Механика космического полета в элементарном изложении - Левантовский В.И.
Скачать (прямая ссылка):
Для того чтобы читатель мог получить представление о тех оптимальных траекториях и программах тяги, которые возможны, приводятся рис. 171 [4.123] и 172 [4.251. На этот раз свобода управления тягой ограничена («нерегулируемый двигатель»): тяга неизменна по величине, но может менять необходимым образом свое направление, а также, конечно, выключаться. Предполагается, что путешествие оканчивается аэродинамическим торможением при входе в атмосферу Земли (что может привести к посадке на Землю или в принципе к выходу на орбиту спутника). Предполагается пассивный полет вокруг Марса в течение какой-то части времени пребывания в его окрестности. Этот отрезок времени выбирается так, чтобы удовлетворить главной цели — добиться минимума продолжительности всей экспедиции. При этом задаются тяга, расход и суммарное время работы двигателя. Высоты начальной околоземной орбиты и конечной вокруг Марса — 300 км. Бросается в глаза внешнее сходство некоторых траекторий с траекториями, показанными на рис. 167, 168 (§ 6).
На рис. 172, б показаны траектории, соответствующие большей продолжительности путешествия, чем минимальная. Благодаря этому появляются пассивные участки траектории (пунктирные).
Продолжительности экспедиций к Венере имеют примерно те же значения, что и экспедиций к Марсу. Максимальное ускорение 2-г-З мм/с2 («2---3-IO-4 g) обеспечивает полеты к Марсу или Венере с возвращением на Землю примерно через 1,5 года. Полет к Марсу продолжительностью 1,5 года возможен даже при максимальном ускорении 1 мм/са. Период ожидания (между выходом на орбиту высотой 300 км над поверхностью Марса и стартом с нее) может быть равен нулю, но может без лишних затрат рабочего тела быть увеличен примерно на 50 сут для Марса и 25 сут для Венеры, если вся экспедиция удлинится на 40 сут. Уменьшение полной продолжительности экспедиции вдвое требует увеличения на порядок как величины реактивного ускорения, так и расхода энергии (точнее, величины 7; см. § 2 гл. 3) [4.124].
Обратимся теперь к экспедиции на орбиту вокруг Юпитера. Если считать, что корабль приближается к Юпитеру до высоты орбиты его ближайшего спутника Амальтеи (182 000 км), то вся экспедиция продолжается 1090 сут при максимальном реактивном ускорении яр=2 мм/са и 1000 сут при ар=3 мм/са х). Продолжительность спуска до орбиты Амальтеи и последующего разгона с нее до
^ ^ При максимальном ар=5 мм^с2 это время уменьшается лишь до 890 сут § 9 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОРАБЛЕЙ C МАЛОЙ ТЯГОЙ
463
4310
Рис 171. Оптимальные траектории и программы тяги для экспедиций Земля — Марс — Земля на кораблях с двигателями малой тяги при скорости истечения ц;=200 км/с и начальных реактивных ускорениях а равных а) 5-Ю~* g, б) 10-« g; в) 0,5-10-* g [4 123]
ЇГпри2ш°80ИкМма/сЬНаЄ 2? Af4 2Ида=ТЯГИ экспедииий Земля - Mapc - Зем-
,,„ OU км/с, Opo=IO 4S 14.25J: а) случай минимальной продолжительности экспедиции; о) случай большой продолжительности (пунктир - пассивный участок траектории) 464
ГЛ. 22. МЕЖПЛАНЕТНЫЕ ЭКСПЕДИЦИИ
параболической скорости равна 270 и 180 сут. Благодаря мощному полю тяготения Юпитера на спиральное движение вблизи него тратится столько же рабочего тела, как и на перелеты туда и обратно между орбитами Земли и Юпитера. Энергетические затраты на экспедицию к Юпитеру примерно втрое больше, чем на экспедиции к Марсу и Венере [4.1241.
Как видим, экспедиции с малой тягой не дают выигрыша во времени по сравнению с импульсными перелетами при технически реальных реактивных ускорениях, но дают большой выигрыш в полезной нагрузке. Выигрыш во времени при полетах к дальним планетам обнаруживается, как мы знаем (глава 14), если цель полета — простой пролет мимо планеты, без выхода на орбиту и без возвращения на Землю. К пилотируемым полетам это не может относиться.
Полет человека на борту электрического корабля встретит ряд трудностей. Опасность вызывает долгое время пребывания в околоземном поясе радиации и в поясах радиации других планет (например, Юпитера); часть полезной нагрузки уйдет на создание усиленной радиационной защиты. Биологи высказывают опасение, что мощное магнитное поле на борту электрического корабля может задержать обновление клеток организма.
Несомненно, межпланетные корабли с малой тягой смогут хорошо служить в качестве перевозчиков грузов. Можно себе представить, что в будущем до запуска к Марсу пилотируемого корабля с людьми будет дан старт грузовому электрическому кораблю, который, двигаясь «малой скоростью», доставит «багаж космонавтов» на орбиту вокруг Марса уже после их прибытия туда.
По мнению некоторых специалистов, электрические корабли при полетах к Юпитеру окажутся более выгодными и по полезной нагрузке, и по продолжительности полета, чем ядерные ракеты. Ядерные двигатели, возможно, будут использоваться на вторых или третьих ступенях ракет-носителей для вывода на околоземную орбиту кораблей, снабженных электрическими двигателями [4.1251.
Как это ни удивительно, но уже выражается уверенность, что и солнечный парус сможет послужить в качестве двигателя для корабля с человеком: квадратный парус 2000x2000 м доставит к Марсу и обратно корабль массой 25 т за 900-М000 сут [4.32]. Легко себе представить, что в будущих межпланетных перелетах солнечные паруса иногда смогут играть роль резервного двигателя в случае, например, внезапной потери топлива из-за пробоя бака крупным матеоритом. Вспомним плавание в 1934 г. под парусами ледокольного парохода «Сибиряков», потерявшего гребной винт во льдах Берингова моря х).
