Развитие и устройство космических аппаратов

Со времени запуска 4 октября 1957 г. первого советского искусственного спутника на орбиту вокруг Земли запущены сотни искусственных спутников. СССР и США послали автоматические научно-исследовательские станции на орбиты вокруг Луны, Марса и Венеры или с мягкой посадкой на них. Другие планеты изучались с близкого расстояния с помощью автоматических космических аппаратов. Огромное значение имело посещение человеком Луны, и есть основания полагать, что к концу нынешнего столетия будет исследована вся Солнечная система, но автоматическими межпланетными научно-исследовательскими станциями.

Полет в космос. Для исследования космоса надо не просто поднять космические аппараты, но и вырвать их из «гравитационных объятий» Земли со скоростью 11,2 км/с (около 40 ООО км/ч), которая в космонавтике называется второй космической скоростью.

Все космические аппараты выводятся на околоземную орбиту или посылаются к Луне и другим планетам мощными ракетами-носителями. С помощью показан ной здесь ракеты была запущена американская автоматическая межпланетная станция «Маринер-9»

С Земли космический корабль стартует на первой ступени ракеты [1]. Вторая ступень доставляет его к границе атмосферы, а на орбиту корабль выводится третьей ступенью. Этот способ преодоления гравитации был впервые предложен основоположником ракетной теории советским ученым К.Э. Циолковским (1857-1935). В 1949 г. американская многоступенчатая ракета-носитель подняла зонд на высоту более 390 км над поверхностью Земли.

Многоступенчатые ракеты состоят из ряда ступеней. В начале полета используется первая ступень, в которой находится 83,3% топлива, но она ускоряет ракету только до 33% ее конечной скорости. После отработки топлива она сбрасывается, и начинает работать вторая ступень. Только третья ступень выводит корабль на орбиту.

Ракеты и спутники. Все ракеты представляют собой реактивные двигатели. Они работают по принципу третьего закона Ньютона, согласно которому действию всегда соответствует равное и противоположно направленное противодействие.

В ракете «действие» - это поток горячих газов, с ревом вырывающихся из ее хвоста; «противодействие» движет ракету. Надуем воздушный шарик и затем отпустим его, не завязывая: реактивное действие воздуха, вырывающегося из отверстия шарика, уравновешивается равным по величине, но противоположным по направлению противодействием, которое толкает воздушный шар в полете. Именно поэтому ракета способна работать в безвоздушном пространстве: в отличие от обычного воздушно-реактивного двигателя, она не требует воздуха для сжигания топлива. Напротив, воздух является помехой, ибо оказывает сопротивление движению ракеты.

В качестве топлива в ракетах с химическими двигателями иногда применяется твердое топливо, например порох. Но он слишком маломощен и режимом его работы трудно управлять. Вместо него используются две жидкости: горючее и окислитель. При смешении в камере сгорания они, вступая в химическую реакцию друг с другом, дают горячие газы, которые вытекают через сопло и создают силу тяги. Первые удачные жидкостные ракеты были созданы в 1926 г. американским ученым Робертом Годдардом (1882-1945). В 1945 г. немецкие конструкторы во главе с Вернером фон Брауном (1912-1977) создали «Фау-2»-жидкостную ракету с взрывающейся боеголовкой массой 1 т-прямой предшественник современных ракет. (После войны фон Браун вместе с коллегами работал в США.)

Первый советский искусственный спутник размером с большой футбольный мяч нес в себе в основном только радиопередатчик. Некоторые современные спутники по размерам не уступают грузовику. Они применяются для картографических съемок [7], в качестве средств связи и для исследования явлений, которые невозможно изучать с поверхности Земли из-за наличия атмосферы. Первые спутники связи были «пассивными», играя роль зеркала для отражения направленных вверх в виде пучка радиосигналов обратно на Землю; современные активные спутники усиливают радиосигналы до их ретрансляции.

Орбитальные спутники Земли лучше подходят для ее фотографирования, чем самолеты. Одним снимком с космического корабля [А] можно охватить площадь, для фотографирования которой потребуются сотни снимков с самолета [Б].

Всю площадь можно увидеть с большей точностью.

Кроме того, вертикальная космическая фотография лишена искажений, присущих мозаике аэрофотоснимков широкой площади

Сейчас космические корабли с человеком на борту стали относительно обычным явлением. В 1967-1978 гг. на орбиту были выведены советские корабли «Союз», в 1971-1977 гг. запущено шесть советских орбитальных станций «Салют». В 1973 г. на орбиту была запущена американская орбитальная станция «Скайлэб». Были осуществлены стыковки двух космических кораблей. В 1975 г. выполнена стыковка американского космического корабля «Аполлон» с советским кораблем «Союз».

Управление обеспечивается радиолокационными комплексами на борту корабля и на Земле; необходимые сложные расчеты проводятся с помощью ЭВМ.

Советский «Луноход-1» [А] был доставлен на Луну автоматической межпланетной станцией «Луна»; после прилунения на поверхность были спущены трапы [Б]. «Луноход-1» спустился на равнину Моря Дождей и, управляемый с Земли, начал свое многомесячное движение, посылая бесценную информацию. «Луноход-2» работал в Море Ясности, недалеко от американского посадочного модуля «Аполлон-17».

Автоматические зонды к Луне и планетам. В 1959 г. советская автоматическая станция «Луна-3» совершила облет Луны; последующие автоматические межпланетные научно-исследовательские станции составили карту всей поверхности Луны. Были совершены мягкие посадки на поверхность Луны [3]; сбор проб пыли и грунта производился механическими щупами.

С 1957 г. запущены сотни спутников и автоматических станций. Советские космические аппараты «Союз» [А]- искусственные спутники, возвращающиеся на Землю по окончании полета. Станция «Маринер-9» [Б] вышла на орбиту вокруг Марса в конце 1971 г. и в течение 1972 г. посылала на Землю фотографии марсианского ландшафта.

[В]: вид советской автоматической станции «Венера-1»

За лунными автоматическими станциями последовали первые попытки исследовать планеты. В 1962 г. американская автоматическая межпланетная станция «Маринер-2» пролетела около Венеры; позднее были посланы автоматические станции к Марсу, Меркурию и Юпитеру. В 1975 г. советская станция совершила мягкую посадку на Венеру, и в том же году космический аппарат был на пути к Сатурну. Американские автоматические станции «Викинг» совершили мягкую посадку на Марс в 1976 г.

Телескопы и спектрометры, установленные на космических аппаратах, оказывают огромную помощь астрономам, а с помощью инфракрасных фотографий Земли ученые ищут полезные ископаемые.

Траектории космических аппаратов, начертанные исходя из предположения, что аппараты запускаются горизонтально с вершины башни, которая поднимается за пределы земной атмосферы. При низких скоростях [1] аппарат быстро упадет на землю. При большей скорости [2] аппарат до приземления пролетит дальше, а при первой космической скорости [3] он выйдет на замкнутую, стабильную орбиту.