Освоение космоса — очень сложное и дорогое занятие. С самых древних времен человечество мечтало о полётах к звездам. Но только в XX веке прогресс достиг необходимых высот. Именно тогда был запущен первый спутник Земли, отправлен в космос первый космонавт, осуществлен первый полёт аппаратов к Луне, Венере, выведена на орбиту первая космическая станция.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №7(23). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

А начиналась космическая эра, как это часто бывает, буднично, тихо и незаметно, в кабинетах учёных. В далёком 1897 году российский математик Иван ­Мещерский вывел уравнение, которое описывает движение тела с переменной массой. Это было развитием ньютоновской механики, созданной за 200 лет до трудов Мещерского и описывающей движение тела только с постоянной массой. В то время уравнения Мещерского на практике применялись редко. Например, для изучения движения комет, которые при приближении к Солнцу «худели» за счёт испарения тела кометы и образования её хвоста. Такое уравнение описывает и движение ракеты, потому что масса ракеты в полёте непрерывно уменьшается из-за сгорания её топлива. Но к движению ракет применять это уравнение стали не сразу — в конце XIX века ракеты использовались, пожалуй, только для запуска фейерверков.

К счастью, такая ситуация длилась недолго: уже в начале XX столетия российский учёный Константин ­Циолковский доказал, что полёты в космос (то есть в безвоздушное пространство) возможны только с помощью ракет. Он придумал многоступенчатую ракету, назвав её «ракетный поезд,» а из уравнений Мещерского вывел формулу, которую впоследствии нарекли его именем — ­Циолковского. Эта формула позволяет вычислить стартовую массу ракеты (то есть, фактически, первоначальный вес топлива), необходимую для вывода на орбиту груза с заданной массой. Например, для трёхступенчатой ракеты «Союз» используется топливо, состоящее из керосина и кислорода. И масса этого топлива примерно в 10 раз больше массы выводимого на орбиту груза! Для сравнения: у обычного легкового автомобиля всё наоборот — масса полного топливного бака примерно в 24–25 раз меньше массы автомобиля.

Труды Циолковского сыграли большую роль в освоении космоса. В знак уважения и признательности в городе Калуге, где учёный жил и работал последние сорок лет своей жизни, был основан первый в мире музей истории космонавтики имени Циолковского. Непосредственное участие в создании музея приняли знаменитый конструктор Сергей Королёв и первый космонавт Юрий Гагарин.

Конечно, технический прогресс в ракетостроении не обошёлся без помощи военных. Ещё в древнем Китае, где когда-то изобрели порох, да и ракеты тоже, были попытки применить их как оружие. Но по-настоящему серьёзной угрозой ракеты стали во время Второй мировой войны. Это были знаменитые «Катюши» (небольшие ракеты с дальностью полёта около 6 км) и не менее знаменитые немецкие «Фау-2». Причём дальность полёта немецких ракет была больше 300 км: с их помощью германские войска обстреливали Лондон. Ракеты тогда были хоть и довольно мощным оружием, но всё же не решающим. 

Экспонаты музея истории космонавтики имени К.Э. Циолковского

А после войны появилось атомные бомбы, и наилучшим средством их доставки к цели были признаны, опять же, ракеты. Вот тогда и началась «ракетная гонка» между странами — соревнование в создании ракет большей дальности, грузоподъёмности и надёжности. Нужно было решать задачи с составом топлива, материалов и многие другие. Среди них была и задача устойчивого движения ракеты.

Пробовал ли ты катить тележку по песку или рыхлому грунту? Тогда ты наверняка знаешь, что толкать тележку впереди себя гораздо труднее, чем тащить за собой. А ведь сила-то твоя при этом одинакова! Дело в том, что при толкании тележки впереди себя она постоянно норовит отклониться куда-нибудь в сторону, и нужно всё время выправлять её движение в нужном тебе направлении. Когда же ты тащишь её за собой, то тележка покорно движется куда тебе нужно. Вот и у ракеты двигатель всегда сзади, то есть ракету он точно также толкает впереди себя.

Советская боевая машина, известная под народным прозвищем Катюша

Как же сделать так, чтобы и ракета не отклонялась от курса? Решение задачи придумал конструктор Сергей Королёв. Вместо одной первой ступени ракеты он решил установить параллельно ещё четыре, по одному двигателю в каждой из них, а у каждого двигателя по четыре сопла. Если продолжить аналогию с тележкой, то получилось, что тележку толкают сразу несколько человек. То есть устойчивость ракеты оказалось гораздо проще обеспечить с несколькими ступенями, а не с одной.

Первая в мире баллистическая ракета дальнего действия ФАУ-2

Эта гениальная идея, в числе прочих, позволила СССР вырваться вперёд в ракетной гонке с США, и обеспечить баланс сил между странами, обладающими ядерным оружием. И не только для ракет как оружия: конструкция, придуманная Сергеем Королёвым, до сих пор применяется в освоении космоса.

Ракеты для полёта в космос не просто большие, они огромные. Самая широко используемая в России космическая ракета «Союз» перед стартом весит больше 300 тонн, максимальная высота — более 50 метров, а диаметр превышает 10 метров. И при таких размерах вес ракеты на 90% состоит из горючего. Такие размеры и масса нужны, чтобы вывести на орбиту Земли груз весом всего 7 тонн (для этого необходимо поднять этот груз выше земной атмосферы и разогнать до скорости почти 8 километров в секунду).

Такая скорость — 7,9 км/сек — называется первой космической. Если корабль или спутник движется вдоль поверхности Земли с первой космической скоростью — он никогда не упадёт на неё, а будет только вращаться вокруг по круговой орбите.

Если скорость корабля будет выше первой космической скорости, то его орбита будет вытянутой (в виде эллипса), и чем больше скорость, тем более вытянутой будет орбита. Так будет в том случае, если скорость корабля будет меньше второй космической скорости.

Ракеты Союз-5.1 и Союз-5.2 (слева направо)

При достижении второй космической скорости — 11,2 км/сек — корабль улетит от Земли в межпланетное пространство и станет спутником Солнца. Такая скорость нужна, чтобы отправить корабль к другим планетам Солнечной системы. Все аппараты, запущенные для исследования Марса, Венеры, комет и астероидов, покидали Землю именно с такой скоростью.

А вот при достижении аппаратом третьей космической скорости — 16,6 км/сек — он покинет пределы Солнечной системы и улетит в межзвёздное пространство. Такую скорость придавали космическим аппаратам, отправленным для изучения далёких от Солнца планет: Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона. Подобные экспедиции очень дорогие и редкие: аппараты летели к далёким планетам несколько лет, и всё это время должны были находиться в исправном состоянии, имея устойчивую связь с Землёй.

Эти космические скорости известны давно — ещё со времен Ньютона (XVIII век). Но практически применяться стали только при освоении космоса.

Подавляющее большинство космических аппаратов вращается около Земли. Но есть среди них такие, которые с нашей планеты кажутся неподвижными. И всё же они вращаются вокруг Земли. Как это возможно?

Всё дело во вращении планеты вокруг своей оси. Если запустить спутник на орбиту на высоту примерно 36 тысяч км, и с направлением вращения в ту же сторону, что и Земля, то полный оборот вокруг неё такой спутник делает за сутки, то есть вращаться будет с такой же угловой скоростью, как и Земля. Поэтому спутник будет казаться висящим над нами неподвижно. Такие спутники и их орбиты называются геостационарными. Тебе, конечно, приходилось видеть спутниковые антенны на стенах и крышах домов, так вот, чаши этих антенн «смотрят» как раз на такие спутники, которые как бы неподвижно висят в космосе. Эти спутники используются не только для передачи телепрограмм, но и для связи. А ещё для навигаторов в автомобилях, самолётах и на кораблях.

С октября 1957 года, когда был запущен в космос первый искусственный спутник Земли, прошло меньше шестидесяти лет, а космические аппараты уже прочно вошли в нашу повседневную жизнь. То ли ещё будет!