Текст книги "Всё о космических путешествиях за 60 минут"

02. Как покинуть планету

Земля – это колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели.

Константин Циолковский (1911)

Космическое пространство во всех смыслах кажется очень далеким – это удивительное царство, максимально удаленное от нашей скучной обыденности здесь, на Земле. И все же на самом деле оно поразительно близко. Граница между нами и космическим пространством, известная как линия Кармана, получила свое название в честь американского ученого венгерского происхождения Теодора фон Кармана, который первым предложил обозначить ее. Она находится на высоте всего 100 км, что равняется расстоянию, к примеру, от Москвы до Серпухова – это приблизительно в часе езды на машине.

Очевидно, что в ближайшее время вы не сможете отправиться в космос. И вам будет трудно добраться до него даже на современном самолете. Проблема заключается в силе, называемой гравитацией: она заставляет все объекты во Вселенной, обладающие массой, притягиваться друг к другу. Во многих отношениях это очень удобно – удерживаться на поверхности планеты и иметь возможность жить, не уплывая в пустоту. Но это также значительно усложняет полеты в космос, по сравнению с поездкой на автомобиле, поскольку поднимать предметы, противодействуя силе тяжести, – чрезвычайно трудно. Доставка 1-тонного автомобиля или 30-тонного космического аппарата на высоту 100 км требует невероятного количества энергии.

Реактивные самолеты – одни из лучших летающих машин, которые у нас есть, но даже они не справляются с задачей достичь космического пространства. Они летают на максимальной высоте около 10 км и способны противостоять гравитации с помощью подъемной силы – силы, создаваемой воздушным потоком над их крыльями особой формы. Поднимитесь выше, и воздух станет настолько разреженным, что подъемной силы будет уже недостаточно, чтобы удерживать самолет.

Ракеты, сделавшие возможным космический полет, являются достижением, которое, более чем любая другая технологическая победа двадцатого века, основано на научной фантастике.

Айзек Азимов (1976)

Есть и еще одна проблема. Сгорание – это химическая реакция, в ходе которой при взаимодействии топлива с кислородом выделяется энергия. Если накрыть горящую свечу стаканом, вскоре она погаснет, исчерпав весь доступный кислород. То же самое произойдет с реактивным двигателем самолета. Поскольку воздух на большой высоте разрежается, вокруг самолета становится все меньше и меньше кислорода. Неважно, какой запас топлива есть на борту – без кислорода оно не сможет гореть.

Решение состоит в том, чтобы просто взять кислород с собой, и это именно то, что сделали создатели ракет (слово «ракета» происходит от итальянского rocchetta, что значит «маленькое веретено»). Последние способны генерировать достаточное количество тяги, чтобы отправиться не только за пределы атмосферы Земли, но и сквозь Солнечную систему и даже дальше.

Огненные стрелы

Ракеты были изобретены в Китае около XI века. По сути они напоминали фейерверки и работали на порохе, случайно изобретенном китайскими алхимиками. Его получали, смешивая уголь, серу и селитру (нитрат калия). Селитра – мощный окислитель, она выделяет кислород при нагревании, заставляя уголь и серу сгорать с большой скоростью. Первые китайские ракеты, «огненные стрелы», использовались в битвах армиями империи Сун[6]6
  Империя Сун – государство на территории современного Китая, существовавшее с 960 по 1279 год.


[Закрыть], а позднее, в XIII веке, – монголами в ходе их завоевательных походов.

В конце XVIII века эту технологию переняла майсурская[7]7
  Княжество Майсур (1564–1799) – одно из индийских государств, которое располагалось на юго-западной оконечности полуострова Индостан.


[Закрыть] армия, которая с помощью ракет с прикрепленными к ним грозными клинками защищалась от британских войск во время агрессивной колонизации региона британской Ост-Индской компанией.

Некоторые образцы этого оружия были захвачены англичанами и стали источником вдохновения для программы военных ракетных исследований в Королевском арсенале в Вулидже, которую возглавлял изобретатель и политик Уильям Контрив. Позаимствовав индийскую технологию, он построил ряд ракет, состоявших из железных цилиндров со стабилизаторами из длинных реек, – очень похожих на современные фейерверки (хотя и намного больших по размеру). Самые большие ракеты Конгрива весили сотни килограммов, в длину достигали 9 метров и имели радиус действия более 3 км. Каждая из них снабжалась поражающим снарядом, который, однако, часто выпадал во время полета.

Конгрив успешно продемонстрировал свои первые ракеты в сентябре 1805 года. Тем не менее они были довольно неточными. Британский инженер Уильям Хейл позднее решил эту проблему. Он снял рейки и изменил направление выпускных патрубков таким образом, чтобы ракета во время полета вращалась – так же, как вращается винтовочная пуля, чтобы предотвратить отклонение от курса.

Потенциал этих смертоносных орудий для космических полетов казался неясным до начала XX века, когда его открыл русский гений Константин Циолковский.

Константин Циолковский (1857–1935)

Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857 года в Рязанской губернии на западе Российской империи. Из-за проблем со слухом, вызванных перенесенной скарлатиной, учился он в основном на дому. Это позволило будущему ученому углубляться в темы, которые интересовали его больше всего, и уже в подростковом возрасте он начал размышлять о возможности космических путешествий. Позже Циолковский стал зарабатывать преподаванием, а свободное время посвящал собственным исследованиям и написанию множества научных работ. С 1890-х годов он начал разрабатывать теорию ракетостроения, применяя известные физические законы, чтобы определять поведение ракеты в полете. Он опубликовал свои выводы в работе 1903 года под названием «Исследование мировых пространств реактивными приборами», которая послужила источником вдохновения для инженеров, впоследствии сделавших ракеты для путешествий реальностью. Циолковский провел большую часть своей взрослой жизни в отшельничестве, живя в бревенчатом доме недалеко от Калуги, в 150 км к юго-западу от Москвы. Он умер в Калуге 19 сентября 1935 года от рака желудка.

Действие и противодействие

Циолковский превратил ракетостроение в науку, управляемую строгой математикой, позволяющей точно предсказывать и изучать поведение ракеты. Именно исследование Циолковского превратило ракеты из грубого оружия в транспортное средство, которое в конечном итоге доставит людей в космос.

Возможно, величайшим вкладом Циолковского стала так называемая формула Циолковского, которую он опубликовал в 1903 году. По этой формуле рассчитывается скорость, которую ракета может достичь, с учетом ее изначальной массы (с полным баком топлива), ее «пустой» массы (без топлива) и скорости выхлопной струи, выбрасываемой двигателем. Общее увеличение скорости, создаваемое сжиганием всего топлива ракеты, известно как Δv, где v – скорость, а Δ является математическим обозначением изменения. Это характеристическая скорость ракеты.

У меня есть своя жизненная позиция. Я здесь, чтобы выполнить работу, и я знаю, что у меня есть возможность сделать ее, и именно на этом я концентрируюсь.

Анни Изли, ученый NASA (2001)

Циолковский вывел свою формулу из работы сэра Исаака Ньютона, великого британского физика. Он сформулировал три емких закона, описывающих поведение движущегося объекта. В первом говорится, что объект будет поддерживать состояние покоя или равномерного движения, если на него не действует никакая сила. Второй гласит, что если на объект с массой т действует сила F, то он будет набирать скорость с ускорением а, так что F = та. Но больше всего Циолковского интересовал третий закон Ньютона. В нем утверждается, что сила действия равна по величине и противоположна по направлению силе противодействия. Сядьте на стул, и он окажет сопротивление, чтобы вы не упали на пол.

По этой причине винтовка бьет стрелка в плечо во время выстрела: одна сила толкает пулю вперед, тогда как равная и противоположная сила толкает оружие назад. Второй закон Ньютона объясняет, почему, несмотря на то что на пулю действует та же сила, она летит с большой скоростью, а гораздо более тяжелое оружие движется относительно медленно. Так же выхлопные газы из ракеты, имея малую массу, выходят из двигателя на очень высокой скорости, в результате чего ракета, обладая относительно большой массой, постепенно набирает скорость, двигаясь в противоположном направлении.

Поставь их друг на друга

Формула Циолковского гласит, что максимальная скорость, достигаемая ракетой, увеличивается вместе со скоростью ее выхлопных газов. Например, ракета, у которой 90 % ее стартовой массы приходится на топливо, может набрать Av, в 2,3 раза превышающую скорость выхлопных газов. Это означает, что если выхлопные газы движутся со скоростью 2500 м/с (или 9000 км/ч – такая скорость достигается некоторыми современными ракетами), то конечная скорость ракеты составит 5750 м/с – что эквивалентно 20 700 км/ч.

Кажется впечатляющим, и этого хватит, чтобы доставить вас выше линии Кармана. Однако такой скорости недостаточно, чтобы добраться до околоземной орбиты – не говоря уже о более дальних точках назначения. Согласно закону всемирного тяготения вращение вокруг Земли требует подъема на высоту не менее нескольких сотен километров над поверхностью планеты. С учетом гравитации для этого необходима скорость 7800 м/с (28 080 км/ч).

Если сверху большой ракеты установлена маленькая и если большая ракета отбрасывается, а малая запускается, то их скорости складываются.

Герман Оберт (1967)

Пытаясь придумать, как решить эту проблему, Циолковский задался вопросом: что, если полезная нагрузка ракеты – 10 % от стартовой массы – окажется другой, меньшей, ракетой? Когда первая ракета заканчивает гореть, она отбрасывается, и меньшая ракета, которая теперь движется со скоростью 5750 м/с (20 700 км/ч), запускает собственные двигатели. Когда и они исчерпывают свое топливо, набираются дополнительные 5750 м/с, так что конечная скорость вырастает до 11 500 м/с (41 400 км/ч). Добавление ступеней увеличивает ее еще больше. Эта идея известна как «многоступенчатость». Циолковский доказал, что многоступенчатая ракета способна доставить в космос больший груз, чем одноступенчатая, при одинаковой стартовой массе.

Недостатком такого подхода является то, что масса полезной нагрузки уменьшается. Ракета, состоящая из п ступеней, полезная нагрузка каждой из которых составляет 10 % от полной массы ступени, может иметь полезную нагрузку, равную 0,1" от общей массы ракеты. Для двухступенчатой ракеты это 0,01, для трехступенчатой – 0,001 и так далее. Это означает, что полезная нагрузка трехступенчатой ракеты с общей стартовой массой 50 000 кг составит всего 50 кг.

Таким образом, запуск достаточно массивного груза в космос требует действительно огромных многоступенчатых ракет. Многоступенчатость была использована NASA в лунной программе «Аполлон» в 1960-х годах. Запущенная в ее рамках трехступенчатая «Сатурн-5» по-прежнему остается самой большой из когда-либо существовавших ракет. Это настоящий гигант более 110 метров в высоту и весом 3000 тонн, из которых 2870 тонн – вес топлива и окислителя. У «Сатурна-5» ступени располагались одна на другой (такой вариант называется поперечным разделением), но у других, более поздних ракет ступени запускаются одновременно (это продольное разделение): примером такой конструкции являются два больших боковых стартовых двигателя на космическом шаттле.

Ракетостроение

Современные ракетные двигатели бывают нескольких основных типов. Самые простые, как и их ранние предшественники, работают на твердом топливе, похожем на порох. Боковые ускорители, расположенные по обеим сторонам шаттла, представляют собой твердотопливные ракеты, работающие на алюминиевом порошке, который сжигается при использовании окислителя, перхлората аммония. Они потенциально опасны – как римские свечи: после запуска их уже нельзя выключить или хотя бы скорректировать их мощность. С другой стороны, двигатели на жидком топливе, разработанные Робертом Годдардом (см. главу 1), более управляемы. Однако цена, которую приходится за это платить, – дополнительная сложность (и, следовательно, повышенная вероятность сбоя) в виде насосов и топливопроводов, а также инжекторов, обеспечивающих тщательное перемешивание топлива перед сжиганием.

Мне захотелось узнать, что же на самом деле заставляет человека по собственной воле забираться на верхушку огромной свечи… и ждать, пока зажгут запал?

Том Вулф. Битва за космос (1979)

В жидкостных ракетах топливо и окислитель обычно хранятся по отдельности – это так называемые двухкомпонентные двигатели. Например, первая ступень ракеты «Сатурн-5», которая доставляла астронавтов «Аполлона-11» на Луну, имела два топливных бака: один для керосина, а другой был заполнен чистым жидким кислородом для сжигания керосина. Эти два топлива отдельно подавались в двигатель, где они смешивались перед сгоранием. Жидкий кислород – распространенный окислитель, часто используемый в ракетных двигателях. Для того чтобы он находился в жидком состоянии, его температура должна быть ниже – 183°С, и именно поэтому иногда можно увидеть лед на внешней стороне жидкостной ракеты, стоящей на стартовой площадке. Куски этого льда затем эффектно отрываются во время запуска.

Есть также однокомпонентные жидкостные двигатели, работающие только на одном баке с топливом. Им, как правило, оснащаются более мелкие ракеты и двигательные установки, используемые для ориентации космических аппаратов в пространстве после того, как те покинут Землю. Подходящее топливо для такого двигателя – гидразин (H₂N – NH₂), который при прохождении через катализатор распадается на высокотемпературную смесь из водорода, азота и аммиака для создания тяги.

Существует еще один тип ракетных двигателей, на границе между твердотопливными и жидкостными, – гибридный. В таких двигателях используется твердое топливо и жидкий окислитель, что делает их менее сложными, чем жидкостные двигатели, и в то же время более управляемыми, чем твердотопливные. Разработанный Mojave Aerospace Ventures SpaceShipOne, который в 2004 году осуществил первый частный космический полет, имел гибридный двигатель, использовавший полибутадиен в качестве топлива и закись азота в качестве окислителя.

Во всех типах двигателей высокотемпературный газ под высоким давлением, возникающий в результате сгорания, необходимо превратить в высокоскоростную струю выхлопных газов. Делается это с помощью сопла – конусообразного отверстия, которое находится непосредственно под камерой сгорания. Одно из самых эффективных – сопло Лаваля. В 1888 году изобретатель Густаф де Лаваль предложил использовать созданное им сопло в паровых турбинах. Оно состоит из трубки, которая асимметрично сжимается на стороне впуска, где в нее входит горячий газ, а затем расширяется в плавно изогнутую колоколообразную форму для выталкивания выходящих газов с противоположной стороны. Сопло Лаваля может преобразовывать газ, образующийся внутри типичного ракетного двигателя, в сверхзвуковую выхлопную струю, движущуюся со скоростью в тысячи метров в секунду.

Один из самых мощных ракетных двигателей на сегодняшний день – жидкостный двигатель Raptor («Хищник»), разрабатываемый компанией SpaceX для сверхтяжелой ракеты Starship («Звездный корабль»). Во время огневого испытания в феврале 2019 года Raptor установил рекорд по максимальному зарегистрированному давлению в камере сгорания – 2689 Н/см². Это примерный вес большого автомобиля, сконцентрированный в квадрате со стороной 2 см. Когда разработка Raptor будет завершена, ожидается, что конечное давление в камере достигнет 3034 Н/см², а сопло Лаваля разгонит поток выхлопных газов до поразительных 3400 м/с (12 240 км/ч), что в десять раз превышает скорость звука в воздухе.

¹ United Launch Alliance – совместное предприятие, принадлежащее компаниям Boeing и Lockheed Martin.

Под действием импульса

Скорость выхлопа – один из показателей эффективности ракетного двигателя, это доля всей химической энергии, запасенной в топливе, которая в конечном итоге может быть преобразована в движение ракеты. Сопло Лаваля резко повышает скорость выхлопных газов, делая ее сверхзвуковой, тем самым увеличивая эффективность с нескольких процентов до, как правило, более 60 %. Это очень высокий показатель, учитывая, какими шумными и малопродуктивными могут казаться ракеты.

Еще одна мера эффективности ракет – удельный импульс. Это общая величина тяги, которую двигатель генерирует на единицу массы сгоревшего топлива. Тяга – направленная вверх сила, толкающая ракету. Она действует против направленной вниз силы тяжести, оказывающей воздействие на массу ракеты. Чтобы ракета взлетела, тяга должна превышать вес.

Вполне возможно, что двигатель окажется очень неэффективным (то есть с низким удельным импульсом и низкой скоростью выхлопа), но при этом все равно будет обеспечивать тягу, необходимую для взлета. И наоборот, существуют чрезвычайно эффективные двигатели, которые, хотя и прекрасно используют свое топливо, не образуют достаточно тяги, чтобы преодолеть силу притяжения и оторваться от Земли.

Один из таких двигателей – ионный. Вместо того чтобы задействовать химическую энергию, выделяемую при сгорании, для создания высокоскоростной выхлопной струи электрические поля в нем используются для ускорения заряженных частиц топлива до невероятных скоростей – до 50 000 м/с, а это более чем в десять раз выше того, на что способны двигатели в обычных ракетах. Тем не менее скорость, с которой эти частицы выбрасываются, настолько мала, а их тяга так слаба, что они едва способны оторвать от Земли несколько граммов.

Когда вы готовитесь к запуску в космос, вы сидите на большой бочке с взрывчаткой, ожидая, когда та рванет.

Салли Райд (1988)

Вы наверняка задаетесь вопросом (что вполне справедливо), для чего в таком случае нужны ионные двигатели. Оказывается, высокая эффективность последних проявляется в глубоком космосе, вдали от сильной гравитации планет. Запущенный в космос обычной ракетой космический корабль, работающий на ионной тяге, расходует свое топливо медленно, но разумно в течение недель, месяцев и даже лет – постепенно накапливая большую Δv из сравнительно малой массы топлива, что позволяет ему преодолевать огромные расстояния в космическом пространстве.

В 1998 году АМС NASA Deep Space 1 стартовала с Земли на борту Delta II – жидкостной ракеты с тремя твердотопливными ускорителями. Оказавшись в космосе, станция запустила ионный двигатель и отправилась в путешествие по Солнечной системе. Она пролетела мимо кометы и астероида и смогла получить фотографии обоих, а также научные данные о них. В течение своей трехлетней миссии ионный двигатель изменил скорость космического аппарата более чем на 4000 м/с, использовав менее 74 кг своего ксенонового газообразного топлива.

Черт возьми, эта штука взлетела!

Илон Маск (2018)

В настоящее время ученые разрабатывают новые двигатели, способные обеспечивать еще более высокие скорости выхлопа – до сотен тысяч или миллионов метров в секунду. Аппараты с такими двигателями по сути являются продолжением оригинальных идей Циолковского, которым более ста лет. И однажды благодаря им люди смогут попасть в самые отдаленные уголки Солнечной системы или даже за ее пределы.

03. Используйте силу[8]8
  Отсылка к фразе «Используй силу, Люк», которую в фильме «Звездные войны. Эпизод IV: Новая надежда» говорит Оби-Ван Кеноби, обращаясь к Люку Скайуокеру.


[Закрыть]

Рекомендация не бросаться из окна второго этажа является частью науки о взаимном притяжении тел.

Артур Бальфур (1893)

Пейзаж космоса создается гравитацией. Гравитационное поле удерживает Луну около Земли и обуславливает ее вращение вокруг планеты. В течение последних 4,6 миллиарда лет гравитация удерживала планеты Солнечной системы, вращающиеся против часовой стрелки вокруг Солнца. Само Солнце сформировалось в результате коллапса под действием силы тяжести огромного облака газообразного водорода, и теперь, как и сопровождающая его свита из планет, оно вращается вокруг центра нашей галактики Млечный Путь, совершая один оборот за 230 миллионов лет. Млечный Путь – часть более обширного скопления галактик и нитей космического материала, которые пронизывают Вселенную и продолжают свой танец благодаря гравитации. От яблок, падающих с деревьев, до рождения и смерти всей Вселенной – за все ответственна гравитация, и только она.

Таким образом, неудивительно, что, поскольку притяжение Солнца определяет орбиты планет, оно определяет и траектории космических аппаратов, летящих сквозь Солнечную систему от одного небесного тела к другому. Преодоление гравитации Земли – основное препятствие для достижения космоса, и ракеты расходуют огромное количество топлива, чтобы добиться этой цели. Однако, когда аппараты уже в космосе, гравитация может оказаться другом – если знать, что делать.

Всемогущая гравитация

Первая научная теория гравитации принадлежит британскому математику и физику сэру Исааку Ньютону, опубликовавшему ее в 1687 году. Выведенный им закон всемирного тяготения определяет величину гравитационной силы, действующей между двумя телами, с учетом их масс и расстояния между ними. Благодаря этому закону появилась возможность точно описать движение планет. С его помощью Ньютон объяснил, почему соблюдаются законы движения планет, открытые в начале XVII века немецким астрономом Иоганном Кеплером. Кеплер сформулировал свои законы, изучая таблицы астрономических наблюдений, записывая, как положения планет менялись со временем, и отыскивая взаимосвязи, которые могли бы объяснить эти данные. Закон тяготения Ньютона дал эмпирической модели Кеплера прочную научную основу.

Хотя гравитация – безусловно, самая слабая сила природы, ее подспудное и совокупное действие определяет окончательную судьбу не только отдельных астрономических объектов, но и всего космоса.

Пол Дэвис (1994)

Кэтрин Джонсон (1918–2020)

Кэтрин Коулман (Джонсон – фамилия ее второго мужа) родилась 26 августа 1918 года в городе Уайт-Салфер-Спрингс в штате Западная Вирджиния. Проявив незаурядные математические способности, она с отличием окончила Государственный колледж Западной Вирджинии уже в 1937 году, когда ей было всего 18 лет. А позже стала третьим афроамериканцем, получившим степень доктора математики. В 1953 году она начала работать в National Advisory Committee for Aeronautics («Национальный консультативный комитет по воздухоплаванию»), или NACA (впоследствии был преобразован в NASA). Джонсон часто называли человеком-компьютером, поскольку она вручную выполняла сложные вычисления, которые сегодня производятся лишь в электронном виде. Например, именно она рассчитала траекторию полета, благодаря которой Алан Шепард стал первым американцем в космосе. На протяжении всей своей карьеры Джонсон приходилось преодолевать немало трудностей – как афроамериканке, работавшей в области, где доминировали белые мужчины. В 2015 году ее удостоили Президентской медали Свободы – одной из высших наград США, вручаемых гражданским лицам.

Первый закон Кеплера гласит, что орбиты планет не совпадают по форме с окружностью, а, как правило, являются эллиптическими (овальными). На самом деле большинство планет Солнечной системы движутся вокруг Солнца по почти круговым траекториям, единственное явное «исключение» – Меркурий: его орбита находится на расстоянии 46 миллионов километров от Солнца в перигелии (ближайшей к Солнцу точке орбиты) и в 70 миллионах километров в афелии (самой дальней точке).

Эти же законы применимы к космическим кораблям, которые движутся по Солнечной системе – но не за счет своих двигателей, а исключительно под действием силы тяжести. На момент написания этой книги два космических аппарата, солнечный зонд «Паркер» NASA и китайский «Чанъэ-2», находятся, подобно планетам, на гелиоцентрических орбитах, являясь искусственными спутниками Солнца. «Вояджеры», запущенные в 1970-х годах к внешним планетам Солнечной системы, тоже свободно фланируют в гравитационном поле нашей звезды, хотя эти аппараты уже вошли в межзвездное пространство и движутся так быстро, что даже сила притяжения Солнца не в состоянии вернуть их домой.

Законы Солнечной системы

Немецкий астроном Иоганн Кеплер вывел законы движения планет, которые фактически управляют всем в Солнечной системе, включая кометы, метеориты и космические корабли, после изучения данных, собранных датским астрономом Тихо Браге. Не буду вдаваться в математические подробности и раскрою здесь лишь суть этих законов. Первый закон гласит, что планеты движутся по эллипсу, а Солнце располагается в одном из фокусов этого эллипса. Согласно второму закону радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, «заметает» равные площади за равные промежутки времени по мере движения планеты. Третий закон заключается в следующем: если время, затрачиваемое планетой на один оборот (период обращения), возвести в квадрат, это число будет пропорционально кубу наибольшего диаметра ее орбиты. Так, если эллипс станет больше в четыре раза, время обращения увеличится в восемь (4³ = 64; √64 = 8).

Но мы слишком торопимся. Из предыдущей главы вы помните, как ракеты используются для поднятия космических кораблей с поверхности Земли до линии Кармана, которая обозначает границу между атмосферой нашей планеты и космосом. Так вот, если учесть то, что Ньютон и Кеплер поведали нам о гравитации и орбитах, как именно космический корабль прокладывает свой курс от берегов космического океана в межпланетное пространство?

Отправляемся!

Самый простой вид полетов в космос, который допускает гравитация, – это суборбитальные полеты: ракета взлетает с поверхности Земли и летит по гигантской дуге, возносясь немного выше линии Кармана, пока сила тяжести не вернет ее обратно на поверхность Земли. Когда 5 мая 1961 года Алан Шепард стал первым американцем в космосе, именно такой была траектория его 15-минутного полета. Корабль Шепарда стартовал с мыса Канаверал во Флориде на ракете «Меркурий-Редстоун» и достиг максимальной высоты в 188 км, после чего упал в Атлантическом океане в 487 км от места старта.

Оператор космического туризма Virgin Galactic скоро планирует запустить короткие суборбитальные экскурсии в космос: пассажиров будут поднимать над линией Кармана на космическом самолете с ракетным двигателем, который затем приземлится на взлетно-посадочной полосе, как обычный самолет. Суборбитальные траектории также все еще используются в некоторых научно-исследовательских полетах, когда небольшие твердотопливные «зондирующие ракеты» выводят научные приборы в космос для кратковременного сбора данных.

В отличие от других мы не замедлились, когда добрались до Луны: нам нужна была сила тяжести, чтобы вернуться.

Джеймс Артур Ловелл, командир корабля «Аполлон-13» (2011)

Следующий пункт назначения за линией Кармана – околоземная орбита. Удобство в орбитах любого рода состоит в том, что они самоподдерживающиеся Это означает, что, пока космический корабль находится на достаточной высоте, чтобы избежать торможения о нижележащую атмосферу планеты, которое может замедлить его, он будет бесконечно продолжать вращение по орбите без необходимости запуска двигателей.

Представьте пушку, расположенную на вершине высокой горы. Пушка стреляет снарядами вдоль линии горизонта, и каждый выстрел оказывается сильнее, чем предыдущий. Первый снаряд вылетает из пушки и приземляется у подножия горы, но по мере увеличения мощности каждый очередной снаряд оказывается все дальше и дальше от нее, пока в конце концов гравитации не удастся уронить снаряд таким образом, что тот облетит планету. Снаряд все еще падает под действием силы тяжести, но он движется так быстро, что поверхность планеты из-за своей кривизны движется с той же скоростью.

Низкая околоземная орбита (НОО) расположена примерно в 200 км над поверхностью Земли и простирается до 2000 км. Самая низкая траектория полета по НОО требует скорости примерно 7800 м/с (28 000 км/ч), поэтому космические аппараты, летящие по такой траектории, обычно совершают один оборот вокруг Земли за 90 минут. МКС с постоянным экипажем вращается вокруг Земли по НОО на высоте около 400 км. НОО обычно является отправной точкой для космических миссий, предполагающих дальние путешествия; также ее иногда называют парковочной орбитой, поскольку это первый пункт назначения после запуска с Земли.

Одним из следствий законов Кеплера является то, что чем выше космический аппарат вращается над планетой, тем медленнее он движется. При нахождении на НОО на высоте 1000 км орбитальная скорость снижается до 7400 м/с (26 640 км/ч), что увеличивает время одного оборота с 90 до 105 минут. Продолжайте увеличивать высоту, и в итоге период обращения окажется равен 24 часам, то есть периоду вращения Земли. Это происходит на высоте 35 786 км.

Если орбита находится непосредственно над экватором Земли, то наблюдателю с Земли, смотрящему вверх, будет казаться, что космический корабль завис в одной точке неба, поскольку он вращается с той же угловой скоростью, что и Земля вокруг своей оси. Такая орбита называется геостационарной.

Спутники связи и телевидения расположены на геостационарных орбитах, поэтому не нужно перемещать приемники, чтобы поймать сигнал. Поскольку спутники находятся над экватором, по крайней мере в северном полушарии спутниковые телевизионные тарелки на домах всегда указывают в южном направлении.

Поднимитесь на низкую околоземную орбиту, и вы окажетесь на полпути в любую точку Солнечной системы.

Роберт Хайнлайн (1950)

В числе других типов орбит – полярная, будучи на которой спутник, наклоненный к экватору под углом 90°, проходит над полюсами, и солнечно-синхронная, находясь на которой спутник всегда размещается между Солнцем и планетой и может наблюдать земную поверхность, освещенную солнечным светом.

Как добраться из точки А в точку Б

Для самых захватывающих космических миссий низкая околоземная орбита – это только начало. Сотрудники центра управления полетами выбирают момент и запускают двигатели космического аппарата, чтобы вывести его с НОО на так называемую гомановскую траекторию. Впервые описанная немецким инженером Вальтером Гоманом в 1925 году эта эллиптическая траектория перекрывает разрыв между двумя приблизительно круговыми орбитами. В результате второго включения двигателя космический аппарат переходит с гомановской траектории на более высокую (или низкую – в зависимости от направления движения) орбиту.

Гомановская траектория помогает преодолеть разрыв между двумя орбитами, расположенными на разных высотах над Землей. А также переместиться с околоземной орбиты на орбиту другой планеты в Солнечной системе. В этом случае необходимо тщательное планирование: одно дело просто «прыгать» между орбитами, но при перемещении с планеты на планету должна быть точка назначения. Например, бесполезно достигать орбиты Марса, если сама планета находится на противоположной стороне Солнца.