Кстати, об управлении кораблем в полете. Этому вопросу, естественно, уделено много внимания во всех работах по астронавтике, начиная с Циолковского, ибо межпланетный корабль должен быть свободно управляемым в любой момент своего полета. Циолковский не только впервые сформулировал проблему управления межпланетным кораблем, но и предложил решения этой проблемы, к которым в дальнейшем не было добавлено ничего принципиально нового. Некоторые из этих предложений Циолковского уже получили широкое применение в реактивной технике — в частности для дальних управляемых в полете ракет.[111] Для управления при полете в атмосфере корабль будет снабжен, очевидно, воздушными, аэродинамическими рулями, вроде применяемых на самолетах. Однако такие рули не могут, конечно, ничем помочь при полете в безвоздушном пространстве. Мало того: даже при полете в атмосфере они иногда не справляются с задачей. Так бывает, например, в начале взлета, когда скорость корабля еще недостаточна для того, чтобы рули были эффективными, а также при полете в верхних, разреженных слоях атмосферы.
Так может быть устроено шасси межпланетного корабля.
Поэтому корабль будет снабжен наряду с воздушными еще и газовыми рулями, то есть рулями, расположенными в струе газов, вытекающих из двигателя. Поворот газовых рулей отклоняет реактивную струю, создавая боковое усилие, которое изменяет направление полета корабля. В некоторых случаях для этой же цели двигатель устанавливают на ракете так, что он сам может несколько поворачиваться, изменяя направление силы тяги. Этот метод управления принят для ракеты «Авангард» в США. Двигатель первой ступени этой ракеты установлен на шаровом шарнире, как это и предлагал Циолковский, и может поворачиваться примерно на 4–5° в каждую сторону от осевого направления.
Для управления кораблем, летящим в мировом пространстве, такие методы, однако, непригодны, так как включать главный двигатель корабля специально для целей управления не всегда будет целесообразно, а иногда и просто невозможно. Управление в мировом пространстве должно основываться на других принципах. Для этой цели можно, например, установить вспомогательные рулевые жидкостные ракетные двигатели.[112] Можно также использовать то обстоятельство, что летящий корабль не может быть без помощи внешних сил повернут вокруг своего центра тяжести.[113] Если внутри корабля вращать какую-нибудь массу в одну сторону, то корабль сам начнет вращаться в другую. Следовательно, для целей управления можно установить внутри корабля быстро вращающийся диск. С его помощью можно поворачивать корабль в нужном направлении.
Башня для подготовки к запуску высотной ракеты.
Конечно, так можно повернуть корабль только вокруг его центра тяжести. Для изменения направления полета корабля без двигателя не обойтись.
Но вернемся к нашему взлетающему кораблю. Криволинейный полет корабля с работающим двигателем будет продолжаться со все возрастающей скоростью, переходя постепенно почти в горизонтальный. На высоте около 100 километров корабль будет лететь уже под небольшим углом к горизонту, почти горизонтально. Такой облет Земли будет длиться до тех пор, пока скорость корабля станет круговой (около 7,9 километра в секунду). Как только его скорость станет больше круговой, корабль начнет удаляться от Земли.
Траектория взлета корабля.
Продолжительность разгона корабля, то есть его полета с работающим двигателем, будет определяться величиной ускорения при взлете и необходимой скоростью. Очевидно, чем больше ускорение и чем меньше конечная скорость, тем короче будет этот период разгона. О потребной конечной скорости мы уже говорили выше, она должна быть не меньше, чем скорость отрыва, а может быть, и намного больше, если совершается курьерский полет. Наиболее вероятна конечная скорость в диапазоне от скорости отрыва, то есть примерно 11 километров в секунду, до освобождающей скорости, то есть 16,7 километра в секунду.
Что касается ускорения корабля, то должна быть избрана наибольшая возможная величина этого ускорения. Теоретически наивыгоднейшим было бы мгновенное увеличение скорости корабля от нуля до конечной скорости, так как при этом не было бы никаких потерь скорости, связанных с разгоном корабля.[114] Но это, конечно, невозможно. Мало того: ускорения при разгоне корабля должны быть, в общем, весьма небольшими, что связано главным образом с теми инерционными перегрузками, которые может выдержать человек. Правда, не только одно это ограничивает допустимые ускорения при взлете — ограничивает их и прочность корабля; он тоже рассчитывается на определенные инерционные нагрузки, при увеличении которые сильно увеличивается расчетный вес корабля. Кроме того, ускорения ограничиваются и тем, что скорость корабля на малых высотах, в плотном воздухе, не может быть слишком большой из-за опасности перегрева корабля в полете — опасности, которая является главной при посадке корабля.
Однако решающим оказывается влияние инерционных перегрузок, допустимых с точки зрения здоровья пассажиров. Вероятнее всего, в связи с этим будет принята величина ускорения корабля при взлете, равная примерно 40 метрам в секунду за каждую секунду взлета, то есть в 4 раза превышающая ускорение земного тяготения.
Принятая величина ускорения означает, что при вертикальном взлете корабля его скорость будет увеличиваться каждую секунду на 30 метров, а при горизонтальном — на 40 метров в секунду, как это показано на рисунке на стр. 205. Так как вертикальный подъем длится до тех пор, пока корабль не достигает высоты 10–20 километров, то к концу вертикального взлета скорость корабля составит примерно 1 километр в секунду. Такие скорости не представляют еще опасности в отношении нагрева на высотах больше 20 километров. Время вертикального подъема будет равно примерно 35–40 секундам, то есть меньше чем за ¾ минуты корабль будет уже на высоте более 20 километров. Дальнейший разгон будет происходить по криволинейной, все более пологой траектории с увеличением скорости каждую секунду в среднем примерно на 35 метров в секунду.[115] При этом условии конечная скорость, допустим, 11,5 километра в секунду, будет достигнута на пути полета, равном примерно 1600 километрам. Время такого полета составит около 5 минут, а общее время разгона с работающим двигателем — менее 6 минут.
К моменту остановки двигателя, то есть в конце так называемого активного участка траектории, корабль будет находиться на высоте, вероятно, немногим меньше 1000 километров над Землей. Эта высота должна быть учтена при определении необходимой конечной скорости, так как с увеличением расстояния от Земли скорость отрыва уменьшается. На высоте 1000 километров скорость отрыва будет равна уже не 11,2 километра в секунду, а примерно 10,5 километра в секунду, что несколько уменьшает потребное время работы двигателя и соответствующий расход топлива.
Однако этот выигрыш будет, наверное, перекрыт возникающей под действием силы тяжести потерей скорости корабля при взлете. Если считать, что в среднем за все время разгона по этой причине теряется скорость от 2 до 3 метров в секунду, то общая потеря составит 700 — 1000 метров в секунду.
Дополнительное уменьшение скорости будет вызвано сопротивлением, которое оказывает воздух летящему с большой скоростью межпланетному кораблю. Точный подсчет этой потери скорости межпланетного корабля в настоящее время невозможен, несмотря на все успехи науки о полете в воздухе — аэродинамики. Быстрое развитие реактивной авиации привело к необходимости расчета лобового сопротивления самолетов, летящих со скоростью, близкой к скорости звука, и на высотах больше 15 километров. С этой задачей аэродинамика больших скоростей, так называемая газодинамика, справляется уже неплохо. Однако полет межпланетного корабля будет протекать в условиях, сильно отличающихся от полета самых скоростных и высотных современных самолетов. В большей мере здесь подходит опыт, полученный в самые последние годы при испытаниях тяжелых дальних и стратосферных ракет, а в еще большей мере — опыт запуска первых советских искусственных спутников Земли и космической ракеты, но этот опыт еще очень мал.
