Искусственный спутник земли

Глава Ⅷ. ПРОБЛЕМА ВОЗВРАЩЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА НА ЗЕМЛЮ

Проблема возвращения космического корабля или ИСЗ на Землю является весьма сложной. Сейчас для торможения космических ракет ученые видят две возможности: использование атмосферы как сопротивляющейся среды и ракетных двигателей. При реализации воздушного торможения ИСЗ придают форму ракеты. Процесс торможения происходит следующим образом.

При входе ИСЗ в верхние слои атмосферы его скорость уменьшится, но он вследствие особой аэродинамической формы снова подскочит рикошетом обратно в космос так же, как подпрыгивает камень при соприкосновении с водой, если его запустить приблизительно параллельно ее поверхности.

После этого спутник снова коснется атмосферы, но он будет иметь уже меньшую скорость. Поэтому ИСЗ войдет в атмосферу несколько глубже, чем в первый раз, и скорость его еще более замедлится. Наконец, после того как этот процесс повторится несколько раз, ИСЗ значительно уменьшит свою скорость. С этого момента он будет осуществлять спуск при еще достаточно высоких скоростях, но уже на специально предусмотренных выдвижных крыльях и плоскостях для планирования.

Для реализации второго способа торможения ИСЗ должен иметь автоматически управляемый в полете ракетный двигатель. Для осуществления торможения реакция двигателя должна быть направлена в сторону, противоположную движению ИСЗ.

В этом положении скорость ИСЗ будет уменьшаться, и ее можно будет регулировать при помощи изменения тяги ракетного двигателя. Другими словами, спуск ИСЗ в этом случае будет носить характер, обратный его подъему. Большое значение для спуска на Землю будет иметь точнейшее определение расстояния до места приземления. Для этого будут использоваться самые совершенные радиолокационные приборы или автономные средства ориентировки, имеющиеся на ИСЗ. Самые спуск и маневрирование будут проходить под контролем автоматических систем управления. Следует заметить, что если ракета будет использовать атомный двигатель, то для приземления она должна будет иметь вспомогательные реактивные двигатели, работающие на обычном топливе, так как в противном случае место спуска ракеты окажется зараженным радиоактивными веществами.

Оценивая два описанных метода спуска — с помощью воздушного торможения и ракетного торможения, следует сказать, что первый из них является более простым в смысле технического осуществления, но обладает тем существенным недостатком, что чрезвычайно трудно рассчитать место приземления.

Второй способ технически более сложен, но зато требуемая точность приземления может быть выдержана.

Спасение результатов научных наблюдений и доставка их на Землю является одной из важнейших проблем первых ИСЗ.

Сам ИСЗ со всеми приборами, вероятно, сгорит как метеорит, врезавшись с громадной скоростью в плотные слои атмосферы.

Между тем очень желательно, чтобы спутник со всеми приборами вернулся на Землю или чтобы на Землю вернулись хотя бы приборы или части приборов, содержащие информацию, которую нельзя передать по радио. К такой информации относятся, например, спектрографические наблюдения за ультрафиолетовой и рентгеновской частью спектра Солнца и звезд, которая полностью срезается в атмосфере озоном и не наблюдается на Земле, пробы атмосферы на высоте полета ИСЗ и др. По радио на Землю будут передаваться некоторые сведения о коротковолновой части спектра, полученные с помощью фотонных счетчиков. Однако гораздо более полные и ценные сведения могут быть получены с помощью спектрографа. Этот прибор, предназначенный для установки на спутнике, будет иметь некоторые особенности. Вместо призмы, разлагающей солнечный свет на его составляющие, будет использована небольшая вогнутая решетка (радиус кривизны 40–50 см), имеющая 6000–7000 тысяч штрихов на 1 см. Если сам спутник не будет ориентирован на Солнце, то за Солнцем будет следить зеркало, направляющее его свет на щель спектрографа. Солнечный спектр будет фотографироваться на фотопленку, наматывающуюся на легкий барабан.

Все сведения о солнечном спектре будут содержаться в этой фотопленке. На Землю также необходимо передать фотопленку от фотографировавших Землю фотоаппаратов.

С помощью искусственных спутников Земли можно проводить длительные наблюдения первичного космического излучения. Наблюдая космические лучи, мы можем получить сведения о тех процессах, которые испытывают космические лучи на пути от места их зарождения.

Тем самым мы с помощью космических лучей оказываемся в состоянии зондировать окружающий нас мир.

Не подлежит сомнению, что со временем приборы, установленные на спутниках, дадут возможность непрерывно следить за первичным космическим излучением. Будут обнаружены также компоненты в составе космических лучей, которые будут давать нам сведения о Вселенной в несравнимо большем масштабе, чем известное в настоящее время космическое излучение.

Более детальные данные о процессах образования и распада частиц при ядерных взаимодействиях высокой энергии, которые могут подвести нас уже к проблемам структуры элементарных частиц[42], может дать изучение космических лучей с помощью фотопластинок с толстым слоем специально приготовленной фотоэмульсии. Для исследования космических лучей нужно пачку толстостенных пластинок на небольшой срок (не более полумесяца) поместить на интересующую нас высоту. За этот срок в эмульсии накопится достаточное количество следов, а первые следы еще не потеряют способности к проявлению.

Учитывая то, что для фотографических наблюдений не надо, чтобы ИСЗ находился на орбите очень долгое время, председатель правительственной технической группы по созданию ИСЗ в США Р. Портер предложил проект спутника, предусматривающий возвращение на Землю небольшого патрона с экспонированной пленкой. ИСЗ Ричарда Портера представляет собой шар с общим весом 9,5 кг. Этот шар Ричард Портер предполагает присоединить к тормозной ракете (рис. 65), встроенной соплом вперед в третью ступень ракеты-носителя, несущей спутник на орбиту.

Третья ступень ракеты 1 для запуска ИСЗ после выхода ее за пределы атмосферы получит вращательное движение, дающее стабилизирующий эффект с помощью крошечных ракет, установленных на этой ступени.

После этого из третьей ступени ракеты, являющейся собственно спутником Земли, выдвинется на специальном поддерживающем устройстве 2 научное оборудование ИСЗ. Научное оборудование должно быть вне толстостенной ракеты, так как она вносит искажения в измерения и работу приборов; например, под действием космических лучей в стенках ракеты возникают ливни заряженных частиц, вследствие чего космические частицы нельзя наблюдать в чистом виде. Как видно из рисунка 65, искусственный спутник Портера, кроме приборов 6, радиоустановки и контейнера патрона под пленку 7, имеет еще сложенный (до ⅛ его объема) шар из нержавеющей стали 5, используемый в качестве парашюта, газобаллон 4 для наполнения шара после отделения его и тормозной ракеты. Этот спутник не имеет солнечной батареи, так как при небольшой длительности работы малогабаритные электрические батареи предпочтительнее солнечных преобразователей.

Возвращению на Землю подлежит небольшой патрон с экспонированной пленкой.

Радиостанция во время нахождения спутника на орбите сообщает на Землю данные о его положении в пространстве. Затем с Земли она принимает сигнал, по которому экспонированная пленка вводится в патрон. Сложенный шар вместе с патроном, миниатюрной радиостанцией и тормозной ракетой отделяется от третьей ступени ракеты-носителя ИСЗ. По сигналу с Земли тормозная ракета начинает действовать в точке В орбиты, отстоящей на 180° от места запуска А (рис. 66).

Это необходимо потому, что благодаря вращению вокруг продольной оси ракета сохранит положение этой оси в пространстве неизменным, и только через 180° от места запуска действие тормозной ракеты будет действительно тормозящим.

После прекращения действия тормозной ракеты в точке Б над местом запуска открывается клапан баллона с гелием, ранее сложенный шар раздувается, отделяется от тормозной ракеты и падает на Землю, неся только патрон с пленкой и крошечный радиопередатчик, дающий при спуске сигналы для облегчения нахождения места приземления.

По расчету Портера, этот шар диаметром 914 мм, сделанный из листовой нержавеющей стали толщиной 0,076 мм, с внутренним и внешним защитными слоями из политетрафторэтилена толщиной 0,02 мм, может доставить на Землю патрон с фотопленкой общим весом 227 г.

Тормозная ракета замедляет орбитальную скорость спутника с 7620 м/сек до 6096 м/сек. Пока шар не войдет в плотные слои атмосферы, падение его будет происходить по эллиптической траектории.

По мнению Портера, хотя шар и нагреется почти до 2000°, он не расплавится при вхождении в атмосферу благодаря:

1) своей аэродинамической неустойчивости, которая заставит его качаться, в связи с чем нагреваться будет около 50% поверхности шара;

2) защитному наружному покрытию.

Часть нагрева примет на себя патрон с пленкой, покрытый несколькими слоями политетрафторэтилена с кварцем. Это покрытие, испаряясь, не допустит чрезмерного нагревания патрона, которое может привести к порче пленки.

Если удастся избежать последствий этого сильного нагрева, то шар, как парашют, опустится на Землю с конечной скоростью 9 м/сек через 20 минут после ухода с орбиты.

Для более полного представления об этом проекте укажем, что общий вес спутника 9,5 кг распределяется так: ракета торможения — 5,4 кг, шар — 1,6 кг, конструкция спутника, радио, фотокамера, пленка, баллон с гелием для заполнения шара и пр. — 2,5 кг.

Кроме рассмотренного, имеются проекты, предусматривающие покрытие искусственного спутника толстым слоем термоизоляционного материала, который предохранит некоторые приборы и фотопленку от сгорания.

Здесь следует отметить проект К. Эрике, который предлагает использовать для торможения не лобовое сопротивление воздуха, а его подъемную силу, снабдив спутник маленькими несущими поверхностями, что сделает спутник при спуске управляемым.