В. Парфенов - Возвращение из космоса
Выше тропосферы — до высоты 80 км над уровнем моря-простирается слоистая оболочка — стратосфера (рис. 1). Ее все настойчивее штурмуют крылатые летательные аппараты.
На высотах 30–40 км стратосфера содержит озон, который в крупных дозах очень ядовит для человека [3]. Озон-нестойкая разновидность кислорода. Он образуется в результате поглощения воздухом ультрафиолетовых лучей солнца. Таким образом, кислород стратосферы служит как бы защитным зонтом Земли, не пропускающим значительную часть опасной ультрафиолетовой радиации.
Выше 40 км воздух настолько разрежен, что атмосфера уже не задерживает космические и ультрафиолетовые лучи. Здесь не сгорают от трения о воздух метеорные тела, прилетающие из космического пространства. Поэтому, если летательный аппарат поднимается выше 40 км, он попадает в область метеорных дождей.
Встреча в пути с крупными метеорами при полете в верхней атмосфере, конечно, маловероятна. Но, как показали наблюдения за искусственными спутниками Земли, столкновения с мелкими частицами, влетающими в атмосферу с космическими скоростями, вполне вероятны [3].
Следующий, третий, «этаж» атмосферы ученые называют ионосферой. Она простирается выше 80 км и называется та. к потому, что ультрафиолетовые лучи спектра вызывают в этом слое разрушение молекул воздуха.
Рис. 1. Строение воздушной оболочки Земли
Обычно атомы и молекулы воздуха электрически нейтральны, потому что каждому электрону, имеющему отрицательный заряд, соответствует протон с положительным зарядом в ядре. Однако при определенных условиях электрон может оказаться выбитым из атома и нейтральная ранее частичка превращается в электрически заряженный ион.
Разрушаются атомы и молекулы потоком ультрафиолетовых лучей и космическим излучением.
Под действием электрических сил ионы могут перемещаться. Поэтому ионосфера хорошо проводит электрический ток. Это ее свойство умело используют радисты. Оказалось, что электропроводящие слои ионосферы меняют направление радиоволн. Длинные волны отражаются от нижних слоев ионосферы, короткие — от более высоких. И только ультракороткие пробивают ионосферу и уходят в космическое пространство (см. рис. 1). Если бы не было в атмосфере Земли многослойного ионосферного «этажа», многие радиоволны с Земли уходили бы в межпланетное пространство и передача радиосигналов на большие расстояния-с одного континента на другой — в определенных диапазонах частот была бы невозможной.
На 100-километровой высоте ионосфера поглощает все рентгеновские лучи солнечного спектра и этим защищает организмы от лучевой болезни, которой подвержены все живые существа при длительном облучении этими лучами.
Из мирового пространства на нашу планету низвергается ливень атомных осколков — ядер атомов водорода. Они долетают до поверхности воздушного океана и, сталкиваясь с атомами газов воздуха, разрушают их. Образуется вторичное излучение, несущее уже меньшую энергию. Таким образом, в верхних слоях атмосферы происходит ослабление космических лучей — имеется как бы еще один предохранительный зонт.
Воздух хорошо пропускает солнечные лучи, несущие тепло и свет на нашу планету. Поверхность земли, нагретая солнцем, отдает тепло нижнему слою воздуха. Чем ближе к земле, тем теплее воздух. С высотой температура вначале постепенно падает, в среднем на 6,5 градусов на каждый километр.
В средних широтах уже на высоте в 11 км температура воздуха достигает минус 56 °C. В слое от 11 до 25 км температура остается постоянной [4]. Затем она начинает повышаться и на высоте 48 км достигает примерно 1 °C. На этом уровне она удерживается до высоты 53 км.
Почему на этом «этаже» воздух так нагрет? Потому что здесь, как отмечалось выше, в состав воздуха входит озон, при образовании которого поглощаются ультрафиолетовые лучи Солнца.
При дальнейшем подъеме температура воздуха повышается и на высоте 130 км уже стоит 70-градусная «жара». Предполагается, что температура на высоте 200 км может подняться до 600-80 °C. Такие большие температуры объясняются действием солнечной энергии, которая ионизирует воздух: ведь процесс ионизации сопровождается поглощением тепловой энергии Солнца. Некоторые ученые считают, что такое резкое повышение температуры воздуха связано с поглощением тепла от Солнца космической пылью.
Сразу же возникает вопрос: почему искусственные спутники Земли, летающие в «жарких» верхних слоях атмосферы, не плавятся и даже сохраняют температуру своих стенок, близкую к обычной?
Дело в том, что воздух там очень сильно разрежен, и поэтому тепло от него к поверхности летательного аппарата передается плохо. Ведь количество тепла, которое получает тело в нагретом воздухе, определяется не только скоростью движения молекул, но и количеством «ударов» этих быстрых молекул о поверхность аппарата. А число ударов зависит от плотности воздуха.
Плотность воздуха тоже не остается постоянной. На высоте 10 км она почти в четыре раза меньше, чем на уровне моря, где давление воздуха считается нормальным. На расстоянии 20 км от Земли давление воздуха составляет 6 %, а на высоте 100 км — всего 4 стотысячных процента нормального давления. Примерно так же изменяется и плотность воздуха.
С поднятием в верхние слон атмосферы масса воздуха, заключенного в одном кубическом метре, становится все меньше и меньше. Если на уровне моря кубометр воздуха имеет массу в 1 кг 225 г, то на высоте 30 км — всего 18 г.
Какую же глубину имеет воздушный океан?
Совсем недавно ученые полагали, что уже на высоте 1000 км исчезают следы воздуха. Искусственные спутники Земли сообщили другое-сильно разреженная газовая среда, способная тормозить полет летательного аппарата, простирается на высоту 2500–3000 км над уровнем земных морей [5]. Но еще выше простирается так называемая внешняя атмосфера: ее следы обнаруживаются до высоты многих тысяч километров!
Таким образом, воздушный океан, на дне которого кипит жизнь, самый глубокий. В отличие от водных океанов он не имеет резко очерченных границ и постепенно переходит в вакуум мирового пространства. Это свойство имеет огромное значение для постепенного гашения космической скорости при возвращении космического летательного аппарата в атмосферу Земли. Ведь если бы воздушный океан и межпланетное пространство имели такую же резкую границу, как вода и воздух, то возвращающийся космический корабль неминуемо разбился бы о поверхность воздушного океана.
ИЗ КОСМОСА — НА ОРБИТУ ВОКРУГ ЗЕМЛИ
Представим себе, что космический корабль выполнил задание по исследованию одной из планет и возвращается на Землю. Он летит во много раз быстрее артиллерийского снаряда, выстреленного из мощной пушки.
Если бы межпланетный корабль вошел в воздушный океан без снижения скорости, он сгорел бы подобно небесному камню еще на подступах к плотным слоям атмосферы. Ведь при торможении тела, движущегося с огромной скоростью, его энергия движения переходит в тепловую. Именно поэтому расплавляется свинцовый сердечник пули при ударе о каменную стену, нагревается молоток при ковке металла. Космический аппарат перед спуском на Землю должен много раз облететь вокруг земного шара в верхних слоях атмосферы, чтобы снизить свою скорость прежде всего до первой космической, равной около 8 км/сек. Это скорость, при которой аппарат становится спутником нашей планеты.
Как это сделать наиболее рационально, с какой стороны подойти к голубому океану Земли, под каким углом «нырнуть» в него, чтобы не сгореть, подобно метеору, и по возможности быстрее стать спутником Земли?
Прежде всего космонавты на межпланетном корабле будут иметь в виду, что их родная планета вращается вокруг своей оси. За 24 часа каждая точка на экваторе пробегает путь около 40000 км (такова окружность Земли). Таким образом, часовой пробег каждой точки поверхности на экваторе равен 1666 км. Не все современные самолеты имеют такую скорость.
По отношению к наблюдателю, находящемуся на Северном полюсе, наша планета вращается против часовой стрелки. Поэтому на круговую орбиту межпланетный корабль должен выходить «вдогон» Земли, вращающейся вокруг своей оси с запада на восток. В этом случае скорость корабля относительно точки, расположенной на экваторе, будет меньше почти на полкилометра в секунду. Но все же скорость корабля по отношению к Земле будет огромной. Насколько же близко от планеты надо пройти первый раз космическому аппарату, летящему с определенной скоростью, чтобы, с одной стороны, под действием земного притяжения изменить направление движения и обогнуть планету, а с другой — не сгореть при входе в атмосферу?
Ученые теоретически давно разработали возможные способы перехода возвращающегося из космоса межпланетного корабля на орбиту вокруг Земли. Один из них, называемый методом возвращения по тормозным эллипсам [6], мы сейчас разберем. Межпланетный корабль (рис. 2) движется в район Земли по параболе со скоростью 11,2 км/сек и пронзает воздушный океан, лишь касаясь плотных слоев атмосферы В этих слоях атмосферы скорость снижается, а крылья корабля создают «подъемную» силу, направленную к центру Земли. Эта сила, прижимая корабль к Земле, искривляет траекторию полета и выводит корабль сначала на эллиптические, а затем и на круговую траектории.
