малейшее отклонение, и все труды насмарку – спутник может даже войти в атмосферу Земли и сгореть. Когда запуск космической ракеты показывают долго, можно увидеть, что сначала она вертикально уходит в стратосферу, а потом постепенно поворачивает, поворачивает – и на высоте 50–70 км начинает двигаться уже параллельно поверхности Земли. Здесь аппарату надо набрать соответствующую высоте круговую скорость, иначе он упадет обратно на планету.

Раз уж речь зашла о космонавтике, я расскажу, каких трудов стоит развить первую космическую скорость. Космический корабль, на котором летают наши космонавты, весит 7 т, в нем сидят три человека, и его надо разогнать до скорости 8 км/с. Так вот, для того чтобы маленький космический аппарат достиг устойчивой орбиты, приходится строить «одноразовую» космическую ракету весом более 300 т!

Рис. 16. Сопоставьте массу ракеты-носителя и ее полезной нагрузки.

Ракета весом более 300 т создается только для того, чтобы один раз доставить маленький космический аппарат на низкую круговую орбиту

А состоит ракета из металлической конструкции и топлива. Их соотношение такое: сухой вес ракеты – 26 т, залитое в нее топливо – почти 280 т. Таким образом, 90% веса ракеты на старте – это ее топливо. Легковой автомобиль, например, весит около 1,5 т, а топливо в его баке – около 50 кг. То есть оно составляет всего лишь 3% веса автомобиля. А у ракеты – 90%! При этом ракета не только несет в себе колоссальный объем взрывоопасного вещества, но и работает в гораздо более напряженных условиях, чем автомобиль. Рядом с сотнями тонн ее «взрывчатки» пылает гигантский факел реактивных двигателей. А на вершине этой «бочки с порохом» сидят отважные люди, желающие покинуть поверхность своей планеты. И им это, как правило, удается. Одним словом, современная космическая ракета – это восхитительное творение инженерной мысли!

Геостационарная орбита и космический лифт

Среди всех круговых орбит особенно интересна геостационарная орбита, на которой орбитальный период длится столько же, сколько оборот Земли вокруг своей оси, то есть 23 часа 56 минут и примерно 4 секунды. Если запустить спутник на круговую орбиту, лежащую в экваториальной плоскости Земли на расстоянии примерно 36 000 км от земной поверхности (от центра планеты это будет 42 000 км), то, двигаясь в плоскости экватора с периодом в одни звездные сутки, он всегда будет висеть над одной и той же точкой земного шара.

Таких спутников летают сотни. А зачем они нужны? Например, спутники прямого телевизионного вещания специально запустили на геостационарную орбиту, чтобы нам не приходилось в течение суток крутить домашнюю антенну туда-сюда. Мы один раз нацеливаем свою спутниковую тарелку на такой спутник и уверены, что он всегда будет перед ней.

Рис. 17. Геостационарная орбита.

Спутник постоянно висит над одной и той же точкой экватора

Интересно, что эта особенность геостационарной орбиты открывает совершенно фантастические перспективы для космонавтики. С такого спутника можно протянуть на Землю трос, и он не будет наматываться на Землю, потому что спутник относительно земной поверхности неподвижен. Вдоль этого троса можно организовать космический лифт. Заметьте: не ракету, которая 98% своей массы выбрасывает, чтобы отправить в полет оставшиеся 2% в виде космического корабля, а просто электрический лифт. Оцените, сколько в этом случае киловатт-часов электроэнергии потребуется, чтобы подняться в космос; стоить это будет считаные копейки.

Есть, правда, у такого спутника одна неприятная особенность. Скажем, запустили мы его на геостационарную орбиту, протянули канат, но вдруг какая-то случайная небрежность заставила спутник немного опуститься. Что тогда произойдет? Спутник окажется ближе к центру Земли, его орбитальный период станет короче. Он начнет опережать ту точку поверхности, к которой привязан, канат будет наматываться на Землю и тянуть спутник вниз. Тот начнет крутиться еще быстрее – и понятно, что закончится это нехорошо. Если привязанный к поверхности спутник опустится ниже геостационарной орбиты, то Земля начнет отставать, намотает на себя канат, затормозит спутник еще сильнее, и он свалится с небес.

А что случится, если спутник поднимется выше геостационара? В этом случае он начнет отставать от поверхности Земли: чем больше расстояние, тем меньше скорость обращения и тем больше орбитальный период. Но будет ли продолжаться это движение, не станет ли Земля наматывать канат в обратную сторону? Это простая механическая задача, которую должен быть способен решить любой физик. Вычисления показывают следующее развитие событий. Если привязанный спутник окажется на чуть большей высоте, чем геостационарная орбита, и начнет отставать от Земли, она сначала за канатик немного подтянет его вперед, а потом он снова отойдет на исходное расстояние от поверхности. Но после этого спутник уже не отстанет от вращения Земли, потому что наряду с гравитацией добавляется сила, которая тянет его вперед. В сумме они создают более сильное центростремительное ускорение, чем одна только гравитация, и эта более высокая орбита становится геостационарной.

Поэтому идея космического лифта теоретически может быть реализована. Осталось только найти материал для троса длиной 36 000 км, чтобы он выдерживал свой вес плюс вес поднимаемого груза (железо для этого не годится, а вот наноуглеродные трубки могут быть перспективными: плотность их меньше, а прочность больше). Тогда каждому человеку станет доступен подъем на геостационарную орбиту. Стоить это будет всего несколько тысяч рублей – все равно что слетать в соседний город на самолете. И это сразу изменит нашу космонавтику.

Задачи

4.1. Задача Ари Штернфельда

Ракета-носитель, доставившая спутник на его орбиту, сначала отставала от него, так как толчок, которым был выброшен спутник из ракеты-носителя, несколько замедлил движение самой ракеты. Кроме того, ракета-носитель сильнее тормозилась воздухом, чем сам спутник. Через четыре дня после запуска спутника ракета-носитель отставала от него уже на одну тысячу километров. Но затем, как заметили наблюдатели на Земле, ракета-носитель догнала спутник и даже опередила его[21].

Почему, затормозив, ракета обогнала спутник, ведь оба они не включали двигатели?

4.2. Парадокс геостационарного спутника

Космические ракеты – гениальное творение инженерного искусства. В них сосредоточены все передовые технологии. Однако законы физики делают ракету самым расточительным видом транспорта. Формула Циолковского показывает, что стартовый вес ракеты должен во много раз превышать вес ее полезного груза.

Например, полезный груз ракеты «Союз» – это космический корабль «Союз ТМ», на котором два-три космонавта летают на Международную космическую станцию. Корабль весит 7 т, а ракета на старте – 308 т, из которых 274 т приходится на топливо. Таким образом, 90% веса ракеты на старте – это ее топливо! Вес же полезного груза, корабля «Союз ТМ», всего 2%. При этом полет осуществляется на низкую околоземную орбиту. А чтобы отправить груз на геостационарную орбиту, требуется еще более мощная ракета –