Орбитальная скорость

Что, если при входе в атмосферу тормозить космический корабль до скорости порядка нескольких миль в час с помощью двигателей, похожих на посадочные двигатели марсоходов?^[#]↲Mars-sky-crane — на английском, с картинками. — Прим. пер.↳ Можно ли тогда отказаться от тепловой защиты?

— Брайан

Возможно ли контролировать вход космического корабля в атмосферу таким образом, чтобы избежать аэродинамического сопротивления, избавившись тем самым от дорогой (и относительно хрупкой) тепловой защиты на обшивке?

— Кристофер Меллоу

Можно ли (небольшую) ракету (с полезной нагрузкой) поднять до такой высоты в атмосфере, где ей хватит небольшого реактивного двигателя, чтобы достичь второй космической скорости?

— Кенни Ван де Меле

Ответы на все эти вопросы вращаются вокруг одной и той же идеи. Я затрагивал ее в прошлых выпусках, но сегодня хочу рассмотреть подробнее:

Основная сложность с выходом на орбиту заключается не в том, что космос высоко.

Попасть на орбиту сложно, потому что нужно двигаться очень быстро.

Космос не такой:

Космос вот такой:

До космоса 100 километров. Это далеко (я бы не хотел карабкаться туда по лестнице), но не настолько далеко. Если вы находитесь в Сакраменто, Сиэтле, Канберре, Калькутте, Хайдарабаде, Пномпене, Каире, Пекине, центральной Японии, центральной Шри-Ланке или в Портленде, космос для вас ближе, чем море.

Отправиться в космос^[1]↲А именно, до низкой опорной орбиты: это высота, на которой находится Международная космическая станция и до которой еще долетают шаттлы. w:Низкая опорная орбита.↳ просто. На вашей машине, конечно, не получится совершить такое путешествие, но все же оно не вызовет больших трудностей. Можно отправить человека в космос с помощью маленькой метеорологической ракеты размером с фонарный столб. Самолет-ракетоплан X-15^[#]↲Самолет-ракетоплан w:North American X-15. — Прим. пер.↳ достиг космоса^[2],↲Х-15 достиг 100 километров дважды, оба раза им управлял Джо Уокер.↳ просто развив достаточно высокую скорость и направив нос чуть вверх^[3].↲Убедитесь, что вы направляете корабль вверх, а не вниз; в противном случае я вам не завидую.

Но попасть в космос легко. Сложно остаться там.

Сила притяжения на околоземной орбите почти такая же, как на поверхности Земли. МКС вовсе не за пределами действия гравитации: на нее действует примерно 90% от силы притяжения, ощущаемой нами на поверхности.

Чтобы избежать падения обратно в атмосферу, нужно двигаться по касательной очень, очень быстро.

Скорость, которую вы должны развить, примерно равна 8 километрам в секунду^[4].↲Немного меньше, если вы находитесь выше на низкой опорной орбите.↳ Только малая доля энергии ракеты тратится на подъем из атмосферы, основная часть уходит на набор орбитальной скорости (ее тангенциальной составляющей).

Это приводит нас к главной проблеме, мешающей выходу на орбиту: для набора космической скорости нужно намного больше топлива, чем для набора орбитальной высоты. Чтобы разогнать корабль до 8 км/с, нужно много ракет-ускорителей. Достичь космической скорости тяжело; достичь космической скорости, везя на себе топливо для плавного возвращения назад, было бы крайне непрактично^[5].↲Экспоненциальный рост является основной проблемой ракетостроения: топливо, необходимое для увеличения скорости на один км/с увеличивает ваш вес в 1,4 раза. Чтобы добраться до орбиты, вам необходимо достигнуть скорости в 8 км/с, а значит вам понадобится много топлива: в $1{,}4\times1{,}4\times1{,}4\times1{,}4\times1{,}4\times1{,}4\times1{,}4\times1{,}4\approx 15$ раз больше начального веса корабля. Использование ракет для замедления создаст ту же проблему: каждый км/с уменьшения скорости увеличивает начальную массу на тот же коэффициент — 1,4. Если вы хотите замедлиться до нуля — и мягко упасть в атмосферу — потребность в топливе заставит вас опять умножить вес на 15.

Возмутительные потребности в топливе — вот почему каждый космический корабль, входящий в атмосферу, тормозит, используя тепловые щиты вместо ракет: торможение о воздух является наиболее целесообразным способом замедления (и, отвечая на вопрос Брайана, марсоход Curiosity не был исключением. Несмотря на то, что он использовал ракеты, чтобы парить над поверхностью, в первую очередь марсоход использовал торможение о воздух, чтобы сбросить большую часть скорости).

И все же, 8 км/с — насколько это быстро?

Мне кажется, одна из главных причин путаницы заключается в том, что космонавты на орбите не выглядят двигающимися так быстро: похоже, будто они медленно плывут над голубым шариком.

Но 8 км/с — это молниеносно быстро. Когда смотришь на вечернее небо, иногда можно увидеть МКС, пролетающую мимо… а потом, спустя 90 минут, увидеть ее, пролетающую мимо, снова^[6].↲Существуют неплохие приложения и онлайн-сервисы. Больше всего мне нравится ISS Detector, а используя поиск в Google, вы можете найти много других.↳ За эти 90 минут МКС облетела всю планету.

МКС движется так быстро, что если выстрелить с одного края футбольного поля^[7],↲Любого вида.↳ Международная космическая станция пересечет поле до того, как пуля пролетит 10 метров^[8].↲Прием разрешен австралийскими правилами регби.

Давайте посмотрим, как выглядела бы прогулка по поверхности Земли на скорости 8 км/с.

Чтобы лучше почувствовать темп движения, давайте использовать ритм песни 1988 года группы The Proclaimers — Iʼm Gonna Be (500 Miles)^[9].↲Использование тактов для измерения времени также используется в сердечно-легочной реанимации, Stayinʼ Alive от Bee Gees тоже хорошо подходит.↳ Темп этой песни — примерно 131,9 ударов в минуту, так что представьте себе, что с каждым ударом вы двигаетесь вперед на 3 с лишним километра.

За время звучания первой строчки припева вы сможете пройти от Бронкса до Статуи Свободы.

Потребуется около двух строчек припева (4 такта), чтобы пересечь Ла-Манш между Англией и Францией.

С продолжительностью песни связано странное совпадение. Промежуток от начала до конца Iʼm Gonna Be — 3 минуты 30 секунд^[10],↲На основе длительности официального видео из YouTube.↳ а МКС двигается со скоростью 7,66 км/с.

Это значит, что если астронавт на МКС будет слушать Iʼm Gonna Be, с первого такта и до последних строк…

…он преодолеет ровно 1000 миль.