Таблица 2.6. Значения первой и второй космических скоростей для небесных тел Солнечной системы

Искусственные тела Солнечной системы

Искусственные тела Солнечной системы — искусственные спутники Земли, Луны и других планет, автоматические межпланетные станции и пилотируемые космические аппараты.

Для выведения всех искусственных объектов в околоземное и межпланетное пространство необходимо придание им соответствующих космических скоростей.

Космические скорости — характерные критические скорости движения космических объектов в гравитационных полях небесных тел и их систем.

Именно от скорости, а не массы запускаемого тела, зависят форма траектории полета космического аппарата и возможность преодоления силы притяжения планеты или иного космического тела (рис. 2.39). Различают четыре космические скорости.

Рис. 2.39.Зависимость формы орбит искусственных небесных тел от скорости

Запуск искусственных небесных тел производится в настоящее время при помощи многоступенчатых ракет, последние ступени которых содержат запускаемый объект. Это может быть или контейнер большего или меньшего размера с научной аппаратурой, или же целый космический корабль, на борту которого находится космонавт. После старта ракета движется некоторое время за счет тяги, создаваемой ее двигателями. На этом активном участке траектории ракеты мы имеем дело еще не с искусственным небесным телом, а просто с реактивным летательным аппаратом.

Первая космическая скорость — минимальная начальная скорость, которую нужно сообщить телу, чтобы оно стало искусственным спутником планеты, т.е. двигалось бы вокруг нее по круговой орбите на небольшой высоте.

Первая космическая скорость для орбиты, расположенной вблизи поверхности Земли, составляет 7,91 км/с. Впервые такая скорость была достигнута советским космическим аппаратом 4 октября 1957 г. При меньшей скорости запущенное тело упадет обратно на Землю, при большей, чем первая космическая, и меньшей, чем вторая космическая, будет вращаться вокруг Земли по эллиптической орбите. Сейчас на орбитах разной высоты движется около 1500 работающих спутников различного назначения с удалением от поверхности Земли 160…36000 км.

Метеорологические спутники помогают метеорологам прогнозировать погоду или видеть, что происходит на данный момент с атмосферой Земли. Спутники связи необходимы для передачи информации по различным каналам, они обычно выступают как ретрансляторы, т.е. принимают сигналы из одного места на поверхности Земли и передают его в другое место. Широковещательные спутники передают телевизионные сигналы от одной точки к другой (аналогично спутникам связи). Научные спутники, такие как космический телескоп «Хаббл», выполняют всевозможные научные миссии, наблюдая за солнечной активностью, фиксируя все виды электромагнитных волн. Навигационные спутники помогают кораблям и самолетам определять свое положение в пространстве и осуществлять перемещение. Спутники наблюдения Земли проверяют планету на предмет изменений во всем: от температуры, роста растительности до изменения площади ледяного покрова. Военные спутники Земли находятся на орбите, но бо́льшая часть фактической информации об их положении остается секретной. Эти спутники могут осуществлять ретрансляцию зашифрованной связи, ядерный мониторинг, наблюдение за передвижениями противника, раннее предупреждение о запуске ракет, подслушивание наземных радиолиний, радиолокационную визуализацию и фотографирование (с использованием, по сути, больших телескопов, которые фотографируют интересные в военном отношении области). Некоторые спутники движутся по геостационарным орбитам, особенностью которых является постоянное нахождение спутника над одной точкой земного шара. Часть спутников имеет несколько целей.

К сожалению, число движущихся объектов на орбите во много раз превышает количество фактически работающих спутников, в основном они представляют собой всевозможный космический мусор (разбившиеся, отработанные, потерянные искусственные объекты). Зафиксированы случаи столкновений и разрушений нормально функционирующих аппаратов с этими кусками металла. В будущем проблему утилизации космического мусора еще придется решать.

Гравитация на орбите почти так же сильна, как и на поверхности Земли, поэтому движение спутников вокруг планеты — это постоянное падение. Все дело в скорости. Они летят ровно с той скоростью (7,9 км/с — для низкоорбитальных спутников), чтобы постоянно падать вдоль изгиба Земли. Если скорость снизится, спутники упадут на Землю, если повысится — улетят в космос.

Вторая космическая скорость — минимальная скорость, которую нужно сообщить телу, чтобы, преодолев силу притяжения планеты (или другого космического тела), оно по параболической траектории навсегда покинуло ее ближайшее пространство.

Для Земли значение второй космической скорости составляет 11,2 км/с, с такой скоростью тело покидает окрестности Земли и становится спутником Солнца. Вторая космическая скорость впервые была достигнута советским космическим аппаратом «Луна-1» 2 января 1959 г. (рис. 2.40). Значения первой и второй космических скоростей для различных небесных тел приведены в табл. 2.6.

Рис. 2.40.Советская автоматическая межпланетная станция «Луна-1» была предназначена для изучения Луны и космического пространства

Таблица 2.6. Значения первой и второй космических скоростей для небесных тел Солнечной системы

Небесное тело

Масса тела (по отношению к массе Земли)

Первая космическая скорость, км/с

Вторая космическая скорость, км/с

Луна

0,0123

1,680

2,4

Меркурий

0,0553

3,05

4,3

Венера

0,815

7,356

10,4

Земля

7,91

11,2

Марс

0,107

3,546

5,0

Юпитер

317,8

59,5

Сатурн

95,2

35,5

Уран

14,5

15,6

21,3

Нептун

17,1

16,7

23,5

Солнце

333 000

436,7

617,7

Третья космическая скорость — минимальная скорость, которую необходимо сообщить находящемуся вблизи поверхности Земли телу, чтобы оно могло преодолеть притяжение Земли и Солнца и покинуть пределы Солнечной системы.

При старте с Земли космический аппарат может достичь третьей космической скорости при благоприятных условиях уже при 16,7 км/с относительно Земли. Наиболее энергетически выгодный старт для достижения третьей космической скорости должен осуществляться вблизи экватора, движение тела должно быть сонаправлено осевому вращению Земли и орбитальному движению Земли вокруг Солнца.

Ни один космический аппарат не покидал окрестностей Земли с третьей космической скоростью. Наибольшей скоростью старта с Земли пока обладал только космический аппарат НАСА «Новые горизонты» — 16,21 км/с. За счет гравитационного маневра (состоявшего в изменении скорости и орбиты движущегося аппарата только под действием гравитации при сближении с другими планетами) достигли третьей космической скорости и уже покинули Солнечную систему «Вояджер-1», «Вояджер-2», «Пионер-10» и «Пионер-11», однако их первоначальные скорости были существенно меньше третьей космической. Траектория аппарата, достигшего третьей космической скорости, становится гиперболической.

Когда космический аппарат пролетает рядом с планетой, та замедляется, поскольку он слегка ее тормозит одним своим присутствием. Когда космический аппарат «Вояджер-1» пролетал рядом с Юпитером, он ускорился на 16 км/с, а скорость планеты снизилась на 0,00000000000000000001 м/с.

Для исследования планет, комет и астероидов Солнечной системы было запущено более 225 межпланетных космических аппаратов (см. подразд. 1.5):

к Меркурию — 2;
Венере — 33;
Луне — 97 автоматических и 9 пилотируемых кораблей;
Марсу — 46;
Юпитеру — 9;
Сатурну — 4;
Урану — 1;
Нептуну — 1;
Плутону — 1;
Церере — 1;
астероидам и кометам — 24.

Первой автоматической межпланетной станцией, запущенной для исследования дальних планет Солнечной системы и в перспективе выхода за ее пределы, был «Пионер-10». Его запуск состоялся в 1972 г. На корпусе аппарата «Пионер-10» была установлена анодированная пластинка из прочного алюминиевого сплава (рис. 2.41). Размер пластинки 220 × 152 мм. Автором рисунка является знаменитый американский астрофизик Карл Саган. На пластинке изображены: молекула нейтрального водорода; две человеческие фигуры, мужчины и женщины, на фоне контура аппарата; положение Солнца относительно центра Галактики и 14 пульсаров; схематическое изображение Солнечной системы и траектория аппарата относительно планет.

Рис. 2.41.Пластинка из анодированного алюминия на борту космического аппарата «Пионер-10»

Одним из самых успешных и результативных в истории межпланетных исследований является проект по исследованию дальних планет Солнечной системы двумя американскими космическими аппаратами, запущенными в 1977 г., — «Вояджер-1» (рис. 2.42) и «Вояджер-2». Оба аппарата впервые передали качественные снимки Юпитера и Сатурна, а «Вояджер-2» впервые достиг Урана и Нептуна. Аппараты этой серии — это высокоавтономные роботы, оснащенные научными приборами для исследования внешних планет, а также собственными энергетическими установками, ракетными двигателями, компьютерами, системами радиосвязи и управления. Общая масса каждого аппарата — около 721 кг.

Рис. 2.42. Космический аппарат «Вояджер-1»

К борту каждого «Вояджера» прикрепили круглую алюминиевую коробку, положив туда позолоченный видеодиск. На диске 115 слайдов, на которых собраны важнейшие научные данные, виды Земли, ее континентов, различные ландшафты, сцены из жизни животных и человека, их анатомическое строение и биохимическая структура, включая молекулу ДНК. В двоичном коде сделаны необходимые разъяснения и указано местоположение Солнечной системы относительно 14 мощных пульсаров. Кроме изображений на диске записаны и звуки: шепот матери и плач ребенка, голоса птиц и зверей, шум ветра и дождя, грохот вулканов и землетрясений, шуршание песка и океанский прибой. Человеческая речь представлена на диске короткими приветствиями на 55 языках народов мира.

«Вояджер-1» стал первым в истории аппаратом, достигшим границ Солнечной системы и вышедшим за ее пределы, поскольку в 1998 г. он обогнал «Пионер-10», запущенный раньше. Даже на этих огромных расстояниях космические аппараты сохраняли связь с Землей и передавали ценнейшие научные данные. Следующий важный шаг в изучении наиболее удаленных областей Солнечной системы должна сделать автоматическая межпланетная станция «Новые горизонты», запущенная в 2006 г. и успешно выполнившая научную программу во время пролета мимо Плутона и Харона в 2015 г. (рис. 2.43).

Рис. 2.43.Автоматическая межпланетная станция НАСА «Новые горизонты» (New Horizons), предназначена для изучения Плутона, его естественного спутника Харона и объектов пояса Койпера

Четвертая космическая скорость — минимально необходимая скорость тела, позволяющая преодолеть притяжение галактики в данной точке.

Четвертая космическая скорость не постоянна для всех точек галактики, а зависит от координаты. По оценкам ученых, в районе нашего Солнца четвертая космическая скорость составляет около 550 км/с.

Резюме. При достижении критической скорости тело способно покинуть притяжение Земли и в зависимости от величины набранной скорости или стать искусственным спутником Земли, или отправиться к другим планетам и даже звездным системам. Информацию об окружающих нас космических телах успешно передают автоматические межпланетные станции. Дистанционно управляемые космические зонды пролетали вблизи всех планет Солнечной системы — от Меркурия до Нептуна, вблизи их спутников, астероидов и комет, четыре аппарата покинули пределы Солнечной системы. И хотя пилотируемых человеком миссий, кроме лунных, пока не было, успехи в освоении космического пространства позволяют надеяться на колонизацию человечеством других частей Солнечной системы в недалеком будущем.

Контрольные вопросы

1. Какие скорости называют первой, второй, третьей и четвертой космической?

2. Чему равны космические скорости для Земли?

3. Как меняются значения первой и второй космических скоростей у различных тел Солнечной системы?

4. Какие космические аппараты вышли за пределы Солнечной системы?

5. К каким телам Солнечной системы было отправлено больше автоматических межпланетных станций? Почему?

6. Какие объекты в нашей Солнечной системе наиболее перспективны для колонизации? Почему?

Задание для самостоятельной работы

Составьте список и краткую характеристику основных факторов, определяющих проектирование спутников связи.

Темы докладов

1. Загрязнение космического пространства.

2. Современные космические спутники связи и спутниковые системы.

3. Проекты будущих межпланетных перелетов.