Ракеты и полеты в космос - Вилли Лей

Зная это, можно довольно легко подсчитать, что запуск на высоту 1300 км должен осуществляться двухступенчатой ракетой, в которой каждая ступень имеет относительную массу 3:1. Обе ступени должны работать на этиловом спирте и жидком кислороде при скорости истечения порядка 2км/сек, на уровне моря. При этом первая ступень практически вообще не сумела бы развить скорость, равную скорости истечения, так как в реальных условиях ей пришлось бы преодолевать тяготение и сопротивление воздуха, зато вторая ступень, не имеющая дела с этими отрицательными моментами, смогла бы развить скорость, близкую к удвоенной скорости истечения продуктов сгорания. Чтобы представить себе, какие размеры должна была бы иметь такая ракета, предположим, что полезная нагрузка второй ступени весит 9 кг. Тогда все весовые характеристики получат следующий вид (в кг):

Этот вес почти равен весу ракеты «Викинг» № 11, которая достигла высоты 254 км, имея полезную нагрузку в 374 кг, что значительно превышает вес второй ступени в нашем примере.

Двадцать лет назад ученые с большим жаром обсуждали две проблемы; сможет ли ракета выйти за пределы земной атмосферы и будет ли она в состоянии преодолеть силу земного притяжения. При этом высказывались опасения, что ракета за очень короткий промежуток времени разовьет слишком большую скорость и потратит подавляющую часть своей энергии на преодоление сопротивления воздуха. Сегодня большинство этих опасений можно считать беспочвенными; ракеты уже не раз выходили из пределов земной атмосферы. Практика показала, что стоит только ракете на оптимальном режиме достичь тропопаузы, как будут устранены почти все препятствия для ее дальнейшего движения вверх. Это объясняется тем, что атмосферный слой, лежащий ниже тропопаузы, содержит 79% всей массы воздуха; стратосфера охватывает 20% массы, а в ионосфере рассеяно менее 1 % всей массы воздуха.

Степень разреженности воздуха в верхних слоях атмосферы еще лучше иллюстрируется средней длиной свободного пробега молекул воздуха. Известно, что на уровне моря в 1см3воздуха при +15°C содержится 2,568 X 1019 молекул, которые постоянно находятся в быстром движении. Так как молекул очень много, они часто сталкиваются между собой. Среднее расстояние по прямой, которое молекула проходит от одного до другого столкновения, называется средней длиной свободного пробега. Этот параметр не зависит от скорости движения молекулы, а следовательно, и от температуры среды. На уровне моря средняя длина свободного пробега молекул воздуха равна 9,744 X 10-6см, на высоте 18км она уже достигает 0,001мм, на высоте 50км составляет 0,1мм, а в 400км от Земли она приближается к 8км.

На еще больших высотах понятие средней длины свободного пробега молекул теряет всякое значение, так как воздух здесь перестает быть непрерывной средой и превращается в скопление молекул, двигающихся вокруг Земли по независимым астрономическим орбитам. Вместо сплошной атмосферы на этих высотах отмечается область «молекулярных спутников», которую астрофизики называют «экзосферой».

В верхних слоях атмосферы встречаются зоны высоких температур. Так, на высоте 80км температура составляет 350° С. Но эта весьма внушительная на первый взгляд величина выражает по сути дела только то, что молекулы воздуха здесь перемещаются с очень большой скоростью. Нагреться же до такой температуры, оставаясь здесь в течение недолгого времени, попавшее сюда тело не может, как не могут погибнуть от жары люди, находящиеся в просторном сарае, в одном углу которого висит лампочка с нитью накала, раскаленной до нескольких тысяч градусов.

В специальной литературе не раз поднимался вопрос об отыскании такой «оптимальной скорости» ракеты, которая была бы достаточной для преодоления сопротивления воздуха и силы земного тяготения, но не настолько большой, чтобы вызвать перегрев ракеты. Практика показывает, что этот вопрос практического значения не имеет, так как крупные жидкостные ракеты, двигающиеся довольно медленно в нижних слоях атмосферы, не могут иметь ускорений, которые обеспечили бы их разгон даже до «оптимальной скорости» на этом участке траектории. К моменту достижения этой скорости ракеты, как правило, оказываются за пределами нижних слоев атмосферы и не подвергаются больше опасности перегрева.

Несколько лет назад появились первые большие ракеты на твердом топливе, которые вызвали в ходе их разработки необходимость изменения многих уже установившихся норм проектирования ракет. Национальный консультативный комитет по авиации (НАКА) провел для этого ряд исследований с целью выбора наиболее приемлемых форм для корпуса, хвостового оперения, крыльев ракет, предназначенных для полетов на больших скоростях. Были построены и запущены с двигателями на твердом топливе опытные модели, полезные нагрузки которых были так велики, а время работы двигателей столь непродолжительно, что опасность превышения «оптимальной скорости» почти не появлялась. В дальнейшем ракеты на твердом топливе, особенно ракета «Дикон», стали применяться для научных исследований, и прежде всего для исследований космических лучей.

Космические лучи представляют собой быстро движущиеся элементарные частицы (главным образом протоны). Когда такая частица приближается к Земле, магнитное поле Земли отклоняет ее, и может случиться так, что она вообще не попадет в атмосферу. В самых верхних слоях атмосферы протоны сталкиваются с атомами кислорода или водорода, в результате чего возникают качественно новые космические лучи, которые в технике называются «вторичными» в отличие от пришедших из космоса, то есть «первичных». Максимальная плотность космических лучей наблюдается на высоте около 40км, где вторичные лучи еще не успевают поглотиться атмосферой.

Источник происхождения первичных космических лучей пока неизвестен, так как магнитное поле Земли отклоняет их настолько сильно, что определить первоначальное направление их движения в пространстве оказывается невозможным.

Интенсивность космического излучения у поверхности Земли практически не зависит от времени года и суток, однако на различных магнитных широтах она бывает разной. Минимальные значения она имеет на магнитном экваторе, а максимальные — над магнитными полюсами на высоте 22,5км.

Задача исследования космических лучей как раз и заключалась в том, чтобы поднять научные приборы на такую высоту над магнитным полюсом или по меньшей мере поблизости от него. Ракеты «Аэроби», уже использовавшиеся для этого, были не вполне удобны, так как они были все же недешевы в производстве и, кроме того, нуждались в пусковой вышке. Можно было установить приборы и на ракете «Дикон», но она имела очень большое ускорение при подъеме и поэтому очень быстро развивала огромную скорость, расходуя большую часть своей кинетической энергии на преодоление сопротивления воздуха на малых высотах. Выход из этого положения был найден доктором Джеймсом ван Алленом, который предложил производить пуск ракеты «Дикон» на высоте 20км. В качестве средства доставки ракеты на такую высоту можно было использовать пластмассовые воздушные шары «Скайхук».

Первые «рокуны» (так стала называться эта комбинация ракеты с воздушным шаром) были запущены в 1952 году с катера береговой охраны «Истуинд» у берегов Гренландии. Пусковая цепь ракеты замыкалась барометрическим реле, когда давление окружающего воздуха падало до заданного уровня (это происходило приблизительно через час после запуска воздушного шара). Такой способ запуска позволял ракете «Дикон» подняться на высоту свыше 80км.

Взлет двухступенчатого зенитного управляемого снаряда «Найк» (одна из первых модификаций). Снимок сделан в 1953 году на полигоне Уайт Сэндз

Вторая серия экспериментальных пусков «рокунов» была осуществлена в Тихом океане примерно в 300 милях к юго-западу от Сан-Диего (Калифорния) во второй половине июля 1956 года. Кораблем-маткой на этот раз служил американский военный корабль «Колониэл», сопровождаемый эсминцем «Перкинс», который обеспечивал радиолокационное слежение за ракетой. Целью этих запусков было исследование ультрафиолетового и рентгеновского излучений Солнца при периодических вспышках. На Земле солнечная вспышка ощущается в виде непродолжительного затухания радиосигналов на средних и коротких волнах. Если бы старт «рокуна» совпал с одной из таких вспышек, ракета взлетела бы слишком поздно. Поэтому воздушный шар с ракетой запускался каждое утро и удерживался на высоте 24км. Сотрудники наземной станции в Калифорнии следили за вспышками на Солнце по затуханию радиосигналов. При обнаружении затухания об этом сообщалось на корабль, с борта которого на «рокун» посылался радиосигнал о запуске ракеты. Ракета освобождалась от воздушного шара, прорывая его пластмассовую оболочку, и исчезала в небе. Всего было произведено десять таких запусков.