в сторону.

Аналогично происходит дело при стрельбе из пистолета, винтовки или пушки. Попадание в цель и здесь сильно зависит от величины и направления скорости бросания. Для попадания требуется или длительная тренировка, или необходимость точного расчета, который производится по правилам механики при помощи различных математических вычислений.

Вообразите теперь, что ваша цель не остается неподвижной, а двигается сама по какой-либо, не зависящей от вас причине.

Пусть, например, эта цель — дощечка, плывущая по воле волн и ветра. Вы немедленно убедитесь, что в такую цель попасть еще труднее, и трудность попадания будет тем больше, чем быстрее плывет по воде ваша дощечка.

Еще труднее, как вам скажет любой артиллерист, попасть снарядом из зенитной пушки в быстро и высоко летящий вражеский самолет. Здесь необходим еще более точный расчет, здесь еще чаще небольшое изменение в величине или направлении скорости бросаемого снаряда ведет к промаху.

Наконец наибольшие трудности в расчетах создаст стрельба из орудия, которое само движется (такова, например, корабельная пушка), по движущейся цели.

Кроме того, при стрельбе из орудий приходится принимать во внимание много существующих и даже возможных влияний на полет снаряда: сопротивление воздуха, неточности обточки снаряда и т. п. Все это вместе взятое создает значительные трудности при математических расчетах прицела, требует точной математической теории, а часто и специальных приборов или машин.

Но вернемся теперь к Луне, на которую была запущена космическая ракета. Для того чтобы ракета попала на Луну, нужно выполнить точнейший расчет, подобный расчету движения артиллерийского снаряда. При этом нужно учесть, что и сам «корабль», с которого мы бросаем ракету, т. е. наша Земля, довольно быстро движется в мировом пространстве, описывая вокруг Солнца почти круговой путь в течение года, и что цель — Луна — также довольно быстро движется вокруг Земли, описывая тоже почти круговой путь в течение месяца.

Кроме того, для точного расчета пути, или траектории, космического снаряда-ракеты необходимо принимать во внимание, что форма Земли отличается от формы шара, что на движение ракеты, кроме сил притяжения Земли и Луны, влияет также сила притяжения Солнца и многое другое.

Небезынтересно напомнить некоторые числовые данные, касающиеся расчета полета нашего Лунника-2.

Прежде всего — несколько сведений о движении Луны.

Как уже было отмечено, Луна движется вокруг Земли почти по круговой орбите, совершая каждый свой оборот примерно за 27,3 суток. Плоскость орбиты Луны не совпадает с плоскостью экватора Земли и наклонена к ней под углом около 18 градусов. Расстояние Луны от Земли составляет в среднем 384 386 километров, причем наименьшее расстояние (в перигее орбиты) равно 356 400 километрам, а наибольшее (в апогее орбиты) — 406 670 километрам. Скорость движения Луны по ее орбите равна примерно 1 километру в секунду, т. е. 3600 километрам в час. С такой скоростью не летают еще самые скоростные реактивные самолеты! При этом надо еще учесть, что скорость движения Земли по ее орбите вокруг Солнца равна примерно 30 километрам в секунду, так что нужно «стрелять» ракетой с весьма быстро движущейся планеты по движущейся вокруг нее тоже довольно быстро цели — Луне.

Эти обстоятельства создают неизмеримо большие трудности расчета, чем, скажем, для стрельбы с корабля и создают еще большие возможности для промаха. Поэтому здесь расчет должен быть еще более точным и тщательным.

Траектория полета ракеты к Луне состоит из двух частей: из участка разгона, на котором при помощи реактивных двигателей ракете сообщается необходимая скорость и устанавливается нужное направление, и из участка свободного полета, подобного полету снаряда, выстреленного из пушки.

Первый участок требует специального, весьма сложного расчета, учитывающего уменьшение массы ракеты, смещение ее центра тяжести и многие другие специфические особенности.

На всем протяжении этого участка работают двигатели и действует система управления по радио. Для того чтобы ракета не промахнулась, чтобы она действительно попала на Луну, величина и направление скорости в конце разгонного участка должны быть выдержаны очень точно. Ошибка всего в один метр в секунду приводит к отклонению точки встречи с Луной на 250 километров! А отклонение направления от расчетного на угол, равный одной угловой минуте (в угловом градусе 60 угловых минут), вызывает смещение точки встречи на 200 километров.

Учитывая, что радиус Луны равен 1740 километрам, мы найдем, что для надежного попадания в Луну ошибка в скорости должна быть не больше нескольких метров в секунду, а отклонение направления от расчетного не должно превышать одной десятой градуса, или 6 угловых минут.

Необходимо также весьма точно выдержать расчетное время старта ракеты, так как плоскость траектории ракеты поворачивается вместе с Землей при ее суточном вращении вокруг своей оси. Оказывается, что отклонение времени старта всего на 10 секунд вызывает смещение точки встречи с поверхностью Луны на 200 километров. Старт второй советской космической ракеты осуществлен с отклонением всего около одной секунды от расчетного времени. В конце первого участка ракета развила скорость примерно в 11,2 километра в секунду.

Второй участок — участок свободного полета — рассчитывается по обычным правилам небесной механики, так как ракета, движущаяся в межпланетном пространстве, является, как уже было сказано, искусственным небесным телом.

Гиперболическая траектория полета ракеты была очень сильно вытянута, так что представляла почти прямую линию.

По мере удаления ракеты от Земли ее скорость постепенно уменьшалась до величины около 2 километров в секунду. А потом из-за увеличивающегося притяжения Луны скорость ракеты стала возрастать и к моменту прилунения достигла 3,3 километра в секунду.

Слов нет, нелегко послать ракету на Луну. Но, пожалуй еще сложнее забросить «космический бумеранг» — межпланетную станцию, которая должна облететь Луну, а потом вращаться вокруг Земли. Мы знаем, что и эта задача с честью выполнена советскими учеными. Автоматическая межпланетная станция обогнула Луну, пролетела всего в семи тысячах километров над той ее стороной, которую никогда не видел глаз человека, сфотографировала эту таинственную половину лунного шара и потом устремилась обратно к Земле, чтобы описать вокруг нее вытянутую эллиптическую орбиту. Какой восторг это вызвало во всем мире! Наименьшее расстояние межпланетной станции от нашей планеты составит сорок тысяч километров, а наибольшее — четыреста восемьдесят тысяч, то есть несколько больше расстояния от Земли до Луны. Движение станции, конечно, подчиняется правилам и законам небесной механики. Поэтому мы можем уверенно сказать, что ее эллиптическая орбита не останется неизменной. На нее повлияет притяжение Луны, а также Солнца и других планет. Окажет воздействие даже «сплюснутость» Земли, особенно когда ракета будет проходить близко от нашей планеты.

Успешный запуск ракеты на Луну, создание автоматической межпланетной станции — важнейшие шаги на пути исследования космоса. Это — начало мирного завоевания человеком Вселенной.

Новость за новостью, сенсация за сенсацией знаменуют начало космической эры. Весть о том, что автоматическая межпланетная станция сфотографировала невидимую часть лунного шара, буквально потрясла мир. Не было еще такого триумфа науки.

Удивительная, поистине сказочная автоматика Лунника-3, послушно выполняя команды человека, находящегося на Земле, «ухватилась» за солнечный луч, повернула станцию к таинственной, невидимой с Земли половине лунного шара, а затем держала ее в таком положении, при котором объективы фотоаппаратов глядели на Луну. Защелкали затворы, потянулась лента фотопленки. Кадр за кадром были запечатлены подробности прежде неведомого и недоступного. Потом — автоматическая проявка пленки. Проявка совершенно особая, мало похожая на труд земного фотографа. Она велась в условиях невесомости, когда жидкости не льются; когда ни к чему не приводит традиционное покачивание кюветов. А дальше настала очередь передачи на Землю драгоценных изображений. Начал работать портативный, предельно экономичный и легкий телевизионный передатчик. Почти все в нем на полупроводниках, этих изумительных кристаллах, пришедших на смену капризным и хрупким радиолампам.

— Тонкий луч просвечивает негатив, вычерчивая на нем до тысячи строк. Тысяча строк! Ни одна из земных телевизионных станций не дает столь высокой четкости. И вот электрические сигналы, несущие в себе подробности загадочного пейзажа навсегда отвернутой от нас стороны Луны, мчатся к Земле. Ничтожные по мощности, они преодолеют колоссальное расстояние. Шутка сказать: доходящая до Земли часть мощности этой космической телевизионной передачи в сто миллионов раз меньше средней мощности, улавливаемой обычным телевизором. Вспомните к тому же другое: наши земные телевизоры принимают программы не намного дальше, чем в пределах прямой видимости, в 60-100 километрах от передатчика. Дальность в сотни километров считается рекордной, в тысячи — редкой случайностью. А здесь — десятки тысяч и даже сотни тысяч километров!

Можно представить себе, насколько трудно поймать эту почти неуловимую телевизионную программу, очистить ее от шумов и помех, расшифровать. Гигантские антенны вбирали в себя космические видеосигналы, одновременно действовало несколько разных приемных устройств. Изображения фиксировались на фотопленку, на магнитную ленту, на фотохимическую бумагу. И необыкновенный прием блестяще удался!

С газетных страниц глядит на вас лунный пейзаж. Непривычно и радостно звучат названия: хребет Советский, кратер Циолковский, кратер Ломоносов, кратер Жолио-Кюри, море Москвы, залив Астронавтов. Множество деталей еще ждут расшифровки, но и прояснилось немало. Та сторона Луны имеет неожиданно мало ровных низменных областей — морей. Зато на ней гораздо больше гор. Явная ассиметрия строения лунной поверхности! Чем объяснить ее? Это — научная проблема, над которой начали думать физики и астрономы. Ведь и Земля ассиметрична. Не связаны ли эти факты? Не кроется ли в них разгадка происхождения нашей планеты и ее спутника?

В летопись науки вписаны новые страницы. И вместе с тем открылись новые тайны, ждущие разгадки.

Советские люди свершили еще один величайший подвиг в истории знания. Получил крещение замечательный метод исследования мира вне Земли. А впереди? Марс, Венера, другие планеты Солнечной системы! Настанет день, когда мы увидим и их фотографии.

Увидеть невидимое, познать скрытое и недоступное, подчинить себе силы стихии — вот великие цели, к которым идет и которых достигает наука первой в мире страны социализма.