Таємничий вабить блиск Венери ми можемо спостерігати те ввечері, то вранці. У давні часи люди брали Венеру за дві зірки: вечірню - Веспер і ранкову - Люцифер. Однак давньогрецького вченому Піфагору вже було відомо, що в дійсності це тільки одна зірка. Пізніше цієї яскравої зірки привласнили ім'я богині любові і краси - Венери, як би втілила в собі образ прекрасної недоступною жінки. Не випадково в якості позначення Венери астрономи вибрали зображення ручного дзеркала - емблеми жіночності і краси.
В результаті багатовікових спостережень було встановлено, що Венера рухається навколо Сонця майже по круговій орбіті на середній відстані від нього в 108 мільйонів кілометрів, роблячи повний оборот за 224 діб 16 годин 49 хвилин. Середня швидкість її руху по орбіті складає 35 км / сек.
Венера - найближча до нас сусідка з внутрішніх планет Сонячної системи. Її орбіта розташована всередині орбіти Землі. Площини орбіт цих планет перетинаються під невеликим кутом, що становить всього близько 3,5 градуса. Взаємне розташування Землі і Венери безперервно змінюється через відмінності їх періодів обертання навколо Сонця. Тому в. процесі орбітального руху Венера періодично займає відносно Сонця і Землі два діаметрально протилежних положення, які отримали назви нижнього з'єднання (Венера знаходиться між Сонцем і Землею) і верхнього з'єднання (Сонце знаходиться між Землею і Венерою). Мінімальна відстань між Землею і Венерою, відповідне нижньому з'єднанню, становить близько 42 мільйонів кілометрів, а максимальна, в верхньому з'єднанні, - 258 мільйонів кілометрів. Нижня з'єднання, як і верхнє, повторюється через 584 діб. Точно через такий же період часу повторюється і будь-яке інше взаємне положення планет і це визначає періодичність запусків космічних станцій до Венери.
Через розбіжності площин орбіт Землі і Венери в момент нижнього з'єднання Венера найчастіше відхиляється вгору або вниз (по відношенню до площини орбіти Землі) від прямої, що з'єднує центри планет. Однак існують такі сполуки, коли Венера все ж виявляється на цій прямій. Вони іменуються явищем проходження Венери через диск Сонця. Цю картину можна спостерігати навіть неозброєним оком. Але стати свідком цього цікавого явища може далеко не кожен бажаючий, оскільки періодичність його складає послідовність 8 і 105,5 років; 8 і 121,5 років. Останній раз це явище спостерігалося 9 грудня 1874 року та 8 грудня 1882 року. Воно повториться знову тільки 8 червня 2004 і 6 червня 2012 року.
Дослідженню Венери з допомогою автоматичних міжпланетних -станцій передувало рішення цілого комплексу складних науково-технічних проблем. З позицій космічної балістики ці проблеми зводяться до наступного:
1. Вибір способу старту з Землі, що забезпечує можливо меншу швидкість руху станції в кінці активної ділянки польоту. Це дозволить вивести на траєкторію польоту до Венери найбільший корисний вантаж і знизити стартову вагу і габарити ракети.
2. Визначення такого режиму польоту станції і часу старту, щоб, подолавши силу земного тяжіння і в подальшому рухаючись під дією сили протягу Сонця, вона могла б в заздалегідь призначеної точці космічного простору зустрітися з Венерою.
3. Вибір часу польоту. При занадто великий тривалості польоту зростає небезпека зіткнення станції з мікрометеоров і ймовірність виходу з ладу елементів апаратури 'Станції під впливом факторів космічного середовища. При цьому час досягнення Венери має бути вибрано так, щоб в момент входу станції в атмосферу Венери вона повинна бути видна з центру далекого космічного зв'язку, розташованого на території Радянського Союзу.
4. Визначення такого розташування Землі і Венери і відповідний йому міжпланетної траєкторії, щоб в момент зустрічі Венера була якомога ближче до Землі. Цим забезпечується надійність радіозв'язку на заключному етапі польоту станції.
5. Вибір такої траєкторії польоту, щоб швидкість входу станції в атмосферу Венери була по можливості найменшою. При цьому зменшуються перевантаження і величина нагріву, що впливають на спусковий апарат, що дозволить зменшити вагу його конструкції і теплозахисту.
Звичайно, деякі з цих вимог є суперечливими і їх неможливо задовольнити всі одночасно. Тому перед балістики виникає задача відшукання якогось компромісного рішення, що відповідає в якійсь мірі всім висунутим вимогам. В силу цих причин вибір траєкторії польоту до Венери є досить складною справою, пов'язаним з численними розрахунками і аналізом утворюються результатів.
Вся траєкторія міжпланетного польоту може бути умовно розділена на три наступних основних ділянки:
- політ в сфері дії Землі;
- рух під тяжінням тільки одного Сонця;
- політ в сфері дії планети-мети (Венери). Такий поділ траєкторії носить умовний характер і виникло тільки через те, щоб якось спростити рішення задачі розрахунку її. Ми вже не раз говорили про те, що навіть така "проста" завдання, як рух космічного апарату під впливом тяжіння тільки Землі і Місяця, що подаються у вигляді матеріальних точок, не має аналітичного рішення і тому може бути досліджена тільки чисельними методами. В міжпланетний політ умови задачі ще більше ускладнюються. Тут в якості діючих сил виступають, крім Землі і Місяця, ще Сонце і планети Сонячної системи. В даний час відсутні навіть будь-які натяки на можливість відшукати рішення цього завдання. Тому інженерам доводиться задовольнятися одними чисельними, методами. Але чисельні методи, як ми вже знаємо, при розрахунках великої кількості варіантів міжпланетних траєкторій дуже трудомісткі навіть для сучасних швидкодіючих електронних обчислювальних машин. Таким чином, ці балістики і обрали спрощений, наближений спосіб розрахунку траєкторії, що грунтується на тому, що вся траєкторія розбивається на ділянки по сферам дії планет. Усередині кожної ділянки для опису руху стала придатною теорія еліптичного руху, т. Е. На озброєння були взяті кінцеві формульні залежності, значно спрощують і прискорюють процес розрахунку траєкторії. Зрозуміло, що виходить при цьому результат носить наближений характер, але за своєю точністю він, як правило, задовольняє вимогам проектування польотів і якісного аналізу характеристики руху. Коли ж справа стосується розрахунку траєкторії польоту станції, то, звичайно, тут в обов'язковому порядку залучаються строгі чисельні методи.
Розглянемо тепер особливості і характеристики траєкторій польоту до Венери.
Старт із Землі. Старт із Землі в силу тих же самих причин, які були розглянуті при старті космічних апаратів з метою польоту до Місяця, доцільно проводити з орбіти супутника Землі. Саме за цим способом починали свою космічну подорож радянські і американські станції, що прямували до Венери або Марса. Отже, припустимо, що, покинувши орбіту супутника Землі і досягнувши другої космічної швидкості, станція кинулася в космічний простір. Маючи величезний запас кінетичної енергії, вона почне швидко віддалятися від Землі. Однак за рахунок безперервного тяжіння Землі з кожною секундою і з кожним кілометром висоти швидкість станції буде зменшуватися. На висоті 1000 км вона знизиться до 10,403 км / сек. Звичайно, у міру зростання висоти тяжіння Землі буде спадати і тому темп зменшення буде знижуватися. На висоті 10000 км швидкість польоту стане 6,983 км / сек, а після досягнення висоти 100000 км вона складе всього 2,740 км / сек. Безперервно-зменшуючи свою швидкість, станція буде поступово віддалятися від Землі, але коли дійде до межі сфери дії Землі, її запас кінетичної енергії буде практично вичерпано.
Тому швидкість станції відносно Землі виявиться дуже малою ... Значить, досягнувши другої космічної швидкості, станція, подолавши силу земного тяжіння, не впаде назад на поверхню Землі, але і не сумнівайся від її орбіти, почавши рухатися навколо Сонця по майже однаковою з Землею орбіті .
Звідси випливає, що для польоту до Венери або Марса необхідно стартувати від Землі зі швидкістю, що перевищує другу космічну. Тоді, покинувши Землю, за кордоном сфери її дії станція буде мати певний запас швидкості, достатній для викривлення орбіти і досягнення планети-мети. Забігаючи вперед, можна сказати, що для польоту до Венери станція за межами сфери дії Землі повинна мати швидкість відносно Землі 2,494 км / сек. Для цього ракета повинна стартувати з Землі зі швидкістю 11,464 км / сек, т. Е. Політ у зоні дії Землі буде відбуватися по гіперболічної траєкторії. Для польоту до Марса буде потрібно швидкість віддалення від Землі не менше 2,943 км / год, а швидкість відльоту відповідно повинна бути дорівнює 11,570 км / сек.
Зрозуміло, що величина швидкості старту з орбіти супутника Землі для польоту в міжпланетний простір буде істотно залежати від висоти цієї орбіти.
Потрібна швидкість старту для досягнення однієї і тієї ж швидкості видалення з ростом висоти супутника зменшується. Наприклад, для польоту до Венери при старті з орбіти супутника висотою 200 км необхідна швидкість відльоту 11,296 км / сек, а зі стаціонарної орбіти (H = 35809,4 км) - 5,015 км / сек.
Якщо старт виробляти з Місяця, то ракета повинна спочатку подолати тяжіння Місяця, а потім, вийшовши зі сфер її дії, - тяжіння Землі. Незважаючи на це, швидкості відльоту від Місяця для досягнення заданої швидкості віддалення від Землі виходять значно меншими. Наприклад, для польоту до Венери з оптимальною швидкістю видалення (2,494 км / сек) від Землі при старті з орбіти супутника Землі буде потрібно швидкість 11,296 км / сек. У той же час при старті з поверхні Місяця вона зменшиться до 3,017 км / сек. Ці дані обіцяють привабливі перспективи використання Місяця в якості природного космодрому нашої планети. Розвиваючи ідеї К. Е. Ціолковського, ще в 30-х роках ця думка була висловлена одним з його перших послідовників Ю. В. Кондратюком. Головна перевага старту з Місяця або її супутників полягає у вимозі значно менших швидкостей відльоту.
Міжпланетна траєкторія. Найпростіший шлях до Венери - політ по найкоротшому відстані. Він може бути здійснений, якщо станція, образно кажучи, буде "падати" на Венеру з висоти орбіти Землі (рис. 93). Щоб потрапити в Венеру, в момент зустрічі зі станцією вона повинна перебувати в нижньому сполученні. "Падіння" станції на Сонце може початися тільки тоді, коли швидкість її руху по орбіті навколо Сонця після старту з Землі повинна дорівнювати нулю. Так як Земля рухається навколо Сонця зі швидкістю 29,76 км / сек, то станції при відльоті з Землі необхідно повідомити саме цю швидкість, але направити її назустріч орбітальному руху нашої планети. Крім того, необхідно ще додати швидкість на подолання сили земного тяжіння. Розрахунки показують, що в цьому випадку при старті проміжної орбіти супутника Землі станція повинна придбати швидкість, що забезпечує "падіння" на Сонце, - близько 31,8 км / сек. На сучасному рівні розвитку ракетної техніки це поки недосяжна величина. Але якщо все ж таки припустити можливість отримання такої швидкості, то станція в своєму "падінні" подолає відстань між планетами, рівне 42 млн. Км, всього за 25 діб. Однак існує ще один недолік, пов'язаний з перельотом на Венеру по найкоротшому шляху. У момент зустрічі станції з планетою наземні пункти управління не зможуть взяти з борту станції ніякої інформації. Станція по відношенню до Землі буде проектуватися на диску Сонця, і потужні сонячні випромінювання поглинуть в себе слабкі сигнали станції.
В силу зазначених причин фахівцями стали вивчатися інші траєкторії польоту до Венери, відповідні мінімальної швидкості відльоту. Строгий математичний аналіз показав, що енергетично оптимальної траєкторією є еліпс, в одному з фокусів якого лежить Сонце. Афелій цієї орбіти (нагадаємо, що афелій є точка еліптичної орбіти, найбільш віддалена від Сонця, а перигелій - найменш віддалена) повинен стосуватися орбіти Землі, а перигелій - орбіти Венери (рис. 94). Траєкторія польоту до Венери буде мати наступні характеристики:
- швидкість старту з орбіти супутника Землі 11,46 км / сек;
- швидкість віддалення від Землі 2,49 км / сек;
- пройдений шлях до моменту досягнення Венери 804,2 млн. Км;
- тривалість польоту 146,1 діб;
- відстань між Землею і Венерою в момент прильоту станції 90 млн. Км.
Однак, незважаючи на хороші енергетичні дані, політ по такій траєкторії має і свої недоліки.
Перший недолік полягає в складності виведення станції на орбіту. Для виходу на таку орбіту на кордоні з сферою дії Землі станція повинна мати Швидкість приблизно 2,5 км / сек і повинна бути спрямована строго в бік, протилежний руху Землі. Помилка в швидкості виведення всього в 1 м / сек призведе до того, що станція пролетить повз Венеру на відстані 70 тис. Км.
Другий недолік полягає у відносно великої тривалості польоту, що становить 5 місяців, і в значній відстані між планетами в момент зустрічі з Венерою. До теперішнього часу ракетна техніка зробила помітні успіхи, і на порядок денний стали ставитися питання скорочення тривалості польоту на шкоду економії енергії. Тому польоти з мінімальною швидкістю вже не розглядаються як єдино можливі. Шляхи скорочення часу польоту вийшли з кабінетів балістикою і конструкторів і реалізуються на практиці. Тривалість польоту станцій "Венера-5" і "Венера-6" становила трохи більше трьох місяців замість необхідних умов мінімуму енергії п'яти місяців польоту.
Траєкторії польоту, що відрізняються різною продолжітельноностью, займають деяке проміжне положення між оптимальною (тривалість 146 діб) і прямолінійною (тривалість 25 діб). Виходячи з вагових і конструктивних міркувань, а також з огляду на можливості роботи засобів наземного командно-вимірювального комплексу, були обрані траєкторії тривалістю 3 - 4 місяці. Тоді відстань між Землею і Венерою в момент зустрічі виявляється рівним приблизно 70 млн. Км. Сонце при цьому не заважає радіозв'язку. Цим характеристикам перелітної траєкторії відповідає певна конфігурація планет: Земля в момент відльоту станції повинна випереджати Венеру в кутовому русі навколо Сонця приблизно на 45 ° (рис. 95). Звідси також випливає можлива періодичність запуску станцій -584 діб, оскільки через цей час взаємне положення планет повторюється. Однак відхилення від відносного часу старту в ту чи іншу сторону на кілька діб практично мало позначається на енергетиці польоту і тільки цим пояснюється, що для зльоту станцій "Венера-5" і "Венера-6" були обрані дати 5 січня та 10 січня 1969 року . Тривалість польотів для цих стартів склали відповідно 131 і 127 діб, так що при стартах станцій з інтервалом в 5 діб приліт їх до Венери стався з інтервалом в 1 добу.
Вибір траєкторій і режимів польоту міжпланетних космічних кораблів є надзвичайно відповідальною і разом з тим захоплюючій наукової завданням. У цій області балістики багато зробив наш чудовий співвітчизник, ентузіаст і фанатик космічних ідей К. 3. Ціолковський, який створив принципові рішення основних питань космічної техніки і балістики. Подальший розвиток питань міжпланетних подорожей виконали радянські вчені Ф. А. Цандер, Ю. В. Кондратюк, А. А. Штернфельд, німецькі вчені В. Роман і Г. Oбepт. В даний час кількість робіт, присвячених цьому напрямку, значно збільшилося. Згадайте, наприклад, вельми ґрунтовну книгу К. Еріці "Космічний політ" або численні роботи нового покоління радянських вчених Д. Є. Охоцимський, В. А. Єгорова, Ю. А. Рябова і багатьох, багатьох інших.
Однак бурхливий розвиток техніки, накопичення досвіду міжпланетних польотів ставить перед усіма фахівцями, які готують і забезпечують політ космічних апаратів, нові, більш складні проблеми. У рішенні їх не останню роль відіграє і космічна балістика. Подальший прогрес її - справа найближчого майбутнього.
