1. Первая космическая скорость
Первая космическая скорость — это скорость, при которой объект перестает падать на Землю, но продолжает падать вокруг нее. Звучит как парадокс. Разберемся.
Когда вы бросаете камень горизонтально, он летит по дуге и падает. Земля под ним — плоская только на малых расстояниях. Но если бросить камень достаточно быстро, кривизна его траектории сравняется с кривизной Земли. Он будет падать, но Земля будет «уходить» из-под него с той же скоростью. Камень окажется в вечном падении, которое никогда не закончится. Это и есть орбита.
Численное значение: 7,9 км/с. Это почти 29 000 км/ч.
Чтобы было понятнее: звук распространяется со скоростью 0,34 км/с. Сверхзвуковой истребитель летит со скоростью около 0,5 км/с. Первая космическая скорость в 16 раз быстрее звука и в 15 раз быстрее пассажирского самолета.
На такой скорости объект совершает полный оборот вокруг Земли примерно за 90 минут. Астронавты на МКС видят 16 рассветов и 16 закатов за каждые сутки.
А знаете ли вы? Первая космическая скорость не зависит от массы объекта. Камень, спутник, космический корабль — все должны разогнаться до одной и той же скорости, чтобы выйти на орбиту. Масса влияет на то, сколько топлива для этого потребуется, но не на саму скорость.
Все искусственные спутники Земли — от метеорологических до навигационных, от «Хаббла» до МКС — движутся с первой космической скоростью или близко к ней. Чуть медленнее — и аппарат начнет снижаться. Чуть быстрее — орбита вытянется.
2. Вторая космическая скорость:
Вторая космическая скорость — это скорость, при которой объект преодолевает земное притяжение и уходит в межпланетное пространство. Он становится искусственным спутником не Земли, а Солнца.
Численное значение: 11,2 км/с. Это примерно 40 000 км/ч.
Откуда берется эта цифра? Если разогнать объект до первой космической скорости, он останется на орбите. Чтобы улететь навсегда, нужно придать ему дополнительную энергию — ровно столько, чтобы он мог удалиться на бесконечность, где гравитация Земли станет исчезающе малой.
Интересный факт: вторая космическая скорость примерно в 1,41 раза больше первой. 7,9 × 1,41 = 11,2. Это не совпадение, а строгий вывод из законов небесной механики.
А знаете ли вы? Если разогнаться ровно до второй космической скорости, улететь от Земли можно, но очень медленно. На большом расстоянии скорость упадет почти до нуля. Чтобы долететь до других планет за разумное время, нужна скорость заметно выше второй.
Лунные миссии («Аполлоны», советские «Луны») разгонялись до скорости чуть выше второй. Марсианские миссии — тоже. Но есть нюанс: ракета не разгоняется до 11,2 км/с сразу у поверхности Земли. Сначала она выходит на орбиту (первая космическая скорость), а потом включает двигатели для разгона до второй. Так эффективнее.
3. Третья космическая скорость
Третья космическая скорость — это скорость, при которой объект преодолевает притяжение не только Земли, но и Солнца. Он уходит в межзвездное пространство.
Численное значение: 16,7 км/с. Это 60 000 км/ч.
Но здесь важная оговорка: третья космическая скорость зависит от направления запуска. Если запустить аппарат по направлению орбитального движения Земли (которая сама летит вокруг Солнца со скоростью 30 км/с), то требуемая скорость будет меньше. Если в противоположную сторону — больше. Цифра 16,7 км/с — это минимальная скорость относительно Земли, нужная для ухода из Солнечной системы, если запускать по касательной к земной орбите.
Аппараты «Пионер-10», «Пионер-11», «Вояджер-1», «Вояджер-2» и «Новые горизонты» достигли третьей космической скорости и покинули Солнечную систему (или покинут в ближайшие десятилетия). «Вояджер-1» сейчас удаляется от Солнца со скоростью около 17 км/с — чуть выше третьей космической.
4. Четвертая космическая скорость
Четвертая космическая скорость — это скорость, при которой объект преодолевает притяжение Млечного Пути. Он уходит в межгалактическое пространство.
Численное значение: около 550 км/с. Это почти 2 миллиона км/ч.
Для сравнения: это в 70 раз быстрее первой космической скорости. Это в 5 раз быстрее, чем Земля летит вокруг Солнца. Это в 3 раза быстрее, чем Солнце летит вокруг центра Галактики.
Человечество никогда не разгоняло ни один аппарат до таких скоростей. Самый быстрый объект, созданный людьми, — зонд «Паркер», который приближался к Солнцу и разогнался до 192 км/с (около 690 000 км/ч). Это около трети четвертой космической скорости. И это было достигнуто за счет гравитации Солнца, а не работы двигателей.
Чтобы разогнать космический корабль до четвертой космической скорости с помощью химических ракет, потребовалось бы топливо в миллиарды раз тяжелее самого корабля. Это практически невозможно. Для таких скоростей нужны принципиально иные двигатели — ядерные, термоядерные или аннигиляционные. Их пока не существует даже в проектах.
Ни один объект, созданный человеком, не достиг четвертой космической скорости. И в обозримом будущем не достигнет.
5. Почему ракета не взлетает вертикально?
Вы могли заметить: космические ракеты стартуют вертикально, но почти сразу начинают наклоняться. Через несколько минут после старта они летят уже почти горизонтально. Зачем?
Если бы ракета летела строго вверх, она бы поднялась высоко, но не набрала бы горизонтальной скорости. А для выхода на орбиту нужна именно горизонтальная скорость — та самая первая космическая. Вертикальный подъем нужен только для того, чтобы побыстрее выйти из плотных слоев атмосферы, где сопротивление воздуха велико.
Классическая траектория выглядит так:
- Вертикальный старт — первые десятки секунд.
- Постепенный наклон — ракета начинает поворачивать.
- Горизонтальный разгон — на высоте 100-200 км ракета летит почти параллельно поверхности Земли, набирая орбитальную скорость.
Если бы ракета попыталась разгоняться до орбитальной скорости в плотной атмосфере, она бы просто сгорела от трения. Поэтому сначала — вверх, потом — в сторону.
Ракета, стартующая с экватора, получает «бесплатный» бонус — скорость вращения Земли. На экваторе Земля вращается со скоростью 0,465 км/с. Если запускать ракету на восток, эти 465 м/с добавляются к скорости ракеты. Поэтому большинство космодромов строят как можно ближе к экватору (Куру во Французской Гвиане — 5° северной широты) и запускают ракеты на восток.
6. Как ускориться без топлива?
Если нужно улететь далеко, а топлива мало, инженеры используют трюк, который выглядит как магия: гравитационный маневр.
Космический аппарат подлетает к планете (например, к Юпитеру) и проходит позади нее по специальной траектории. Гравитация планеты захватывает аппарат и тянет его за собой. Аппарат ускоряется относительно Солнца — за счет того, что отбирает крошечную часть энергии у планеты. Планета, конечно, теряет эту энергию, но из-за огромной разницы в массе это влияние ничтожно.
«Вояджеры» использовали гравитационные маневры у Юпитера и Сатурна, чтобы разогнаться до третьей космической скорости. Без этих маневров они бы не покинули Солнечную систему — топлива бы не хватило.
«Новые горизонты» использовал гравитационный маневр у Юпитера, чтобы сократить путь к Плутону на три года.
«Кассини» использовал маневры у Венеры, Земли и Юпитера, чтобы долететь до Сатурна, экономя топливо.
Гравитационный маневр может не только ускорить аппарат, но и замедлить. Если подлететь к планете спереди (по направлению ее движения), гравитация потянет аппарат назад, снижая его скорость относительно Солнца. Так аппарат может «тормозить» без двигателей.
7. Атмосферное торможение
Скорость нужно не только набрать, но и сбросить — если аппарат возвращается на Землю. И здесь инженеры тоже экономят топливо, используя атмосферу.
Корабль, возвращающийся с орбиты, немного тормозит двигателями, чтобы начать снижение. Но основное торможение происходит в атмосфере. На высоте 80-100 км корабль входит в плотные слои, трение разогревает его до тысяч градусов, а скорость падает с 7,9 км/с до звуковой и ниже.
Если бы корабль тормозил только двигателями, топлива потребовалось бы столько же, сколько для вывода на орбиту. То есть нужна была бы вторая ракета — только для торможения. Атмосфера делает этот этап бесплатным.
Обратная сторона медали — нагрев. Именно поэтому возвращаемые капсулы покрывают теплозащитным экраном, который абляция (сгорает слоями), унося с собой тепло.
8. Отличие ракеты от самолета
Вопрос, который кажется наивным, но важен для понимания космических скоростей. Самолету не нужно лететь со скоростью 7,9 км/с, потому что крылья создают подъемную силу. Самолет держится в воздухе за счет того, что воздух течет под и над крылом. Чем выше поднимается самолет, тем разреженнее воздух и тем слабее подъемная сила. На высоте 30-40 км самолет уже не может лететь — воздух слишком разрежен.
Ракета же поднимается выше атмосферы, где крылья бесполезны. Там единственный способ не упасть — двигаться с первой космической скоростью, чтобы центробежная сила уравновешивала гравитацию. Поэтому ракете и нужны такие чудовищные скорости, которых самолеты никогда не достигают.
Самый быстрый пилотируемый самолет — американский X-15, достигший скорости 7,3 км/ч (2 км/с). Это в 4 раза медленнее первой космической.
9. Как изменение скорости меняет орбиту?
Интуиция подсказывает: если на орбите разогнаться, полетишь быстрее и поднимешься выше. На самом деле все наоборот.
На круговой орбите, если включить двигатели по направлению движения (разогнаться), аппарат перейдет на эллиптическую орбиту, где самая высокая точка (апогей) поднимется, а самая низкая (перигей) останется на прежней высоте. В самой высокой точке скорость будет ниже орбитальной для этой высоты.
Если включить двигатели против направления движения (затормозить), аппарат опустится в противоположной точке орбиты.
Это называется маневром Гомана — стандартным способом перехода между орбитами. Сначала короткий импульс для подъема апогея, потом, в апогее, второй импульс для подъема перигея до круговой орбиты.
Именно так космические аппараты переходят с низкой орбиты на геостационарную (высотой 36 000 км). Или с орбиты Земли на траекторию к Луне.
10. Энергетическая цена космических полетов
Космические скорости — это не просто цифры. Это стоимость полета. Не в деньгах (хотя и в них тоже), а в энергии.
Чтобы вывести 1 кг груза на низкую орбиту, нужно сжечь примерно 10-15 кг топлива. До Луны — 20-30 кг. До Марса — 40-50 кг. За пределы Солнечной системы — сотни килограммов топлива на килограмм груза.
Это называется «проблема Циолковского». Ракета везет топливо, чтобы разогнать топливо, которое везет топливо, чтобы разогнать топливо... Масса топлива растет экспоненциально с требуемой скоростью.
Поэтому 99% стартовой массы любой ракеты — это топливо. Сам корабль, полезная нагрузка, астронавты — все это занимает крошечную долю процента. Ракета «Сатурн-5», летевшая к Луне, весила на старте 3000 тонн. На Луну доставила 45 тонн. Все остальное — топливо и конструкции, которые везли это топливо.
Ракета-носитель «Союз-2» весит на старте 310 тонн. На низкую орбиту выводит 7-8 тонн. Примерно 2,5% от стартовой массы. Остальное — топливо и ступени, которые отбрасываются по пути.
11. Мечты о межзвездных скоростях
Химические ракеты уперлись в потолок. Даже теоретически они не могут разогнать корабль быстрее 30-40 км/с относительно Солнца — слишком много топлива нужно. Для межзвездных полетов нужны иные принципы.
Ядерные ракеты. Проекты 1960-х годов (NERVA, «Ядерный буксир») предлагали нагревать водород в ядерном реакторе и выбрасывать его через сопло. Удельный импульс — в 2-3 раза выше, чем у химических ракет. Технология отработана, но политически чувствительна (запуск ядерного реактора в космос).
Электрические двигатели. Ионные и плазменные двигатели разгоняют частицы электрическим полем, достигая скоростей истечения 50-100 км/с. Удельный импульс — в 5-10 раз выше химического. Но тяга очень маленькая — разгон занимает месяцы и годы. Подходит для грузовых миссий, но не для пилотируемых.
Ядерно-импульсные двигатели. Проект «Орион» (1960-е) предлагал сбрасывать за кормой ядерные заряды и разгоняться их взрывами. Теоретически — до 10 000 км/с. Реально — требует испытаний ядерных взрывов в космосе, что запрещено международными договорами.
Термоядерные и аннигиляционные двигатели. Чистая фантастика на сегодня. Но без них до других звезд не долететь. Даже до ближайшей, Проксимы Центавра (4,2 световых года), при скорости 550 км/с (четвертая космическая) лететь 2300 лет.
А если когда-нибудь человечество построит корабль, способный разогнаться до 550 км/с, мы сможем покинуть Галактику. И тогда наши потомки будут смотреть на Млечный Путь из межгалактической пустоты — как на далекую звездную туманность, которую они покинули тысячелетия назад.
Но это уже совсем другая история.