Карл Гильзин - Путешествие к далеким мирам
Для науки чрезвычайно ценно уже одно только то, что в небе появились другие небесные тела, другие спутники Земли, помимо извечного ее спутника — Луны. Но еще более ценно то, что эти новые спутники во многом отличны от Луны, что они имеют несравненно меньшие размеры, чем Луна, обращаются вокруг Земли на несравненно меньших расстояниях и имеют соответственно меньший период обращения. Вследствие этих отличий на движении искусственных спутников, которое подчиняется, естественно, тем же законам, что и движение Луны, будут сильно сказываться многие факторы, практически не сказывающиеся на движении Луны. Будет сказываться, конечно, и то очень важное обстоятельство, что искусственные спутники движутся в иной плоскости вокруг Земли, чем плоскость движения Луны.
Вот почему искусственные спутники и являются очень ценными научными приборами. Изучая особенности их движения, можно сделать научные выводы большой важности. Так, например, неизмеримо сильнее, чем на движении Луны, будут сказываться на спутниках такие особенности Земли, как ее сплющенность, то есть отличие от правильной геометрической формы шара, (истинная форма земного шара — геоид — близка к эллипсоиду вращения), или же неоднородность ее строения, то есть неравномерное размещение масс внутри земной коры. Из-за этих особенностей Земли орбита искусственного спутника не будет точно круговой или эллиптической, она будет, как говорят, искажена. Кроме того, она не будет занимать фиксированного положения в пространстве (не будет перемещаться параллельно самой себе), а будет вращаться по сложным законам. Естественно, что по этим причинам будет изменяться и скорость движения спутника по орбите.
Значит, точно измеряя эти, как их называют, возмущения орбиты искусственного спутника, можно судить о вызывающих их причинах. Таким методом можно, например, определить точную форму или, как говорят, фигуру Земли, проверив заодно и другие, используемые в настоящее время методы. Этим будет оказана большая помощь геодезии — науке об измерении Земли и картографии — карты станут более точными. В частности, можно будет гораздо точнее, чем теперь, установить расстояние между земными материками и, наконец, выяснить, действительно ли перемещаются материки, как это предполагается некоторыми учеными, и если да, то как именно. Или, например, можно будет судить о неравномерностях строения земной коры, что может принести большую пользу геологии. В частности, с помощью таких гравиметрических наблюдений (то есть наблюдений за изменением силы тяжести в разных точках земной поверхности) могут быть обнаружены новые месторождения полезных ископаемых.
Наблюдая за орбитой искусственного спутника, можно сделать и еще один вывод, имеющий огромное значение для науки. Особенно важен этот вывод, в частности, потому, что никаким другим способом наука пока получить его не в состоянии. Речь идет об определении плотности воздуха в верхних слоях атмосферы, на границе ее с мировым пространством. Это конечно, имеет далеко не один только академический интерес. На такие огромные высоты уже забираются автоматические ракеты; за первыми спутниками появятся и другие, на разных высотах; недалеко то время, когда там будут летать и люди. А ведь впереди — межпланетный полет, при котором, конечно, корабль должен пересечь всю атмосферу, снизу доверху. И для всего этого совершенно необходимо точное знание плотности и других свойств атмосферы на всем ее протяжении — иначе нельзя точно рассчитать полет, а без такого расчета нельзя быть до конца уверенным в его успехе.
Но как же можно узнать с помощью спутника, какова плотность тех крайне разреженных слоев атмосферы, в которых он движется? Должны ли для этого находиться на спутнике какие-нибудь приборы, измеряющие плотность воздуха и сообщающие результаты своих измерений на землю?
Нет, необходимости в таких приборах в этом случае, к счастью, нет.[47] Задача может быть решена и без них. Для этого, как указывалось выше, требуются лишь тщательные наблюдения за движением спутника: он сам снова становится измерительным прибором. Все дело в том сопротивлении, которое оказывает спутнику воздух, в котором он движется.
Как известно, воздух оказывает сопротивление всякому движущемуся в нем телу. Это так называемое аэродинамическое сопротивление зависит от плотности воздуха, оно тем больше, чем больше эта плотность. Конечно, спутники движутся в самых верхних, крайне разреженных слоях атмосферы, где плотность ничтожно мала, но все же и этот воздух оказывает сопротивление движению спутника, правда, сопротивление очень небольшое. Измеряя это сопротивление, можно довольно точно определить плотность земной атмосферы на огромных высотах.
Но разве возможно измерить аэродинамическое сопротивление спутника в его полете по орбите? На первый взгляд это представляется еще гораздо более трудной задачей, чем непосредственное измерение плотности воздуха. Ведь для измерения этого сопротивления при испытаниях самолетов или их моделей в аэродинамических трубах служат специальные высокоточные аэродинамические весы, самописцы и другие приборы. Что же заменит их в данном случае?
Вот тут-то и появляется на сцену сам спутник как высокочувствительный измерительный прибор. Дело в том, что орбита спутника очень чутко реагирует на его скорость, даже ничтожное изменение скорости ощутительно изменяет орбиту. Поэтому точные измерения орбиты позволяют судить об изменении скорости движения спутника, а значит, и о величине воздушного сопротивления, которая, как указывалось выше, прямо пропорциональна плотности воздуха.
Кстати, в значительной мере именно из-за этого использования аэродинамического сопротивления спутника для определения плотности атмосферы в ее верхних слоях первому советскому спутнику была придана шаровая форма. Аэродинамическое сопротивление шара изучено лучше, чем других тел. Кроме того, как бы шар ни вертелся в полете, он все равно остается шаром. А представьте себе спутник в виде цилиндра. Летит такой цилиндр вокруг Земли и при этом поворачивается то одним боком, то другим. Ведь так и обстояло дело, например, со вторым советским спутником, яркость которого, как и яркость ракеты-носителя первого спутника, менялась в полете. Но понятно, что каждому положению цилиндра будет соответствовать свое сопротивление. Как же тут разобраться, какова истинная величина этого сопротивления, чтобы по ней определить плотность воздуха? Тут можно сильно ошибиться…
Как же должно влиять на орбиту искусственного спутника сопротивление атмосферы? Хорошо известно, что сопротивление воздуха мешает полету самолета, тормозит его. Если бы на самолете не было двигателя, то скорость его полета под действием этого сопротивления непрерывно уменьшалась бы. Значит, и скорость спутника должна постепенно уменьшаться, ведь на спутнике нет двигателя, который мог бы восстановить потерю скорости. Но в действительности скорость спутника, как показали наблюдения за первыми советскими спутниками, не только не уменьшается, а непрерывно возрастает!
Чем же объяснить этот парадокс, это кажущееся противоречие?
Оно объясняется тем, что, как и следовало ожидать, все-таки существует «двигатель», вызывающий этот неожиданный рост скорости спутника. Таким двигателем является Земля, сила ее тяготения. Как только скорость спутника под влиянием воздушного сопротивления оказывается меньшей, чем это требуется для полета по данной орбите, он под действием притяжения к Земле начинает двигаться по другой орбите. Новая орбита отличается от исходной, главным образом, высотой своего апогея — она уменьшается; высота перигея тоже уменьшается, но неизмеримо медленнее. Значит, эллипс становится менее вытянутым, он приближается к кругу. Средняя же скорость спутника по всей орбите не только не уменьшается, но даже возрастает — сказывается снижение спутника, его падение в поле земного тяготения (в то же время максимальная скорость спутника, то есть его скорость в перигее, при таком торможении спутника уменьшается, что очень важно для посадки межпланетного корабля, о которой будет идти речь в главе 17).
Чем сильнее влияет воздушное сопротивление на движение спутника, тем значительнее его снижение и больше рост средней скорости движения. В итоге же уменьшается период обращения спутника вокруг Земли — и потому, что уменьшается проходимый за каждое обращение путь, и потому, что свой путь спутник проходит с большей скоростью. Наблюдая за тем, как уменьшается период обращения спутника, можно судить о величине воздушного сопротивления и, значит, о плотности воздуха на тех высотах, где движется спутник.
Именно из-за воздушного сопротивления оказалась различной судьба первого советского спутника и его ракеты-носителя. Вначале, когда спутник был вытолкнут из ракеты-носителя, он ушел вперед километров на тысячу. Однако потом, под действием воздушного сопротивления, значительно большего для ракеты-носителя[48] ракета начала постепенно нагонять спутник. Примерно через 5 дней она уже догнала спутник и стала все быстрее удаляться от него, приближаясь вместе с тем к Земле. Когда спутник совершил 500 оборотов вокруг Земли, то ракета-носитель обогнала его уже на целых два оборота, совершив за это же время 502 оборота. 2 декабря 1957 года ракета-носитель обогнала спутник уже на 12 оборотов — она сделала 900 оборотов, тогда как спутник — 888 оборотов вокруг Земли. Вслед за этим ракета-носитель вошла в наиболее плотные слои атмосферы и через два месяца после запуска перестала существовать — отдельные оплавленные части ее упали на территории Аляски и западного побережья США. Спутник же по-прежнему продолжал полет вокруг земного шара и 9 декабря завершил 1000-й оборот вокруг него, пройдя путь в 43,2 миллиона километров. Он прекратил свое существование примерно через месяц после гибели ракеты-носителя, 4 января 1958 года, совершив за 3 месяца 1400 оборотов вокруг Земли и пройдя путь около 60 миллионов километров.
