Невесомость

Прошло уже более 60-ти лет с тех пор, когда весь мир затаив дыхание вслушивался в радиосигналы первого искусственного спутника Земли. А сегодня на орбитах ближнего космоса становится «тесно» разнообразным действующим и давно отслужившим космическим аппаратам. Но большинство современных людей имеет весьма абстрактное представление о таинственном явлении - невесомости.

Некоторые этим просто не интересуются, другие не могут понять, потому что не получают доходчивого объяснения. А в нашем государстве - первом завоевателе космоса, вообще убрали науку-астрономию из перечня общеобразовательных предметов. Зато теперь умы подрастающего поколения наполняются астрологией и законом божьим. Даже великий Интернет по запросу «невесомость» выдаёт занаученные и непонятные большинству формулировки.

Многие думают, что в космосе невесомость возникает сама по себе и царит там повсеместно. Но безвоздушное пространство и сила тяжести никак между собой не связаны. Если бы ракета улетела строго вертикально хоть на сотни, хоть на тысячи километров от Земли, а потом выключила двигатели, то просто упала бы с этой высоты обратно, на то же место, откуда стартовала. Как обычный кирпич падает с верхнего этажа стройки.

Чтобы космический аппарат держался на орбите, ему необходимо разогнаться горизонтально. Абсолютная невесомость существует, но на значительном удалении от Земли, не менее 20 миллионов километров, а это в 500 раз больше расстояния до Луны. Чтобы не путать людей, следовало бы рассматривать и изучать отдельно абсолютную невесомость, которая существует только на значительном удалении от планеты или светила, и орбитальную невесомость, которая возникает при полёте вокруг Земли.

Если налить в ведро немного воды, а затем быстро раскрутить его в вертикальной плоскости, то вода не будет выливаться вам на голову благодаря центробежной силе. Или представьте, что мчитесь на мотоцикле через арочный мост - при достижении достаточной скорости, колёса мотоцикла оторвутся от изгиба моста, и Вы на некоторые мгновения «зависните» над его поверхностью.

И вода в ведре и мотоцикл на арочном мосту обретают невесомость только благодаря центробежной силе (силе инерции). Аналогичным образом летают космические корабли и спутники. Только у Земли нет верха или низа. Вернее, низом следует считать ядро планеты – её центр, а верхом всю сферическую поверхность.

Сначала ракета подобно лифту, строго вертикально поднимается на высоту не менее ста километров. Очень экстремально и грандиозно. Сотни тонн железа и топлива «едут» вверх, в прямом смысле балансируя на столбе пламени, яростно вырывающегося из сопел двигателей. Это аналогично удержанию палки в вертикальном положении на кончике пальца.

Основные (маршевые) двигатели толкают ракету, а несколько мелких автоматически постоянно сохраняют равновесие, слегка изменяя углы направления своих реактивных струй. На документальных кадрах можно увидеть, как первые экспериментальные ракеты постоянно теряли баланс и сваливались на Землю.

При достижении необходимой высоты ракета начинает плавно, умышленно заваливаться на бок и увеличивает скорость. К этому моменту значительная часть топлива сгорает, а 4 из 5-ти двигателей (кроме центрального) и воздушные обтекатели отделяются, избавляя космический аппарат от бремени бесполезной массы. Теперь, в облегчённом виде, на единственном центральном двигателе, оставшаяся часть ракеты разгоняется до первой космической скорости и окончательно ложится горизонтально.

Когда почти всё топливо израсходовано, отделяется последний маршевый центральный двигатель. А космический аппарат в ещё значительно уменьшенном и облегчённом виде продолжает горизонтальный полёт только по инерции. Он «стремится» лететь по прямой линии, но Земля своим притяжением загибает его траекторию вокруг себя. В то же время, набранная скорость (28 тыс. км/ч.) позволяет бесконечно продлевать это «падение» за горизонт. Это и есть орбитальный полёт.

Для возвращения на землю включается небольшой тормозной двигатель, сопло которого направлено вперёд, и частично гасит скорость. Аппарат теряет высоту и «цепляется» за верхние рыхлые слои воздуха, проваливается ещё глубже, тормозится об атмосферу, после чего раскрывает парашют и благополучно спускается на землю.   

Первая космическая скорость создаёт направленную вверх центробежную силу, которая уравновешивает земное притяжение, благодаря чему и возникает та самая невесомость. Для разных планет эта скорость будет разной. Для Земли она равна 8 км в секунду или 28 тысяч км в час. Это в 10 раз быстрее пули, и в 30 раз быстрее реактивного авиалайнера.

Если бы Земля не имела атмосферы и была гладкой, как бильярдный шар, то можно было прямо по поверхности разогнать до первой космической скорости тележку с реактивным двигателем. При достижении 28 тыс. км/ч эта колесница обретёт невесомость, оторвётся от Земли, благодаря её выпуклости, (как мотоцикл на арочном мосту) и перейдёт на бреющий орбитальный полёт.

А поскольку атмосферы у нас условно нет, то нет и сопротивления воздуха. И тележка, однажды получив ускорение в 28 тысяч км/час, так и будет вечно носиться низко вокруг Земли уже без тяги реактивного двигателя.

Так что высота, которую набирает космическая ракета, необходима только для того, чтобы подняться над атмосферой, не позволяющей разогнаться даже до десятой доли первой космической скорости. Вакуум не создаёт сопротивления разгону, и начинается на высоте 120 км. Оказавшись в  безвоздушном пространстве (вакууме) ракета, чтобы обрести невесомость и остаться на орбите, плавно переходит из вертикального полёта в горизонтальный с набором скорости до 28 000 км/час

Чем массивнее планета, тем бОльшая скорость потребуется для орбитального полёта, и наоборот. Например, на Луне сила тяжести в 6 раз меньше Земной, и 90-килограммовый человек там будет весить всего 15 кг. Поэтому для орбитального полёта вокруг Луны достаточно скорости только 6 тыс. км/час. Поскольку на Луне нет атмосферы, а самая высокая гора 11,5 км, то орбиту можно заложить там уже на высоте 12 км.

Представим, что некий астронавт высадился на небольшой астероид (мини-планету) шарообразной формы с радиусом всего 200 метров. Тогда он легко смог бы бросить камень в самого себя. Метнуть его за горизонт, который там очень близок, и через полминуты получить удар по затылку тем же камнем, прилетевшим из-за горизонта уже сзади. При таком малом радиусе и слабом притяжении астероида, достаточно и силы человеческой руки, чтобы булыжник мог облететь вокруг этой мини-планеты. Скорость броска и будет для неё первой космической скоростью.

А если бы наша Земля была более массивной, обладая бОльшим притяжением, то сегодня мы вряд ли жили в век космических полётов, потому что ещё не смогли строить столь мощные ракеты, которым для выхода на орбиту потребовалось бы разгоняться в разы быстрее.

Например, для Юпитера (самой массивной планеты солнечной системы) первая космическая скорость должна быть в сорок раз быстрее, чем для Земли (1 млн. 200 тыс.км/ч.)

Чем выше орбита, тем соответственно больше длина её окружности. То есть, чем выше летит космический аппарат, тем больше километров будет в одном витке. При этом сила притяжения Земли с увеличением расстояния от неё действует слабее. Следовательно, скорость, которая создаст необходимую центробежную силу для удержания аппарата на высокой орбите, потребуется меньше, чем для низкой орбиты.

Но для того, чтобы вырваться из «объятий» земного притяжения и улететь на значительное расстояние от планеты, необходимо разогнаться на низкой орбите до второй космической скорости – 42 тыс.км/ч. На такой скорости космический аппарат будет лететь вокруг Земли не по замкнутой орбите, а по спирали, пока не удалится за пределы зоны притяжения, после чего траектория полёта станет прямой.

Если же скорость будет меньше второй космической, то сила земного притяжения не отпустит аппарат (поскольку тянет его не только вниз, как при орбитальном полёте, а ещё и назад, потому что он как бы поднимается в гору), и постепенно загнёт траекторию его полёта обратно. Он начнёт падать к Земле, но не прямо на неё, а вскользь. С сокращением расстояния будет увеличиваться притяжение, а следовательно и скорость. Затем аппарат на близком расстоянии обогнёт Землю, но благодаря набранной скорости при «падении», разовьёт огромную центробежную силу, и она метнёт его обратно на высоту, с которой он свалился.

Как если на бегу схватиться рукой за столб, закрутиться вокруг него в пол-оборота, разжать руку и спотыкаясь помчаться обратно. Но между столбом и телом привязана резинка, которая постепенно затормозит убегание, потянет обратно и всё повторится.

По таким вытянутым орбитам летают кометы вокруг Солнца, замедляясь в апогее и максимально ускоряясь в перигелии (наименьшем расстоянии от светила). Например, комета Галея каждые 72 года возвращается к Солнцу, которое своим мощным притяжением разгоняет её, и центробежная сила снова выстреливает комету на окраину системы.

По этому принципу «забрасываются» геостационарные спутники. Достигнув апогея, они включают корректировочный двигатель, чтобы поддержать угасающую скорость, что позволяет закрепиться на высокой круговой орбите и не свалиться обратно.      

Однако, скорость геостационарных спутников меньше первой космической (28 тыс.км/ч) в 3 раза. Это потому, что на таком расстоянии притяжение Земли в 3 раза слабее, чем вблизи. В то же время, длина окружности орбиты таких спутников равна 226 тысяч км. Это замкнутое расстояние геостационарные спутники пролетают на скорости около 10 тыс. км/ч. ровно за сутки (одно обращение Земли вокруг собственной оси).

Геостационарная орбита пролегает над экватором, то есть строго в плоскости вращения нашей планеты, на высоте 36 тыс. км. Потому что на этой высоте один виток аппараты пролетают за сутки, то есть синхронно с вращением Земли. Таким образом, спутники, выведенные на геостационарную орбиту, как бы висят над конкретными точками на земле. Благодаря этому эффекту родился фантастический проект космического лифта…

Идея такова, что если бы удалось изготовить очень лёгкую и прочную ленту, то её можно было спустить с геостационарного спутника на Землю, натянуть, и транспортировать по ней полезные грузы в космос. Но центробежной силы спутника едва хватает на то, чтобы он держался на своей высоте. А для передвижения лифта по натянутой между Землёй и спутником ленте необходим избыток этой силы.

Для этого спутник, а точнее конечная станция космического лифта должна располагаться выше геостационарной орбиты. За счёт того, что скорость этой станции такая же, как для высоты 36 тыс. км. (синхронной с вращением Земли), а располагается она выше (более 40 тыс.км.), где достаточно меньшей скорости, возникает избыток центробежной силы относительно Земли.

Массивная станция будет стремиться подняться выше, создавая тем самым натяжение ленты космического лифта. Подобно тому, как в лёгкой атлетике метатель «молота» раскручивает металлическое ядро на тросе, который сильно натягивается. Только в роли атлета будет выступать сама планета Земля. Скорости её суточного вращения достаточно, чтобы груз (конечная станция) на расстоянии более 40 тыс. км. создавал натяжение ленты, а космический лифт мог легко по ней подниматься…

По этой ссылке можно прочитать статью про космический лифт -
 http://galspace.spb.ru/nature.file/lift.html

А тут очень наглядный 2-х серийный док.фильм от 1-го канала «Открытый космос» 
https://www.youtube.com/watch?v=qqBa_uxs6v8

С 58-летием первого орбитального полёта человека!