1. История проблемы выхода на орбиту. Расчет возможности вывода тела на орбиту одним толчком

До возникновения космонавтики в арсенале ученых, изучающих космос, были лишь наблюдения и построенные на их основе не только теории, но и мечты, фантазии, размышления, фантастические романы. Первый фантастический роман о путешествии на Луну был написан в 160 году н.э. греческим софистом (от греч. sophistes -- искусник, мудрец) и сатириком Лукианом Самосатским. Он назвал свою книгу "Истинные истории", но с самого начала предостерег читателя следующими словами : "Я пишу о том, чего я никогда не видел, не испытывал и не узнал от другого, чего нет и не могло быть на свете, и потому мои читатели ни в коем случае не должны верить мне".

Открытия Галилея, Кеплера, Коперника возобновили мечтания о межпланетных путешествиях. Первым следствием было пятикратное переиздание Лукиана на греческом языке. Кеплером книга была переведена на латынь. Первое английское издание Лукиана появилось в 1634 году. В том же году был напечатан посмертно труд Иоганна Кеплера "Сон и астрономия Луны". Книга Кеплера представляет собой фантастическое описание Луны. Наблюдая в телескоп кратеры на Луне, Кеплер предположил, что они искусственного происхождения. Задумываясь о способах перелета на Луну, Кеплер неожиданно открывает пустоту межпланетного пространства, ибо наличие газа (атмосферы) около всех планет и между ними неизбежно бы тормозило движение самих планет. Но отсутствие среды между планетами делает невозможным сам полет к Луне. Единственным способом для этого может быть только мечта (демон науки) -- способ, который не вступал в противоречия с законами природы, поскольку не подчинялся их действию.

Прежде, чем книга Кеплера увидела свет, в Англии появилось еще одно произведение, посвященное путешествию на Луну и озаглавленное " Человек на Луне, или рассказ о путешествии туда". Автором был епископ Фрэнсис Годвин, который являлся последователем Коперника. Он также населял Луну людьми. Через несколько месяцев другой английский епископ Джон Уилкинс выпустил книгу "Рассуждения о новом мире и другой планете", которая целиком посвящена Луне, ее сходству с Землей и вероятности того, что она может быть обитаемой. В переиздании своей книги Джон Уилкинс говорит, что можно построить "летающую колесницу", управляя которой можно достичь Луны. Кстати, после этого Королевское научное общество (Академия наук Англии) решило уделить внимание проблемам воздухоплавания. В 1677-1679 гг., меньше, чем через 50 лет после книги Уилкинса, такая "летающая колесница" была изобретена, хотя и на бумаге, священником-иезуитом Франческо де Лана-Терци -- профессором математики в университете Феррары. Речь шла о шарах, из которых выкачан воздух и которые, тем самым, становились легче воздуха и всплывали в атмосфере.

В 1865 г. в Париже вышла книга Ахилла Эро "Путешествие на Венеру". Эро придумал для своего романа космический корабль, который приводится в движение реактивным двигателем (как ракета для фейерверков, изобретенная китайцами). В плодотворном для нового жанра литературы 1865 году по- явилась книга Жюля Верна "С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут". Люди достигли Луны, сидя в пушечном ядре. Чтобы произвести выстрел таким ядром, необходима огромная пушка. Описанное в романе орудие весило 68000 тонн, длина его составляла 274 метра, диаметр -- 2,7 м, толщина стенок -- 1,8 м. Изготовлено оно было из серого чугуна. В качестве взрывчатого вещества использовался пироксилин в количестве 164000 килограммов. Ученые и инженеры в ХIХ веке показали, что этот проект неосуществим, главным образом, из-за перегрузок, которые убили бы пассажиров. Жюль Верн это понимал. Чтобы облегчить участь путешественников, он делает внутренние стенки снаряда мягкими, а пол -- пружинистым.

В романе Герберта Джорджа Уэллса (1866-1946) " Первые люди на Луне" в качестве двигателя используется материал "кэйворит", экранирующий тяготение. Кстати, на воображение Уэллса сильно повлияла книга Кеплера. В астрономическом романе Б. Красногорского "По волнам эфира" (1913) для полета используется давление солнечного излучения на отражающий экран, установленный на космическом корабле. Современные фантасты придумали еще один способ передвижения в атмосфере и в космосе: неопознанные летающие объекты, летающие тарелки, на которых летают зеленые человечки и пришельцы из других миров. В конце концов, надо признать, что результативность науки и техники все же выше достижений фантастической литературы.

На практике оказалось, что аппаратом, который оторвался от Земли и, поднявшись на сотни километров ввысь, превратился в искусственный спутник Земли, стала ракета. Почему оказались непригодными для этой цели артиллерийский снаряд или самолет? Покажем, что сегодня нельзя использовать артиллерийский снаряд, т.е. выйти в космос одним толчком. Пусть у нас имеется пушка, способная выбросить снаряд с очень большой скоростью, но все же меньшей, чем 11,2 км/с -- скорость убегания для Земли. При строго горизонтальном выстреле снаряд должен долго двигаться в плотных слоях атмосферы и сопротивление воздуха, пропорциональное квадрату скорости, привело бы к снижению его скорости. Это видно из интегрирования уравнения:

m dv/dt = ?kv²

при начальных условиях t = 0, v = v0 .

Разделяя переменные dv/v² = ? k/m dt и интегрируя, получим:

- 1/v = ?k/m + C.

Окончательно находим убывающую функцию от времени:

v = v₀ /(1 + (k/m)v₀t .

Еще Ньютон понимал, что для запуска тела на орбиту вокруг Земли оно должно иметь достаточно большую скорость. Он писал: "Представим себе тела, которые выбрасываются с высокой горы строго горизонтально. Ввиду различных скоростей эти тела будут описывать различные дуги вдоль земной поверхности. Тела смогут двигаться и удаляться от Земли по этим траекториям, подобно тому, как движутся в небе планеты".

При начальных скоростях, меньших, чем первая космическая скорость v₀< v_I = 7, 912 км/с даже при оптимальном угле бросания дальность полета не превысит радиуса Земли R_З = 6371 км. В этом случае снаряд, двигаясь по данной параболе, всегда упадет на Землю. При нулевом угле бросания при начальной скорости v_I = 7, 912 км/с тело будет двигаться вокруг Земли по кругу. Разумеется, на него по-прежнему будет действовать притяжение Земли. Но при такой скорости центробежная сила, выталкивающая его в пространство, в точности уравновешивает силу земного притяжения. Чем выше будет гора, тем начальная круговая скорость будет меньше. Если начальная скорость будет больше v_I = 7, 912 км/с, но меньше так называемой параболической v_II = 11, 2 км/с, то снаряд под действием силы тяжести будет двигаться по эллипсу (траектория ИСЗ). Заметим, что в настоящее время нет пушек, которые смогли бы придать снаряду такую скорость, хотя в военных целях постройка пушек-гигантов предпринималась. Строились дальнобойные пушки, работающие на обычном порохе, хотя пороховые газы могут сообщить снаряду скорость не более чем 2,5 км/с.

Наибольшая скорость главного калибра корабельной артиллерии около 1 км/с при массе снаряда до 1225 кг. Если бы выброшенному снаряду можно было бы дать в полете дополнительный толчок, то он продвинулся бы выше и дальше, но с помощью пушки это сделать нельзя. Первой научной работой, посвященной прямому запуску, когда тело, пробивая атмосферу, выходит в космическое пространство, была, по-видимому, работа К. Э. Циолковского. Исследования по прямому запуску продолжаются. Это новое направление в науке и технике можно назвать пушечной космонавтикой. Расчеты показали, что если вместо пороховых газов снаряд толкать каким-либо легким газом, скажем, водородом, то тогда снаряду можно сообщить скорость 8-12 км/с, а это позволит его использовать в качестве средства доставки грузов на космические станции. Такая доставка грузов, например, воды, обойдется в десятки и даже сотни раз дешевле, чем выполнение подобной же операции " шаттлом". Кроме того, пушку на легком газе можно использовать в противоракетной обороне государств, уничтожая ракеты противника на подлете к охраняемому объекту.

Проведенные в разных странах эксперименты показали, что в будущем легкогазовые пушки позволят выводить на низкие околоземные орбиты до 90% грузов, необходимых для исследования космоса. Это те материалы и приборы, которые без ущерба для себя смогут выдержать ускорение 1500 g . При помощи ЛГ-пушки изучено гиперзвуковое обтекание моделей космических аппаратов в воздухе и газовых смесях, имитирующих атмосферы Марса, Венеры, Юпитера. Получены аэродинамические характеристики тел при таком обтекании. Изучено высокоскоростное соударение тел с преградами из различных материалов, в том числе с горными породами. Эти исследования позволили, выяснить, как шла первоначальная "переработка" пород Земли под ударами метеоритов и астероидов. Имеются и другие способы разгона, например, электромагнитные.