"Знание - сила" №10 1968 год
И опять — в который уж раз! — телетайпы всех мировых агентств печати перешли на красный цвет: «Молния» из Москвы! Космическая станция «Зонд-5» обогнула Луну и вернулась на Землю со второй космической скоростью».
По просьбе нашего корреспондента это выдающееся событие прокомментировали доктор технических наук профессор С. В. Пинегин и доктор физико-математических наук профессор В. В. Добронравов.
ВОКРУГ ЛУНЫ
«Какие общие черты и в чем отличия полета станции «Зонд-5» от других станций типа «Луна», также огибавших нашу спутницу?» На этот вопрос отвечает доктор технических наук, профессор С.В.Пинегин.
Прежде всего нужно напомнить, что «Зонд-5», - третья советская космическая станция, обогнувшая Луну и вернувшаяся к Земле.
Первой была «Луна-3», запущенная в октябре 1959 года. Она облетела Луну 6 октября с минимальным расстоянием около 6000 километров от поверхности. Это был первый в истории человечества облет нашего ночного светила. Далее станция вернулась к Земле, но не вошла в атмосферу, а как было предусмотрено, программой полета, прошла на расстоянии нескольких тысяч километров от Земли. Это было сделано для того, чтобы станция могла без помех передать фотоснимки обратной стороны Луны. После этого станция стала искусственным спутником Земли и после 11—12 витков вошла в атмосферу и сгорела. В те годы мы еще не могли обеспечить возвращение на Землю не только со второй космической скоростью, но даже и с первой космической. Впервые в мире вернулся на Землю с орбиты второй советский корабль-спутник с собаками Белкой и Стрелкой. Но для этого должен был пройти еще целый год.
Второй исследовательской станцией, обогнувшей Луну, была «Луна-4». Она прошла в 8500 километрах от лунных кратеров 6 апреля 1963 года, после чего опять-таки превратилась в искусственный спутник Земли. Правда, впоследствии, в результате влияния Солнца, «Луна-4» стала искусственной планетой. Она движется по орбите, очень близкой к орбите Земли. Огибала Луну станция на значительном удалении, гораздо большем, нежели «Луна-3».
Зато «Зонд-5» прошел буквально «впритирку» к Луне, всего в 1900 километрах. Точность воистину ювелирная! Особенно, если учесть, что управление аппаратом велось на расстоянии около 400 тысяч километров. Мне, как механику, особенно приятно отметить высокую точность работы и надежность механизмов станции.
По сути, все три станции можно назвать также и искусственными спутниками Земли, но летящими по очень вытянутым эллипсам, тогда как «обычные» спутники движутся по орбитам, близким к круговым. Максимальная точка удаления — апогей — «Луны-3» равнялся 480 000 километров от центра Земли, «Луны-4» — 700 000 километров. Спутником стал бы и «Зонд-5», если бы на обратном пути (впрочем, так же, как и на пути к Луне) не была произведена коррекция траектории. Коррекция эта проводилась, когда «Зонд-5» был уже в 143 000 километров от Земли.
А теперь представьте, что вам дают винтовку и предлагают попасть в глаз мухе, сидящей в сотне метров, на стене соседнего дома. Даже не в глаз, а в саму муху. Думается, каким бы вы ни были чемпионом, вы откажетесь стрелять на таких условиях. А ведь это — подобие того, что должны были сделать люди, управляющие движением «Зонда-5». Ведь на таком громадном расстоянии требовалось попасть в «коридор» диаметром 10—13 километров! Ошибиться не более, чем на 0,014 процента!
Вот именно эта удивительная точность управления и является тем главным, что отличало полет «Зонда-5» от полетов станций «Луна».
ВОЗВРАЩЕНИЕ СО ВТОРОЙ КОСМИЧЕСКОЙ!
«Какие трудности подстерегают при решении этой проблемы?» - с таким вопросом редакция обратилась к доктору физико-математических наук, профессору В. В. Добронравову.
Чтобы забросить в район Луны космическую станцию, нужно затратить немало энергии. Но энергия неуничтожима. Ракета вернется к Земле с той же скоростью, с какой она была запущена. И чтобы посадить аппарат на Землю, нужно эту кинетическую энергию куда-то деть. В этом, собственно, и заключается проблема торможения и посадки.
На Земле, притормаживая автомобиль у перекрестка, шофер тем или иным способом заставляет тормозные колодки прижаться и барабанам колес. Кинетическая энергия мчащегося самосвала с помощью трения превращается в тепло.
В космосе нет дороги, у космического экипажа нет колес. Приходится тормозить либо реактивным двигателем, противопоставляя кинетической энергии аппарата кинетическую энергию раскаленных газов, вырывающихся из сопла двигателя, либо прибегая и естественной «тормозной подушке» — атмосфере.
Вырвавшись на гигантской скорости — 8 километров в секунду — в атмосферу, спутник или космический корабль порождает перед собой мощную ударную волну. Сжатый в этой волне воздух раскаляется до 7—8 тысяч градусов. Энергия искусственного космического тела переходит в тепло.
Эта энергия колоссальна. Каждый килограмм веса космического аппарата, возвращающегося на Землю, «запасает» ее в таком количестве, что если бы всю ее превратить в тепло, можно было бы за секунду нагреть до нескольких тысяч градусов сто килограммов металла! Нет материала, способного выдержать подобную температуру. Если вся эта энергия обрушится на аппарат, он мгновенно расплавится. Но спутники и космические корабли, а теперь вот и «Зонд-5» благополучно возвращаются. Что же ограждает их от фантастического потока тепла?
Как ни странно, известную помощь оказывает сама ударная волна. Она не плотно прижата к корпусу аппарата, а несколько отстоит от него. Этот «отход» зависит от формы корпуса, от того, есть ли на нем выступы, острые углы и так далее. Отход волны очень хорошо виден на фотографиях, которые получают в так называемых ударных трубах. В этих трубах особыми методами газ разгоняют до огромных скоростей и фотографируют теневым методом ударные волны, образующиеся при обтекании воздухом или другим газом какого-либо предмета. Если в поток газа поместить шар, волна отойдет приблизительно на 0,1 его диаметра. А между волной и шаром окажется область, в которой давление ниже, чем в ударной волне. Такая же картина будет наблюдаться, надо полагать, и в случае, когда не газ сталкивается с телом, а наоборот, тело, наш космический корабль, сталкивается с газом.
Теплопроводность разреженного газа невелика. Поэтому лишь около одного процента тепловой энергии волны передается корпусу аппарата. Как будто не так уж много. Однако не забывайте, что энергия колоссальна, и вследствие этого даже одна сотая ее - тепловой поток огромной мощности. Защититься от него можно, только принимая особые меры.
Массивный кусок металла можно докрасна нагреть с одного конца, и все-таки держаться за противоположный конец голыми руками. Казалось бы, можно построить тепловую защиту именно на этом принципе: сделать корпус аппарата массивным. Пока он прогреется, пока тепло дойдет до внутреннего отсека, посадка может быть уже совершена.
Так защищали от нагрева свои снаряды марсиане в романе Герберта Уэллса «Борьба миров».
Но расчеты свидетельствуют не в пользу этого, слов нет, простого метода. Максимальное количество тепла, которое способен поглотить килограмм самого теплоемкого металла, не превосходит 55,6 килокалории. Кинетическая же энергия килограмма космического аппарата, летящего со второй космической скоростью, достигает сотен тысяч килокалорий!
Гораздо выгоднее дать небольшому слою защитной оболочки просто сгореть. Даже не сгореть, а испариться! На испарение тратится гораздо больше тепла, чем может поглотить его массивная стенка. Некоторые виды пластмасс, например, способны, испаряясь, отвести от корпуса аппарата до 2800 килокалорий на килограмм испарившегося материала. На такой основе уже можно создавать надежные теплозащитные экраны.
Дополнительное преимущество пластмасс — низкая теплопроводность. Снаружи бушует пламя — приборы за защитной стенкой чувствуют себя вполне сносно. А специальные материалы тепловой защиты «Зонда-5» обеспечили полную сохранность приборов и той информации, которую они накопили.
Но все меры защиты окажутся ненужными, если система управления аппаратом не сможет направить его в так называемый «коридор входа».
Он и в самом деле напоминает коридор: узкая полоска атмосферы толщиной около двадцати километров. Траектория аппарата не имеет права выйти за его пределы. Если это случится, то в лучшем случае приземление (или приводнение) произойдет далеко от расчетной точки, и придется затратить немало сил, чтобы обнаружить «заблудившегося» путешественника.
А может случиться и так, что аппарат проскочит мимо Земли или, наоборот, снизится с такой стремительностью, что перегрузки и тепловые нагрузки превзойдут максимально допустимые и аппаратура космической станции выйдет из строя. И в том, и в другом случае — потеря бесценной информации.
Достойна восхищения точность, с которой «Зоид-5» вошел в это своеобразное «игольное ушко». Космическая станция приводнилась в намеченном районе, так что корабли могли быстро ее обнаружить. Пожалуй, уместно вспомнить, что это уже не первый опыт чрезвычайно точного наведения. Посадка на Землю советских космических кораблей и спутников, мягкая посадка исследовательских станций «Луна» на Луну, спуск автоматического разведчика на парашюте в атмосфере Венеры. — все это требовало раз от разу все более высокой четкости работы всех систем наведения. И вот теперь — «Зонд-5». Закономерный, триумфальный успех!