с поверхности Земли и летит по гигантской дуге, возносясь немного выше линии Кармана, пока сила тяжести не вернет ее обратно на поверхность Земли. Когда 5 мая 1961 года Алан Шепард стал первым американцем в космосе, именно такой была траектория его 15-минутного полета. Корабль Шепарда стартовал с мыса Канаверал во Флориде на ракете «Меркурий-Редстоун» и достиг максимальной высоты в 188 км, после чего упал в Атлантическом океане в 487 км от места старта.
Оператор космического туризма Virgin Galactic скоро планирует запустить короткие суборбитальные экскурсии в космос: пассажиров будут поднимать над линией Кармана на космическом самолете с ракетным двигателем, который затем приземлится на взлетно-посадочной полосе, как обычный самолет. Суборбитальные траектории также все еще используются в некоторых научно-исследовательских полетах, когда небольшие твердотопливные «зондирующие ракеты» выводят научные приборы в космос для кратковременного сбора данных.
В отличие от других мы не замедлились, когда добрались до Луны: нам нужна была сила тяжести, чтобы вернуться.
Джеймс Артур Ловелл, командир корабля «Аполлон-13» (2011)
Следующий пункт назначения за линией Кармана – околоземная орбита. Удобство в орбитах любого рода состоит в том, что они самоподдерживающиеся Это означает, что, пока космический корабль находится на достаточной высоте, чтобы избежать торможения о нижележащую атмосферу планеты, которое может замедлить его, он будет бесконечно продолжать вращение по орбите без необходимости запуска двигателей.
Представьте пушку, расположенную на вершине высокой горы. Пушка стреляет снарядами вдоль линии горизонта, и каждый выстрел оказывается сильнее, чем предыдущий. Первый снаряд вылетает из пушки и приземляется у подножия горы, но по мере увеличения мощности каждый очередной снаряд оказывается все дальше и дальше от нее, пока в конце концов гравитации не удастся уронить снаряд таким образом, что тот облетит планету. Снаряд все еще падает под действием силы тяжести, но он движется так быстро, что поверхность планеты из-за своей кривизны движется с той же скоростью.
Низкая околоземная орбита (НОО) расположена примерно в 200 км над поверхностью Земли и простирается до 2000 км. Самая низкая траектория полета по НОО требует скорости примерно 7800 м/с (28 000 км/ч), поэтому космические аппараты, летящие по такой траектории, обычно совершают один оборот вокруг Земли за 90 минут. МКС с постоянным экипажем вращается вокруг Земли по НОО на высоте около 400 км. НОО обычно является отправной точкой для космических миссий, предполагающих дальние путешествия; также ее иногда называют парковочной орбитой, поскольку это первый пункт назначения после запуска с Земли.
Одним из следствий законов Кеплера является то, что чем выше космический аппарат вращается над планетой, тем медленнее он движется. При нахождении на НОО на высоте 1000 км орбитальная скорость снижается до 7400 м/с (26 640 км/ч), что увеличивает время одного оборота с 90 до 105 минут. Продолжайте увеличивать высоту, и в итоге период обращения окажется равен 24 часам, то есть периоду вращения Земли. Это происходит на высоте 35 786 км.
Если орбита находится непосредственно над экватором Земли, то наблюдателю с Земли, смотрящему вверх, будет казаться, что космический корабль завис в одной точке неба, поскольку он вращается с той же угловой скоростью, что и Земля вокруг своей оси. Такая орбита называется геостационарной.
Спутники связи и телевидения расположены на геостационарных орбитах, поэтому не нужно перемещать приемники, чтобы поймать сигнал. Поскольку спутники находятся над экватором, по крайней мере в северном полушарии спутниковые телевизионные тарелки на домах всегда указывают в южном направлении.
Поднимитесь на низкую околоземную орбиту, и вы окажетесь на полпути в любую точку Солнечной системы.
Роберт Хайнлайн (1950)
В числе других типов орбит – полярная, будучи на которой спутник, наклоненный к экватору под углом 90°, проходит над полюсами, и солнечно-синхронная, находясь на которой спутник всегда размещается между Солнцем и планетой и может наблюдать земную поверхность, освещенную солнечным светом.
Как добраться из точки А в точку Б
Для самых захватывающих космических миссий низкая околоземная орбита – это только начало. Сотрудники центра управления полетами выбирают момент и запускают двигатели космического аппарата, чтобы вывести его с НОО на так называемую гомановскую траекторию. Впервые описанная немецким инженером Вальтером Гоманом в 1925 году эта эллиптическая траектория перекрывает разрыв между двумя приблизительно круговыми орбитами. В результате второго включения двигателя космический аппарат переходит с гомановской траектории на более высокую (или низкую – в зависимости от направления движения) орбиту.
Гомановская траектория помогает преодолеть разрыв между двумя орбитами, расположенными на разных высотах над Землей. А также переместиться с околоземной орбиты на орбиту другой планеты в Солнечной системе. В этом случае необходимо тщательное планирование: одно дело просто «прыгать» между орбитами, но при перемещении с планеты на планету должна быть точка назначения. Например, бесполезно достигать орбиты Марса, если сама планета находится на противоположной стороне Солнца.
Так появилось понятие «стартовые окна» – жесткие временные интервалы, в течение которых космический аппарат может покинуть Землю. Например, стартовым окном для марсохода NASA Curiosity был период с 25 ноября по 18 декабря 2011 года, и даже в этот промежуток времени суточное вращение Земли означало, что окно открыто менее двух часов в сутки. К счастью, марсоход успешно стартовал 26 ноября и совершил посадку 6 августа 2012 года. По состоянию на конец марта 2020 года он все еще занимается изучением поверхности Красной планеты.
Все было так ново – сама идея полета в космос была новой и смелой. Учебников не было, поэтому писать их пришлось нам.
Кэтрин Джонсон (1999)
Межпланетные перелеты сопряжены с дополнительными сложностями, такими как необходимость учитывать гравитацию Земли во время запуска двигателей, а также планеты назначения по прибытии. Когда в рамках программы «Аполлон» астронавты отправились на Луну, траектория перехода была особенно трудной, поскольку из-за близости Земли и Луны на космический корабль одновременно воздействовала сила притяжения обоих тел. Решением оказалась траектория в виде восьмерки, в соответствии с которой аппарат сначала облетел Луну, а затем направился обратно к Земле.
Это классический пример задачи трех тел, которую трудно решить математическим путем. Одно решение для конкретного случая нашел французский математик итальянского происхождения Жозеф Луи Лагранж в 1772 году. Он определил пять точек в пространстве в гравитационной системе из двух тел, куда можно поместить третье, чтобы оно сохраняло свое положение относительно двух других. Эти точки Лагранжа обозначаются как L1, L2 и так далее и располагаются в форме креста. Например, L1 является своего рода точкой равновесия, где гравитация первых двух тел в некотором смысле балансируется. Объект,
