Искусственные спутники Земли и космические полеты
Полет с Земли в другие миры был мечтой многих мыслителей и фантазией писателей. Только русский изобретатель К. Э. Циолковский (1857-1935) разработал теорию единственно осуществимого, вполне реального способа преодолеть земное притяжение - теорию реактивного движения. Мечты и проекты Циолковского осуществились в нашей стране - на родине великого ученого.
Рисунок 35 - Эллиптическая орбита спутника становится более вытянутой с увеличением его начальной скорости.
4 октября 1957 г. в СССР впервые в мире был запущен первый искусственный спутник Земли. За ним последовал запуск спутников, снабженных сложной аппаратурой для изучения верхних слоев земной атмосферы. На втором советском спутнике впервые в мире было отправлено в космос живое существо - собака Лайка. Этот опыт доказал возможность полета в космос живых существ.
В космических кораблях-спутниках стали помещать собак и многих других животных, состояние и поведение которых в полете тщательно изучалось. Животных благополучно возвращали на Землю. Записи приборов и данные о состоянии животных передавались на Землю по телевидению и радио. Так шла подготовка к путешествию в космос человека.
Событие всемирно-исторического значения - полет человека в космос - произошло в СССР 12 апреля 1961 г. Майор Ю. Гагарин облетел земной шар на космическом корабле со скоростью около 8 км/сек за 1 ч. 48 мин. Его корабль летел в десятки раз выше, чем пассажирские самолеты. Корабль с первым космонавтом Ю. Гагариным благополучно приземлился в заранее установленном месте. Вслед за этим выдающимся событием последовали запуски в космос других космонавтов на все большие периоды времени. В 1965 г. советский космонавт А. Леонов впервые вышел из космического корабля непосредственно в космос. Проблема полета человека на другие миры и возвращения его на Землю стала в СССР технически осуществимой. Это открывает необозримые возможности дальнейшего овладения природой. Человек в космосе - это буквально человек на небе, том самом небе, которое отводится религией для обитания божества.
2 января 1959 г. в СССР впервые в мире был осуществлен запуск космической ракеты, вышедшей из поля притяжения Земли и сделавшейся спутником Солнца, подобно планете. Вторая советская космическая ракета была первой, которая достигла поверхности Луны и доставила туда вымпел СССР. Третья советская ракета вывела на орбиту автоматическую межпланетную станцию, которая обогнула Луну и сфотографировала ее невидимое с Земли полушарие, изучить которое еще несколько лет назад было мало надежды. На рисунке 37 показана траектория этой космической станции относительно Земли и Луны и то ее положение, из которого (по команде с Земли) была сфотографирована Луна.
Рисунок 36 - Орбита первой советской космической ракеты после превращения ее в спутника Солнца.
Для этого был выбран такой момент и такое положение станции, чтобы большая часть невидимого с Земли полушария Луны была освещена Солнцем. Фотографии обратной стороны Луны с ракеты по телевидению были переданы на Землю. В 1960-1965 гг. космические ракеты с приборами были отправлены к планетам Венере и Марсу, что явилось еще большим достижением, чем запуски ракет к Луне. Для сближения с другими планетами межпланетные станции запускаются по орбите, которая была бы касательной к орбите данной планеты. При этом время запуска рассчитывается так, чтобы станция подошла к орбите планеты в то время, когда сюда подойдет и планета. Время такого перелета исчисляется месяцами.
Приборы, установленные на спутниках и ракетах, доставили много ценных сведений об условиях в самых верхних слоях земной атмосферы и в космическом пространстве. Вот некоторые из этих сведений.
Земная атмосфера, разрежаясь с удалением от земной поверхности, прослеживается до расстояния не менее 3000 км. На расстояниях в десятки тысяч километров от поверхности Земли имеются пояса, заполненные частицами (протонами и электронами), носящимися хаотически с громадной скоростью и обладающими поэтому огромной кинетической энергией. Выяснение существования и расположения этих зон очень важно для развития космонавтики, при посылке людей за пределы Земли. Мелких камешков и песчинок (метеорных тел) в межпланетном пространстве не так много, чтобы они представляли собой большую опасность для межпланетных полетов.
Было установлено, что Луна не окружена поясами таких частиц и не имеет магнитного поля. Поскольку магнитного поля у Луны нет, компас там будет бесполезен для будущих исследователей лунной топографии и для лунных «туристов».
С помощью межпланетных станций уточнены физические условия на Венере и получены (с близкого расстояния) подробные фотографии поверхности Луны и Марса.
По фотографиям с советских межпланетных космических станций была составлена карта невидимого с Земли полушария Луны. Оно гораздо гористее, чем видимое, и на нем меньше больших впадин.
Живые организмы, даже человек, вполне приспособлены к тому, чтобы переносить необычайные условия невесомости в космическом полете, а также огромное ускорение при запуске корабля.
Исключительные успехи Советского Союза в запуске спутников и ракет, ведущие к завоеванию человеком космического пространства, к возможности посещать, изучать и использовать другие миры, обусловлены высоким развитием техники и условиями социалистического производства, превосходством социалистического способа производства над капиталистическим.
Рисунок 37 - Орбита третьей советской космической ракеты.
Основы теории преодоления притяжения Земли вытекают из учения о тяготении, согласно которому орбита тела зависит от скорости движения. Расчет показывает, что тело, получившее в горизонтальном направлении скорость 7,8 км/сек, уже не упадет на Землю, а, преодолев земное притяжение, будет обращаться вокруг нее, как Луна. Скорость от 7,8 до 11,2 км/сек называется первой космической скоростью. Такую огромную скорость может развить только многоступенчатая ракета, о принципе устройства и движения которой говорится в курсе физики.
Если искусственный спутник в ближайших к Земле частях своей орбиты погружается хотя бы в верхние слои земной атмосферы, то он испытывает постепенно все большее торможение. Скорость его уменьшается, и спутник начинает приближаться к Земле, а от этого и период его обращения также уменьшается. Когда он входит в более низкие и плотные слои атмосферы, то от сопротивления воздуха нагревается и без принятия особых мер (тепловой защиты) сгорает.
Успешный спуск космических кораблей на Землю также является величайшим достижением науки и техники. Чем больше начальная скорость ракеты, тем больше большая полуось ее орбиты, которая при скорости более 7,8 км/сек будет эллиптической. В одном из ее фокусов будет находиться центр Земли. Ближайшая к Земле точка орбиты называется перигей, а наиболее удаленная - апогей. Чем больше эксцентриситет орбиты (ее вытянутость), тем больше различаются между собой высоты перигея и апогея. Размер орбиты и период обращения спутника связаны друг с другом третьим законом Кеплера, как и движение планет вокруг Солнца.
Вывод ракеты на желаемую орбиту осуществляется по радио с Земли. Расчеты и осуществление точно заданного движения делаются с поразительной точностью. При достижении скорости 11,2 км/сек, называемой второй космической скоростью, тело полетит по параболической орбите относительно Земли и к ней уже не вернется.
Земля вращается вокруг оси, поэтому все предметы на ее экваторе имеют наибольшую линейную скорость вращения (465 м/сек). Если ракету запускать вблизи плоскости земного экватора, то к скорости, создаваемой двигателем, прибавляется линейная скорость вращения Земли, поэтому и космическая скорость достигается легче. Но спутник с орбитой, близкой к плоскости экватора, невидим на умеренных широтах, например в Европе.
Запуск спутника под большим углом к экватору со средних широт труднее, так как вращение Земли там мало помогает в достижении нужной скорости. Зато такой спутник пролетает над большей частью земной поверхности и может быть видим практически отовсюду. Именно так запускаются спутники в Советском Союзе.
При удалении ракет от Земли их притяжение Луной и Солнцем возрастает по сравнению с земным. В результате этого траектория ракет меняется. Их движения рассчитываются по тем же теориям, что и движения естественных небесных тел.
На движение спутников влияет сжатие Земли у полюсов, которое можно определить, изучая движение спутников. Эти определения имеют большое практическое значение для составления географических карт. Благодаря измерениям, проводимым при помощи спутников и ракет, астрономия стала до некоторой степени экспериментальной наукой. Она может теперь ставить некоторые опыты, а не только пассивно наблюдать небесные тела.
Астрономия в известной мере предсказывает, какие условия встретят ракеты и космические путешественники в межпланетном пространстве, на Луне и планетах. Она указывает пути к завоеванию космического пространства, пути к началу новой эры в истории человечества. Недалеко уже то время, когда успехи науки и техники позволят человеку полететь на Луну и другие планеты.
Религия резко разграничивала земное и небесное, утверждая, что небо - это обиталище божества. Астрономия показала, что небесные светила так же материальны, как и Земля. Более того, некоторые из них похожи на Землю. Религия утверждала, что небесные светила созданы богом. А теперь человек сам создает небесные тела - спутники Земли и спутники Солнца. Это показывает неограниченные возможности человеческого разума и вздорность религиозных верований.
Упражнение 4.
Зная период обращения Луны вокруг Земли и большую полуось ее орбиты (см. в приложениях), при помощи третьего закона Кеплера определите периоды обращения двух искусственных спутников, у которых высоты перигея над поверхностью Земли 200 и 600 км, а высоты апогея соответственно 300 и 3000 км. Землю при этом принять за шар с радиусом 6370 км.