Надо сказать, что двигатели малой тяги и сейчас играют большую роль. Двигателей этих много, они буквально облепили космический аппарат со всех сторон. Связано это с тем, что космический аппарат в отличие от передвигающихся по земле объектов имеет шесть степеней свободы. Нужно ли сориентировать аппарат на Солнце, или на какую-нибудь звезду, или на центр земного шара, нужно ли после ориентации застабилизироваться в пространстве — во всех этих случаях включаются маленькие работяги.
Читателю стоит обратить внимание на слово "застабилизироваться". Водитель автомашины при движении по прямой все время старается стабилизировать движение с помощью руля, и это понятно: неровности дороги то и дело уводят автомобиль в сторону. А почему возникает необходимость стабилизировать положение движущегося космического аппарата, ведь более ровной "дороги", чем пустота, и придумать трудно?
Это опять-таки связано с безопорным состоянием — в данном случае с безопорным состоянием корабля и отсутствием трения вращения. Любой силовой контакт внутри корабля приводит к его вращению вокруг одной, а может быть, и нескольких его осей, следовательно, пространственное положение корабля нестабильно. Так что отсутствие трения в космосе имеет не только положительную сторону.
"Тела не падают и не имеют веса, но законы инерции тут легко наблюдаются. Так, чем больше масса тела, тем труднее ему придать движенце. Чем больше масса тела и потребная скорость, тем сильнее и дольше нужно на него давить. Также, чтобы остановить тело, надо тем дольшее усилие и время, чем больше его масса и скорость. Удар движущегося тела тем сильнее, чем само оно массивнее и тверже…"
К. Э. Циолковский. Цели звездоплавания (1929 г.)
"Световой ветер"
Ветры бывают разные.
В свое время немало было сломано копий по поводу "эфирного" ветра, которого никто не мог ни слышать, ни ощущать. Считалось, что существует некая неподвижная субстанция — эфир. А раз эфир неподвижен, то всякое тело, которое относительно его движется, должно Встретить эфирный ветер. Однако опыты не смогли этот ветер обнаружить. "Раз опыты не обнаруживают эфирный ветер, — решили физики, — значит, его просто нет, как нет и самого эфира".
Гораздо удачнее сложилась судьба другого неслышного ветра — "светового". Его существование было предсказано английским ученым Джеймсом Максвеллом и подтверждено опытным путем русским ученым Петром Николаевичем Лебедевым.
Как и обычный ветер, "световой ветер" производит давление. Велико ли это давление? "Протяните ладони к Солнцу. Что вы чувствуете? Тепло, конечно. Но, кроме него, есть еще давление. Правда, такое слабое, что вы его не замечаете. На площадь ваших ладоней приходится всего около одной миллионной доли унции…" Этот пример принадлежит Артуру Кларку.
Но почему нас заинтересовал "световой ветер"? Одна миллионная доля унции — это три сотых миллиграмма.
А если увеличить освещаемую поверхность во много раз, например, сделать солнечный парус? Если учесть, что световое давление действует непрерывно — час за часом, день за днем? Если вспомнить к тому же, что корабль может двигаться в космическом пространстве без потерь на трение? То есть с каждой секундой увеличивая свою скорость?
И все же найдутся скептики, которых не смогут убедить ни рассуждения, ни расчеты. "Что, — скажут они, — многотонный корабль вы хотите двигать микроскопическим световым давлением?" Эти сомнения неудивительны. Даже ученым мужам "световой ветер" преподнес "сюрприз".
Случилось это с американским спутником "Эхо". В космос была запущена сравнительно небольшая капсула, в которой помещалась сферическая оболочка. На орбите оболочку надули. Покрытый тонким металлическим слоем шар должен был использоваться как пассивный ретранслятор, а проще говоря, как радиоотражатель. Спутник был выведен на очень высокую орбиту, и ему прочили тысячелетнее существование. Вскоре, однако, выяснилось, что под действием солнечного давления высота орбиты спутника прогрессивно уменьшается. Спутник "скончался" через год.
Конечно, спутник "Эхо" был не только большим (диаметр его сферы достигал 30 метров), он был еще и легким. Для смещения в космосе значительных масс с использованием светового давления потребуется большая парусность.
Можно ли осуществить парусное перемещение практически? Вполне! Нужен очень тонкий и очень легкий материал с хорошей отражательной способностью. Парус из такого материала, свернутый в тугой рулон, может быть помещен в капсулу, которая при необходимости отстреливается с борта корабля с помощью пружинного устройства. На определенном расстоянии парус развертывается и ориентируется в пространстве таким образом, чтобы было получено максимально возможное давление солнечного света. Конечно, управление таким парусом дело отнюдь не простое, но уже сейчас ученые считают, что это вполне осуществимо.
Парус сейчас вообще в почете. Если бы пару десятков лет назад кто-нибудь сказал, что человечество в вок атомной энергии захочет вернуться к парусным судам, этому бы никто не поверил. Однако это случилось. Первыми о парусниках заговорили те, кто радеет о чистоте нашей планеты. Сейчас много говорят о том, что надо изгнать с земных водоемов моторную лодку, заменить загрязняющий воду мотор благородным парусом. Не исключено, что со временем придется всерьез задуматься и над загрязнением космического пространства. Тогда солнечный парус окажется единственным "чистым" двигателем, к которому можно будет обратиться.
Как же можно использовать силу "светового ветра" в космических полетах?
Маневрирование с помощью солнечного паруса на околоземных орбитах следует считать проблематичным. Величины коррекций тут сравнительно велики, и потребуют они большого количества времени, тогда как допустимое время маневра весьма ограниченно. При посылке аппаратов к планетам или звездам величины коррекций по углу составляют доли угловых минут, а величины изменения скорости — доли метров в секунду. Допустимое же время маневра практически не ограничено, так как перелет может длиться месяцы и даже годы.
В кругах, занимающихся космонавтикой, все это сейчас обсуждается, и на уровне, не менее серьезном, чем у мореходов. Так, на VII чтениях, посвященных разработке научного наследия и развития идей К. Э. Циолковского, с докладом о космическом парусе выступил инженер А. Н. Бутков. Появилось несколько статей на эту тему в нашей периодической печати. Занимаются этим и американские ученые. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) назначило консультативную группу для исследования сравнительных преимуществ солнечного паруса. Считается, что парус из сверхтонкого кантонового пластика площадью 800 квадратных метров способен доставить аппарат с массой в 5 тонн к /Марсу. Этот же парус может быть использован для доставки на Землю образцов марсианского грунта.
В еще более далекой перспективе видятся межпланетные парусные яхты, так что будущим космонавтам наряду с изучением сложных кибернетических систем и космической навигации придется засесть за старинные фолианты, чтобы постичь секреты наших предков — мореходов — овладеть искусством парусного маневрирования.
"Давление солнечного света… может быть применено в эфире к снарядам, успевшим уже победить тяготение Земли, выбравшимся из атмосферы и нуждающимся только в дальнейшем увеличении скорости. Дело в том, что в пустоте, при имеющемся иже движении, эта скорость может возрастать медленно. Тал что тут не потребуется чудовищной энергии, и можно воспользоваться ничтожным давлением света".
К. Э. Циолковский. Космический корабль (1929 г.)
Откуда взялась первая космическая скорость?
Итак, с помощью такой ничтожной тяги, как сила давления солнечных лучей, можно добраться до Марса. Но то же самое можно сделать и с помощью микродвигателей. Уже разработаны экономичные реактивные микродвигатели, у которых реактивная струя создается разгоном заряженных частиц в электростатическом поле, — ионные двигатели, работающие на принципе взаимодействия электрического тока с магнитным полем, плазменные двигатели и некоторые другие. Реактивная тяга их не превышает нескольких граммов, и они могут сообщить кораблю ускорение всего несколько мм/с2, но большего ведь не требуется. Кстати, эти двигатели вовсе не обязаны работать на всем пути следования от Земли до Марса — на них возлагается более скромная задача: разогнать летательный аппарат до второй космической скорости.
Как это можно сделать практически?
От Земли корабль микродвигателями, конечно, не оторвешь — здесь нужны мощные моторы, работающие на химическом топливе. Но вот корабль оказывается на орбите, и в работу вступают двигатели малой тяги. Медленно, не спеша начинают они разгон. Траектория движения корабля описывает кривую, называемую "спиралью Архимеда". Виток за витком раскручивается спираль до тех пор, пока скорость не станет параболической, Тогда корабль может покинуть окрестности Земли и направиться к одной из планет солнечной системы.
