Космос, космос, хочу в космос: Лекция В.Г. Сурдина "Мечты о космосе: ракеты учатся летать"
Прерву ненадолго серию рассказов о Финляндии. В этом посте я привожу краткий конспект только что просмотренной в трансляции лекции о началах космонавтики, которую в "АРХЭ" прочёл астроном Владимир Георгиевич Сурдин, лично мне известный по научному редакторству в переведённых на русский язык книгах Карла Сагана. Решила я заценить его и в качестве лектора-популяризатора - не пожалела, было очень увлекательно!
Попрошу над некоторыми моими акцентами хохотать не слишком громко - мой школьный курс физики был на уровне ниже плинтуса, поэтому некоторые очевидные вещи я для себя переоткрыла.
Лирическое отступление начало - о том, кто многое предугадал, фантазируя. Жюль Верн отправил из пушки на Луну троих...и реально на Луну потом по трое летали :-)))
А тут уже фантазёры, которые что-то делали для ракетостроения. Циолковский и Оберт - в теории, а Годдард - и на практике.
Было в тридцатые годы сообщество любителей новомодной темы ракет - ГИРД, группа исследователей реактивного движения. Развлекалась она небольшими ракетами, чисто эксперимента ради (почти как мои любимые Разрушители легенд :-))) А прошёл всего-то десяток лет - и была создана ракета, которая послужила образцом для всех последующих представителей этого жанра. К сожалению, это была печально известная Фау-2, служившая неблагородной цели. Но на самом деле ея создатель Вернер фон Браун мечтал как раз-таки о космических полётах, а сотрудничество с армией было путём к осуществлению этой мечты. Кстати, технически Фау-2 стала первой космической ракетой - ведь местами она взлетала выше 100 км, границы (условной, конечно, но для человека удобной) атмосферы Земли. Мечты сбываются! Хотя порой и такими окольными путями...
Был такой Ари Штернфельд, которого к ракетостроению и космонавтике как-то не допустили (как говорилось в том старом анекдоте, вопросы анкеты: "Судимость?" - "Нет", "Родственники за границей?" - "Нет", "Национальность?" - "Да"). Ну так он стал разрабатывать всё это дело в теории. И вот какие придумывал замечательные проекты! Отличная идея корабля. Всё есть - даже гусеницы для передвижения по поверхности Луны. Что до не очень-то элегантной обтекаемой формы...так какая разница, когда корабль движется в пустоте космоса?
Или вот - чистой воды МКС! С шаттлами в придачу (эти самолётоподобные).
Хватит лирики, настало время физики :-))) Итак, конечно же, сила номер один, действующая на всё, что запускается в космос и там летает - это гравитация. Но, как будет показано далее, всё-таки есть ещё кое-что занимательное негравитационной природы.
Конечно, не Ньютоном единым жива гравитация - мягко говоря, общая теория относительности Эйнштейна описывает её куда точнее. Но для некоторых задач ньютоновские законы вполне применимы и по сей день. Вкратце суть первой теоремы - внутри полой сферы невесомость, второй - можно считать, что вся сила тяготения однородной сферы сконцентрирована в одной точке в центре.
Мягкий намёк на то, что в природе ничего идеально ровного нет. Ну, здесь, конечно, мысленный эксперимент с изменением одного параметра в законе всемирного тяготения...но смысл в том, что стоит лишь чуть-чуть изменить зависимость силы гравитации от расстояния между телами - и чёрта с два будут ровные неизменные орбиты в виде замкнутых эллипсов! А так получается штука, известная под названием "прецессия". Простыми словами применительно к небесным телам - "покачивание" орбиты со временем.
Если какое-то тело вращается вокруг чёрной дыры, вообще получается такая картинка.
Так там вообще законы тяготения другие выходят! С третьей степенью гравитация быстрее ослабевает с расстоянием, что порождает занятные эффекты - орбита тела, которому не повезло оказаться в окрестностях чёрной дыры, становится гораздо более неустойчивой. И тело рискует либо в чёрную дыру попасть, либо улететь в бесконечность.
Прямо хокинговский "Мир в ореховой скорлупке" вспомнился. Было там про это дело. Там, правда, упор на другое - на число измерений в нашей Вселенной. Но суть та же.
Круговая орбитая у спутника получится, если придать ему первую космическую скорость. В остальных случаях получается либо эллипс (до первой космической или после неё), либо парабола (если спутник улетает в бесконечность). Кстати, о параболе...
В школьных учебниках нагло врут! Конечно, делается это в целях отупления упрощения, но нехорошо это всё равно. Траектория тела, брошенного под углом к горизонту, не парабола вовсе, а эллипс, поскольку Земля не плоская, и силы тяготения....хорошо, хватит там смеяться, векторы ускорения свободного падения! направлены к её центру.
Швырять спутники надо не только с правильной скоростью, но и в правильном направлении.
Кстати, это было сказано раньше, но упомянуть можно и тут: по движению спутников можно определять массу планет. Дурак я дурак, не знала!
Ещё одна штука, которую я, дурак, не знала никогда. Оказывается, если из фокуса эллипса что-нибудь пустить вроде звука или света, то волны, отразившиеся от предположительно твёрдых стенок, придут именно в фокус.
Между прочим, понятие с трудновыговариваемым названием "эксцентриситет" имеет прямое и непосредственное отношение к пригодности планет для жизни в том виде, в каком мы жизнь знаем. Если эксцентриситет близок к нулю, орбита почти круговая, и жизни хорошо - не будет дикого перепада температур. Если близок к единице, то орбита будет вытянутой, и в одни сезоны жизнь будет жариться на солнышке, а в другие - стучать зубами или чем там ещё от холода.
Не лишним было и вспомнить законы Кеплера. Первый - планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых и находится Солнце. Второй звучит мудрёно - радиус-вектор, соединяющий планеты и Солнце, за равные промежутки времени заметает равные площади. Оказывается, со вторым законом всё не так сложно, как кажется на первый взгляд - просто надо помнить, что скорость планеты меняется в зависимости от расстояния до Солнца. Вот тогда и становится ясен смысл! Чем дальше от Солнца планета, тем она медленнее, чем ближе - тем быстрее. Перигелий - точка наименьшего расстояния до Солнца, афелий - наибольшего, кстати.
Ну а третий закон, даже с ньютоновской добавкой, прост до безобразия. Квадраты периодов обращения планет пропорциональны кубам расстояния оных от Солнца.
Вернёмся с небес на землю и попытаемся с неё что-нибудь отправить.
Представляю, как будут смеяться над нами, показывая на нас пальцем/щупальцем/крылом/чем-то ещё какие-нибудь инопланетяне, которые вдруг прилетят на Землю. Ракета - ужасно неэкономная штука. Столько добра пропадает - тратится куча топлива, отваливается ступень за ступенью, и остаётся крохотная полезная нагрузка.
Жидкий фтор вроде никто не использовал в силу ядовитости. Хотя вон, есть любители ядовитых начинок для ракет - вояки.
Спирт - штука ненадёжная по другой причине. Это ваш покорный слуга от запаха спирта морщится, а люди, работающие с ракетами, как правило, нет...
Немножко фантастики. А отчего бы не запускать ракеты по почти горизонтальной траектории, разгоняя их тем самым до хороших скоростей? В этом-то и проблема: слишком разогнавшаяся ракета сгорит в плотных слоях атмосферы! Потому хорошо разгоняться потихонечку. Кстати, по этой же причине - излишнего ускорения, ведущего к пожароопасности - так себе идея запускать снаряды в космос из пушки. Хотя это на нашей планете так. А вот с какого-нибудь безвоздушного тела - наверное, это даже круто!
Ещё - помимо всего прочего - о том, как не перегреться. Тут уже - при спуске каких-нибудь аппаратов на грешную землю. Зашли в атмосферу - вынырнули - опять зашли - вынырнули...словом, до тех пор, пока достаточно не затормозим, чтобы спокойно спускаться в плотные слои атмосферы.
А так можно было бы сэкономить на топливе, ибо не нужна такая уж большая скорость, чтобы разгоняться после таких нырков!
Экзотическая вытянутая траектория (сплошная) к Меркурию направленная, оказывается, энергетически менее затратна, чем пунктирная. Кстати, примерно по такой траектории пустили "Паркер" к Солнцу.
Возвращаемся к тому, что в природе ничего идеального не бывает. Прецессия!
Даже такая бывает! Кстати, гравитационные танцы небесных тел, меняющиеся со временем, можно прочувствовать в двух играх: маленькой онлайновой и большом знатном симуляторе.
Теоретически, возможна такая красиво движущаяся конструкция из трёх тел.
Но равновесие в системе будет нарушено буквально от первого же чиха.
А вообще, задачи для трёх тел в частных случаях очень даже решаются. Например, для съёмки обратной стороны Луны. Не той, что воспета в занятном советском мультике...а настоящей.
Ну и на десерт - что же всё-таки может влиять на движение небесных тел, помимо гравитации бессердечной. Световое давление! И на пылинки влияет столь значительно, что они на Солнце в итоге падают...
А эта экзотика действует и на довольно крупные тела. Нагревается тело в течение дня и испускает инфракрасное излучение, Оно может или подтолкнуть тело (как в этой ситуации), так и притормозить (если направление суточного вращения в обратную сторону). Удивительные вещи!
Вот такая краткая выдержка из большой интересной лекции :-)))