Орбитальная скорость

ВОПРОС: А что, если космический аппарат замедлять при вхождении в атмосферу до скорости всего несколько км/ч при помощи посадочных двигателей, таких же, как у марсохода? Это избавило бы нас от потребности в тепловой защите?

– Брайан

ВОПРОС: Есть ли какой-нибудь способ вернуть космический аппарат в атмосферу, не прибегая к торможению о воздух? Это позволило бы обойтись без дорогой (и относительно ненадежной) теплоизоляции корпуса…

Кристофер Мэллоу

ВОПРОС: Можно ли поднять маленькую ракету с полезной нагрузкой на такую высоту в атмосфере, что для достижения второй космической скорости ей было бы достаточно совсем маленького ракетного двигателя?

– Кенни Ван де Мэле

ОТВЕТ: Все эти вопросы связаны с одной и той же идеей, которую я уже затрагивал раньше, но сейчас хочу остановиться на ней подробнее.

Выйти на орбиту тяжело не потому, что космос очень высоко.

Выйти на орбиту тяжело потому, что лететь надо очень быстро.

Космос выглядит не так:

Изображение в уменьшенном масштабе

Космос выглядит вот так:

Да, разумеется, это изображение в натуральную величину.

Космос находится на расстоянии всего 100 км от земной поверхности. Это далековато – не хотел бы я подниматься туда по лестнице, – но не так чтобы ужасно далеко. Если вы находитесь в Сакраменто, Сиэтле, Калькутте, Хайдарабаде, Пномпене, Каире, Пекине, центральной Японии, в центре Шри-Ланки или в Портленде, то до космоса от вас ближе, чем до моря.

Попасть в космос просто[106]. Конечно, не так чтобы вы могли доехать туда на своей машине, но вообще это совершенно не проблема. Можно доставить человека в космос на ракете размером с телеграфный столб. Самолет-ракетоплан Х-15 оказался в космосе, просто набрав очень большую скорость, а затем направившись вертикально вверх[107],[108].

Сегодня вам удастся попасть в космос…и быстро вернуться обратно

Но легко только попасть в космос. Проблема в том, чтобы там остаться.

Гравитация на околоземной орбите почти равна гравитации на поверхности Земли. Международная космическая станция вовсе не находится за пределами влияния гравитации – она испытывает примерно 90 % той силы, которая воздействует на нас на поверхности.

Чтобы не упасть обратно в атмосферу, станции надо лететь по орбите, причем очень, очень быстро.

Скорость, которая требуется, чтобы остаться на орбите, составляет примерно 8 км в секунду[109]. Лишь малая толика энергии ракеты расходуется на то, чтобы подняться из атмосферы, – большая ее часть тратится на достижение орбитальной (боковой) скорости.

Этот факт подводит нас к основной проблеме орбитальных полетов: достижение орбитальной скорости требует гораздо больше топлива, чем достижение орбитальной высоты. Чтобы разогнать корабль до 8 км/с, требуются очень мощные двигатели и много топлива. Достичь такой скорости и так достаточно сложно; достичь ее с дополнительным грузом топлива, которое позже потребуется для торможения при приземлении – практически нереализуемая задача[110].

Именно с этим невероятным расходом топлива связано то обстоятельство, что каждый космический корабль, входящий в атмосферу, тормозит при помощи тепловой изоляции, а не с помощью ракетных двигателей. Врезаться в воздух – самый практичный способ затормозить. (И возвращаясь к вопросу Брайана – марсоход «Кьюриосити» не был исключением. Хотя этот аппарат и использовал маленькие ракетные двигатели, чтобы «зависнуть» над самой поверхностью планеты, сначала он все же тормозил о марсианский воздух, чтобы сбросить большую часть скорости.)

А что вообще такое 8 км/с? Насколько это быстро?

Думаю, что одна из причин некоторого недопонимания в вопросе космических скоростей заключается в оптической иллюзии: когда мы видим съемку астронавтов на орбите, нет ощущения, что они так уж быстро двигаются, – кажется, будто они медленно парят над красивым голубым шаром. Но 8 км/с – это огромная скорость. Если вы посмотрите в небо незадолго до заката, иногда можно увидеть, как мимо проплывает МКС… а затем, спустя полтора часа, вы снова увидите, как она пролетает над вами[111]. За эти 90 минут станция облетела весь земной шар.

МКС движется так быстро, что, если бы вы выстрелили из ружья, стоя на краю футбольного поля, то станция пролетела бы до другого конца поля прежде, чем ваша пуля пролетела бы 9 метров.

Давайте представим себе, как бы это выглядело, если бы вы обходили Землю спортивным шагом на скорости 8 км/с.

Для большей наглядности в представлении скорости вашего путешествия давайте использовать музыку, чтобы отмечать течение времени[112]. Предположим, вы включили песню I’m Gonna Be 500 Miles («Я прошел бы 500 миль»), записанную группой The Proclaimers в 1988 году. Темп этой песни – примерно 131,9 удара в минуту, так что представьте себе, что с каждым ударом вы перемещаетесь на 3,6 км вперед. За то время, которое потребуется, чтобы спеть первую строчку припева, можно пройти от статуи Свободы до Бронкса.

Вы будете перемещаться со скоростью при мерно 15 станций метро в минуту.

Потребуется меньше трех строчек припева (16 ударов), чтобы пересечь пролив Ла-Манш.

Кстати, продолжительность этой песни связана с любопытным совпадением. Песня I’m Gonna Be… длится 3 минуты и 30 секунд, а МКС движется со скоростью 7,66 км/с. Это значит, что, если астронавт на МКС слушает эту песню, то за время, пока она звучит…

…он пролетит почти 1000 миль.