Проект 4. На Луну в комфортных условиях

 
Барон: В моем туристическом космическом корабле бизнес-класса вы не будете мучиться от невесомости: вы будете лететь с постоянной скоростью!

Инженер: Странно... В межпланетном полете невесомость, по-моему, неизбежна.

Профессор: Наверное, всё дело в двигателе...

Бизнесмен: И сколько же времени займет такой полет?

Невесомость

Некоторые далекие от космонавтики люди считают, что невесомость — это легкое и приятное состояние, испытать которое — одно удовольствие. У космонавтов на сей счет другое мнение: невесомость — штука очень неприятная: человек, находящийся в состоянии невесомости, испытывает примерно такие же ощущения, как человек, провисевший минут пять на турнике вниз головой. А находиться в таком состоянии несколько часов и уж тем более суток под силу только очень здоровым и специально тренированным людям. Не случайно в космонавты отбирают только очень крепких физически людей.

При длительном пребывании на орбите космонавтам необходимы постоянные тщательно разработанные физические упражнения. Если их не делать или делать недостаточно, то при возвращении на Землю космонавту может стать очень плохо.

В первые годы освоения околоземного пространства, когда влияние невесомости на человеческий организм было еще недостаточно изучено, космонавты после двухнедельного полета чувствовали себя ужасно: они не могли ни стоять, ни сидеть, ни даже спать. Весь день они лежали во взвешенном состоянии в специальном бассейне с теплой водой — только в таком состоянии они чувствовали себя нормально. Даже просто лежать на очень мягком матрасе им было тяжело. На полное восстановление организма после полета уходило несколько месяцев.

А теперь давайте разберемся, почему же в космическом полете возникает невесомость?

Рассмотрим космонавта, находящегося в кабине космического корабля, который движется с выключенными двигателями недалеко от Земли (рис. 4.1).

На космонавта действует сила тяжести , где  — ускорение свободного падения на высоте h. Предположим, что на космонавта еще действует сила реакции . Под действием этих двух сил и космонавт (вместе с кораблем) движется с ускорением , как и всякое свободно падающее тело. Тогда по второму закону Ньютона:

То есть сила реакции опоры равна нулю, а значит, по третьему закону Ньютона равен нулю и вес космонавта.

И, заметьте, наши рассуждения никак не зависят от направления и величины скорости спутника, поэтому космонавты, летящие в направлении Луны в корабле с выключенными двигателями, будут находиться именно в таком состоянии.

Как избежать невесомости?

Инженер убежден, что невесомость в космическом полете неизбежна. Так ли это? На самом деле невесомости легко избежать. Надо просто двигаться с постоянной скоростью относительно Земли, и всё! Тогда ситуация внутри корабля будет такая же, как в лифте, поднимающемся (опускающемся) с постоянной скоростью: вес будет равен силе тяжести. Правда, величина силы тяжести по мере удаления от Земли будет постепенно убывать, то есть все тела будут становиться всё менее и менее «весомыми».

Каким же образом можно обеспечить равномерное движение ракеты?

Тут наш Профессор не ошибся: дело, конечно, в двигателе. Всё очень просто: надо иметь постоянно работающий реактивный двигатель. Причем реактивная сила должна в точности равняться по величине результирующей силе гравитационного притяжения со стороны Земли и Луны, поэтому по мере удаления от Земли силу тяги надо постепенно уменьшать.

Когда до Луны останется примерно одна десятая часть пути, двигатель можно на короткое время выключить, так как в этой точке сила земного тяготения уравновешивается силой лунного тяготения. На мгновение наступит невесомость. Но вскоре после этого лунное тяготение начнет преобладать над земным. Чтобы сохранить скорость постоянной, нужно будет развернуть ракету соплом к Луне и тормозить. Сила тяги должна быть равна силе притяжения Луны (за вычетом остатков земного тяготения). По мере приближения к Луне будет увеличиваться сила притяжения к Луне, а значит, придется увеличивать и силу тяги; все тела в корабле снова постепенно будут обретать вес. Вблизи поверхности Луны этот вес будет равен примерно одной шестой части земного веса.

Итак, барон Мюнхаузен прав: полет до Луны можно осуществить с комфортом без больших перегрузок и почти без невесомости. Такие условия может выдержать любой нетренированный человек.

Почему же современные корабли летают иначе?

А именно: с сильной перегрузкой на активном участке полета (когда работают двигатели) и с полной невесомостью на орбите? Только из-за необходимости экономить топливо. Самый неэкономичный вариант движения к Луне — это движение с малой постоянной скоростью. Эту ситуацию можно вообще довести до абсурда: пусть ракета зависнет над Землей неподвижно: в этом случае расход топлива налицо, а продвижение к Луне — нуль!

Наиболее экономичный способ полета — это пушечный выстрел: в этом случае вся энергия, запасенная в топливе, сразу передается кораблю, и не приходится тратить энергию на подъем над Землей еще не сгоревшего топлива. Но это другая крайность: при выстреле из пушки ускорение снаряда будет столь велико, что никакой космонавт, находящийся внутри, не сможет остаться живым.

Сейчас в космонавтике применяется компромиссный вариант: на активном участке полета космонавт подвергается большим перегрузкам, но в пределах допустимых, а затем наступает невесомость до того момента, когда ракета начнет торможение.

Оценим время полета

Теперь остановимся на вопросе о времени полета, который так заинтересовал нашего Бизнесмена. Теоретически это время можно сделать почти любым: от нескольких секунд до нескольких лет. Всё зависит, с одной стороны, от возможностей ракетного двигателя, а с другой стороны, от предельно допустимых перегрузок космонавтов.

Сделаем небольшой оценочный расчет для времени движения по маршруту «Земля—Луна» в комфортных условиях. Расстояние от Земли до Луны — примерно 384 400 км. Допустим, мы будем разгонять нашу ракету на старте с ускорением 4 м/c2 (это совсем небольшая перегрузка: вес каждого пассажира на старте увеличится всего на 40%). Тогда для разгона до скорости 10 км в секунду нам понадобится всего 42 минуты. Затем в течение примерно 9 часов последует полет с постоянной скоростью и еще примерно 40 мин на торможение с таким же ускорением (для более точного расчета надо еще учитывать скорость движения Луны по орбите вокруг Земли).

Общее время на это увлекательное путешествие составит около 11 часов — примерно столько же, сколько требуется на беспосадочный перелет по маршруту «Москва — Владивосток» на самолете Ил-86!

Далее: Проект 5. Скоростной спутник Земли


3
Показать комментарии (3)
Свернуть комментарии (3)

  • dubrov  | 21.04.2009 | 18:12 Ответить
    Широкоиспользуемые методы отправки в космос напоминают забивание гвоздей с помощью наковальни. Что, например, мешает разгонять ракету поездом до 500 км/ч на наклонной поверхности горы, до термосферы (85км) использовать традиционные авиатехнологии, расстыковаться на максимальной авиаскорости (2км/с?), использовать пружины для придания ускорения, а уже там заниматься реактивным ускорением и т.п.?
    Ответить
    • AMG > dubrov | 19.07.2009 | 00:18 Ответить
      Можно конечно, только это слишком сложно. Куда проще сжечь побольше топлива в ракетных двигателях обычных ракетоносителей.
      Ответить
  • Spacewalker  | 04.09.2011 | 17:10 Ответить
    "Предположим, что на космонавта еще действует сила реакции N"

    Мне как человеку далекому от физики, было крайне непонятна эта фраза. Я понимаю, что все верно и ошибки нет, но выглядит это так: как существует mg(h), в существовании который мы не сомневаемся, и некая сила реакции, которую мы просто вообразили.

    Что за сила реакции, реакции с чем, и почему не действует, а "предположим, действует"?
    Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»