При посадке на планету лишенную атмосферы космический корабль
Обновлено: 05.10.2024
КОРИДОР ИЗ КОСМОСА А. ШИБАНОВ, инженер,
член литобъединения журнала
| О |
кутанная голубоватым сиянием атмосферы планета с каждым часом увеличивается в размерах. Трудный и долгий космический рейс приближается к концу. Приборы-автоматы делают последние перед посадкой измерения и неожиданно докладывают, что планета. заперта.
Планеты на замке
Многокилометровая толща атмосферы таит в себе угрозу для всякого тела, вторгающегося в нее с большими космическими скоростями. Наглядным примером тому служат метеориты.
Далеко не все из них достигают поверхности Земли. Большая часть сгорает в атмосфере. Это и не удивительно, так как аэродинамический нагрев летящих тел пропорционален их скорости, возведенной в куб.
Космическая „карусель"
Известно, что сопротивление, которое испытывает космическое тело в воздушных слоях, зависит не только от его скорости, но и от угла, под которым оно входит е атмосферу. Наиболее сильный нагрев и наибольшие перегрузки - при вертикальном вхождении. Метеориты сплошь и рядом следуют именно по этому пути.
Чтобы космическая ракета не разделила печальной участи метеоритов, нужно найти другой путь проникновения в атмосферную оболочку планеты. Чем больше траектория космического тела отклоняется от роковой вертикали, тем слабее воздействие на него атмосферы. Увеличивается путь, проходимый телом в верхних разреженных слоях, а следовательно, увеличивается и их тормозящее действие. Поэтому корабль успеет потерять часть своей кинетической энергии, прежде чем войдет в плотные слои атмосферы. На первый взгляд кажется, что приземляющаяся космическая ракета должна войти в атмосферу Земли или какой-нибудь другой планеты под углом как можно меньшим.
Однако, если угол вхождения космического корабля в атмосферу будет слишком мал, то сопротивление разреженных слоев окажется настолько незначительным, что не сможет погасить его громадную космическую скорость. Подобно комете, корабль промчится сквозь верхние разреженные слои атмосферы и снова уйдет в безвоздушное пространство. И только сила земного притяжения где-то задержит его. Описав под действием сил тяготения эллипс, корабль вернется в атмосферу Земли, чтобы затем снова проскочить сквозь разреженные воздушные слои в космическое пространство. Такое многократное прохождение сквозь земную атмосферу будет повторяться до тех пор, пока корабль не растеряет свою громадную кинетическую энергию и не пойдет на посадку.
Способ многократного торможения в атмосфере как будто не влечет катастрофических последствий. В теории космических полетов до недавнего времени он считался даже одним из наиболее целесообразных. До тех пор, пока не были обнаружены пояса радиации.
Коридоры-проспекты и коридоры-щели
Такие жесткие рамки приземления приводят некоторых зарубежных специалистов к пессимистическому выводу, что существующие системы управления космическими ракетами и даже предполагаемые системы управления ближайшего будущего не обеспечат требуемой точности. Трудно согласиться с этими безнадежными прогнозами, ведь буквально каждый день приносит нам новые научные открытия и технические достижения, опережающие порою даже мечты фантастов.
Если ошибся дверью.
1. Во сколько раз уменьшится сила тяготения между однородным шаром и материальной точкой, соприкасающейся с шаром, если материальную точку удалить от поверхности шара на расстояние, равное двум диаметрам шара?
2. На какой высоте (в км) над поверхностью Земли ускорение свободного падения в 16 раз меньше, чем на земной поверхности? Радиус Земли 6400 км.
3. Спутник движется по круговой орбите в плоскости экватора на высоте от поверхности планеты, равной ее радиусу. Найдите линейную скорость (в км/с) спутника. Радиус планеты 7200 км. Ускорение свободного падения на поверхности планеты 10 м/с.
нет правильного ответа
4. Определить плотность шарообразной планеты, если вес тела на полюсе в 2 раза больше, чем на экваторе. Период вращения планеты вокруг своей оси Т = 2 ч 40 мин.
5. Имеется шар массой M и радиусом R и материальная точка массой m. Во сколько раз уменьшится сила тяготения между ними, если в шаре сделать сферическую полость радиусом 5R/6? Материальная точка лежит на прямой, проведенной через центры шара и полости, на расстоянии R от центра шара и на расстоянии 5R/6 от центра полости.
нет правильного ответа
6. Телу, находящемуся на поверхности Земли, сообщена вертикальная скорость 15 км/с. Какую скорость будет иметь тело, когда удалится в бесконечность?
нет правильного ответа
7. Спутник поднимают на высоту h = 6370 км и запускают его по круговой орбите на той же высоте. Определить отношение работ на поднятие и на запуск спутника.
8. Космический корабль, имеющий скорость v = 10 км/с, попадает в неподвижное облако микрометеоров. В объеме Vo = 1 m3 пространства находится n = 1 микрометеор. Масса каждого микрометеора mo = 2×10-5 кг. На сколько должна возрасти сила тяги двигателя, чтобы скорость корабля при прохождении через облако не изменилась? Лобовое сечение корабля S = 49 м2 . Удар микрометеоров об обшивку корабля считать неупругим.
нет правильного ответа
9. На какой высоте ускорение свободного падения составляет 25% его значения на поверхности Земли?
10. В безграничной среде плотностью ro = 1000 кг/м3 находятся на расстоянии 20 см от центров друг друга два шара объемами V1 = 30 см3 и V2 = 40 см3 , плотностью r = 2000 кг/м3 . Определить силу взаимодействия между шарами.
9. Тесты по динамике: Импульс. Закон сохранения импульса
1. Мячик массой 200 г летел со скоростью 20 м/с. После удара о стенку он отскочил под прямым углом к прежнему направлению со скоростью 15 м/с. Найдите модуль изменения импульса мячика при ударе.
2. Ракета массой 2 т неподвижно висит над землей, выбрасывая вниз реактивную струю со скоростью 1250 м/с. Какая масса газов выбрасывается в струе за 1 c?
3. Конькобежец катил груженные сани по льду со скоростью 5 м/с, а затем толкнул их вперед и отпустил. С какой скоростью (в см/с) покатится конькобежец непосредственно после толчка, если скорость саней возросла до 8 м/с? Масса саней 90 кг, масса человека 60 кг. В ответе укажите модуль скорости.
нет правильного ответа
4. От поезда, идущего с постоянной скоростью 64 км/ч, отделяется пятая часть состава. Через некоторое время скорость отделившихся вагонов уменьшилась в 2 раза. Считая, что сила тяги при разрыве не изменилась, найдите скорость (км/ч) головной части поезда в этот момент. Сила трения пропорциональна весу.
5. Тонкую мягкую цепочку массой 200 г удерживается за один конец так, что другой ее конец касается стола. Цепочку отпускают, и она падает на стол. Считая, что все элементы цепочки, находящиеся в воздухе, падают свободно, найдите силу давления на стол в тот момент, когда в воздухе находится половина цепочки.
нет правильного ответа
6. Тележка стоит на гладких рельсах. Человек переходит с одного ее конца на другой параллельно рельсам. На какое расстояние относительно земли переместится при этом тележка? Масса человека 60 кг, масса тележки 120 кг, ее длина 6 м.
нет правильного ответа
7. Ракета массой 3 т поднимается вертикально вверх с ускорением 5,6 м/с2, находясь на высоте 1600 км над Землей. Какая масса газов выбрасывается из сопла ракеты за 1 с? Скорость выброса газов 1800 м/с. Радиус Земля 6400 км.
8. Снаряд, летящий с некоторой скоростью, распадается на два осколка. Скорость большего осколка по величине равна начальной скорости снаряда и направлена перпендикулярно к ней. Скорость другого осколка по величине в 5 раз больше первоначальной. Найдите отношение масс осколков.
9. Тело массой m, имеющее начальную скорость vo, попадает в вязкую среду, сила сопротивления движению тела которой пропорциональна его скорости: F = av, где a – известный коэффициент. Определите путь S, пройденный телом до остановки.
10. При посадке на планету, лишенную атмосферы, космический корабль сначала облетает ее на малой высоте с выключенными двигателями. Затем он уменьшает скорость на 20%, и при новом режиме облета расход реактивного топлива составляет 3 кг/с. Каким будет расход топлива при уменьшении скорости облета еще вдвое? Скорость выброса газов постоянна.
Одной из самых сложных проблем космонавтики является посадка космического корабля или контейнера с научной аппаратурой на Землю или планету назначения. Методика посадки на различные небесные тела существенно зависит от наличия атмосферы на планете назначения, от физических свойств поверхности и многих других причин. Чем плотнее атмосфера, тем проще погасить космическую скорость корабля и посадить его, ибо планетная атмосфера может быть использована в качестве своего рода воздушного тормоза.
Можно указать три способа посадки космических кораблей. Первый способ – жёсткая посадка, происходящая без гашения скорости корабля. Сохраняя в момент удара с планетой космическую скорость, корабль разрушается. Например, при сближении с Луной скорость корабля составляет 2,3 – 3,3 км/сек. Создание конструкции, которые выдерживали бы ударные напряжения, возникающие при этих скоростях, - задача технически неразрешимая. Такая же картина будет наблюдаться при жёсткой посадке на Меркурий, астероиды и другие небесные тела, лишённые атмосферы.
Другой способ посадки – грубая посадка с частичным замедлением скорости. В этом варианте при входе ракеты в сферу действия планеты корабль следует развернуть таким образом, чтобы сопла двигателей были направлены в сторону планеты назначения. Тогда тяга двигателей, будучи направлена в сторону, противоположную движению корабля, будет замедлять движение. Поворот корабля вокруг его оси можно выполнить с помощью двигателей небольшой мощности. Одно из возможных решений задачи состоит в установке по бокам корабля двух двигателей, смещённых относительно друг друга, причём силы тяги этих двигателей должны быть направлены противоположно. Тогда возникает пара сил (две равных по величине и противоположных по направлению силы), которая развернёт корабль в нужном направлении. Затем включаются ракетные двигатели, уменьшающие скорость до некоторого предела. В момент посадки ракета может обладать скоростью несколько сотен метров в секунду, чтобы она могла выдержать удар об поверхность.
Наконец третий метод посадки, наиболее важный при доставке на планеты высокоточного научного оборудования и при высадке членов экспедиции, - это мягкая посадка корабля, подобная посадке самолёта на аэродром. Наиболее трудной является мягкая посадка с приземлением в заранее указанном месте.
Если планета назначения не обладает атмосферой, то мягкая посадка может производиться только при помощи тормозных реактивных двигателей, гасящих скорость корабля до нескольких десятков метров в секунду. При этом работа двигателей должна заканчиваться на высоте примерно 10-30 метров от поверхности планеты во избежании пылевого вихря и пожара, обусловленного неполным выгоранием топлива. Удар о планету можно смягчить также при помощи амортизационной системы.
Полёт космического корабля вблизи планеты назначения, вообще говоря, будет происходить по гиперболической орбите. Поэтому возможно либо сразу произвести посадку на поверхность планеты, гася гиперболическую скорость, либо предварительно вывести корабль на спутниковую орбиту, выбрать место для посадки и затем осуществлять спуск.
Опасности межпланетного перелёта.
Опасность номер один – потоки частиц высоких энергий, проникающих через массовые преграды. Кроме жестких солнечных излучений в межпланетном полёте следует остерегаться воздействия космических людей и потоков частиц высоких энергий вблизи планет.
В отдалённых областях космического пространства рождаются несущиеся с большими скоростями заряженные частицы, потоки которых именуются космическими лучами. Врываясь в верхнюю атмосферу Земли, они продолжают потоки вторично заряженных частиц. Последние накапливаются в околоземном космическом пространстве. Солнечная активность также является причиной накопления частиц высоких энергий вблизи Земли. Запуски первых спутников Земли и космических ракет дали возможность группе американских учёных под руководством Дж. Ван-Аллена и советским учёным, открыть и изучить потоки частиц высоких энергий в ближнем космосе. В результате этих исследований установлено существование поясов заряженных частиц вблизи Земли. Что это за пояса? Известно, что наша планета представляет собой гигантский магнит, а любое магнитное поле влияет на движение электрически заряженных частиц. Поэтому частицы, летящие из мировых глубин, - корпускулы, извергаемые Солнцем, подлетая к Земле, задерживаются её магнитным полем и распределяются по определённым областям ближнего космоса. Из этих частиц формируется три пояса, охватывающие Землю.
Наиболее опасный внутренний пояс простирается до полярных широт. Околополярные области свободны от частиц высоких энергий. Ближняя к Земле граница внутреннего пояса в разных районах Земли проходит на различных высотах. Границы также зависят от фазы солнечной активности. Высота нижней границы в восточном полушарии может составлять около 1500 км, а в западном – около 500 км. Такое расположение обусловлено несовпадением магнитных поясов Земли с её географическими полюсами. Внешний радиационный пояс простирается на расстоянии 70-150 тыс. км.
Действие космических лучей и радиационных поясов такое же, как и действие радиоактивных веществ. Нахождение в радиационном поясе без всякой защиты в течение одних-двух суток влечёт за собой получение смертельной дозы радиации. Человек будет поражён лучевой болезнью в самой тяжёлой форме.
Поставить эффективную защиту на космическом корабле пока не возможно, техника пока бессильна сделать это. Следовательно, пока существует лишь один выход – безопасные космические дороги.
В годы спокойного Солнца в ближнем космосе летать возможно на высотах, не превышающих 600 км. Выше полёты противопоказаны: там расположены кольцевые потоки заряженных частиц. Полёт к другим планетам нужно осуществлять через "каналы", расположенные вблизи оси вращения Земли. Выход с Земли в межпланетное пространство возможен только в арктических и антарктических областях.
Перейдём к опасности номер два – встрече с метеоритными частицами.
Как мы видели ранее, метеорная материя широко распространена в межпланетном пространстве. Достаточно сказать, что за счёт выпадающих на Землю метеоритов и метеорной пыли масса Земли ежесуточно возрастает на 0,5*10 6 кг. Эти метеорные тела движется со скоростями, значение которых колеблется в пределах от 11 км/сек до 80 км/сек. Удар метеорита по обшивке корабля может привести к непоправимым последствиям.
Чтобы определить необходимую для защиты толщину стенок корабля, выясним "пробивную" силу метеоритов. Лист дюралюминия толщиной 1 мм пробивается любым метеоритом диаметром 0,2 мм и более. Стальная обшивка толщиной 3 мм пробивается метеоритом диаметром более 1 мм, а сталь толщиной 12 мм может быть пробита метеоритом диаметром 0,5 см.
Определённую опасность могут представлять и метеориты-пылинки, так называемые микрометеориты. Они малы, но каков будет эффект непрерывных ударов их о стенки корабля? Не могут ли они постепенно разрушить обшивку? Ведь даже пробоина микроскопических размеров вызовет катастрофу: нарушится герметизация кабины, температура упадёт до крайне низких значений, и космический путешественник погибнет. проведённые расчёты показали, что обшивка корабля из дюралюминия толщиной 1,5 мм или из нержавеющей стали толщиной 0,6 мм обеспечивает безопасность от ударов микрометеоритов примерно в течение года.
Но сказанным не исчерпываются все опасности космического полёта. Существует ещё опасность номер три – испепеляющая жара при полётах в атмосфере. При посадке на такие планеты, как Земля, Венера, Юпитер, которые обладают плотными атмосферами, корабль будет омываться раскалёнными газами. Температура обшивки корабля будет подниматься до таких значений, при которых разрушаются наиболее тугоплавкие материалы. Могут наблюдаться такие явления, как плавление и испарение оболочки корабля и унос оплавленных материалов набегающим потоком воздуха. Корабль может "испариться", подобно метеориту.
Существует ряд методов регулирования температуры корабля. Один из них правильный выбор траектории входа в атмосферу под малым углом к горизонту. При медленном "погружении" корабля в атмосферу потеря скорости происходит медленно, поэтому в меньшей степени происходит и разогрев корабля.
Луна 9
В течение 7 сеансов связи общей продолжительностью более 8 часов АЛС передала на Землю первые изображения Луны прямо с ее поверхности. На передачу одного панорамного снимка тогда требовалось целых 100 минут.
Венера 7
После входа в атмосферу планеты АМС передавала данные 53 минуты, включая 20 минут, в течение которых станция была активна уже на поверхности Венеры.
Благодаря полученным данным, советским ученым удалось выяснить, как менялась температура атмосферы в зависимости от высоты аппарата (от 25 градусов по Цельсию до примерно 475 на поверхности). Также удалось узнать об атмосферном давлении на поверхности Венеры (приблизительно 90 атмосфер).
Мессенджер
Меркурий традиционно занимал невысокое положение в приоритетах космических держав. За всю историю космонавтики не было ни одной посадки на его поверхность, а целенаправленно для его изучения направлялось лишь два аппарата – и оба под эгидой NASA.
Вояджер
Галилео
NEAR Shoemaker
При первом пролете аппарата около астероида в январе 1999 года программное обеспечение компьютера на борту зонда отказало, что привело к потере связи NEAR Shoemaker с Землей более чем на сутки. Также была потеряна значительная часть топлива, которое было израсходовано при неконтролируемых и необъяснимых включениях двигателей во время аномалии. Постепенно зонд снова вышел на связь, и неисправность удалось нейтрализовать.
В феврале 2000 года зонд NASA NEAR Shoemaker стал первым в истории космическим аппаратом, вышедшим на орбиту астероида. После того, как все запланированные исследования были проведены, зонд было решено посадить на поверхность астероида. Несмотря на то, что благоприятного исхода в агентстве особо не ждали, аппарату удалось сесть на поверхность Эроса без повреждений и в течение более двух недель передавать на Землю ценные научные данные о химическом составе астероида, после чего связь с NEAR Shoemaker была окончательно потеряна.
Кассини
Гюйгенс
Стоит отметить и то, что определенные аномалии вблизи поверхности Титана позволили некоторым ученым говорить о том, что на Титане может быть жизнь. В частности, существует предположение, что там могут существовать отличные от земных формы жизни, которые дышат водородным газом, питаются ацетиленом, а производят метан. Однако подобные теории объяснения газовых аномалий пока что далеки от подтверждения.
Читайте также: