Многие слышали о трех космических скоростях. Определяют их так: «Первая космическая скорость - это та, которая необходима для запуска искусственного спутника Земли, вторая - для того, чтобы отправиться к планетам, а третья - чтобы улететь за пределы Солнечной системы». На вопрос «Чему равны первая и вторая космические скорости?» в подавляющем большинстве случаев можно услышать ответы: «7,9 и 11,2 километра в секунду». Однако такие ответы будут неправильными. Почему? Потому что спутники и космические корабли летают с меньшими скоростями.
В чем же дело? Оказывается, 7,9 или 11,2 (более точно 11,19) - это космические скорости, приведенные к поверхности Земли. А космические аппараты получают нужные скорости на удалении нескольких сот километров от ее поверхности, где отсутствует атмосфера. Но там и сила притяжения Земли меньше. Поэтому и скорости нужны меньшие. Другими словами, чем дальше от поверхности планеты проходит орбита, тем с меньшей скоростью летит космический аппарат. Первой космической скоростью должен обладать аппарат, чтобы стать искусственным спутником планеты и двигаться вокруг нее по орбите. Но поскольку на формирование такой орбиты решающее влияние оказывает сила притяжения планеты, то, очевидно, для разных планет круговая скорость на одной и той же высоте будет различной. Почему? Потому что планеты располагают различной массой и, следовательно, силой притяжения. На высоте 200 километров спутник Земли, например, имеет круговую скорость 7,791 километра в секунду, на такой же высоте спутник Венеры будет обращаться со скоростью 7,201 километра в секунду, спутник Марса - 3,461 километра в секунду, а у спутника Луны эта скорость составит всего 1,590 километра в секунду.
Второй космической скоростью называют скорость, которую надо сообщить аппарату, чтобы он преодолел притяжение Земли и улетел в космическое пространство. В этом случае он будет двигаться не по замкнутой орбите вокруг Земли, а устремится по параболической траектории, навсегда удаляясь от нашей планеты. Поэтому такую скорость часто называют параболической. Ее величина в √2 раза, то есть примерно на 40 процентов, больше круговой скорости. Это соотношение справедливо не только для Земли, но и для всех других планет.
Чтобы преодолеть притяжение Солнца и лететь к другим звездным мирам, аппарату надо сообщить скорость в 16,7 километра в секунду. Это третья космическая скорость. С ней аппарат станет удаляться от Земли по дуге гиперболы.
Рассказ о космических скоростях мы закончим ответом на вопрос: «Изменяются ли скорости космических аппаратов, если да, то как именно?»
В сообщениях ТАСС о запусках спутников и космических кораблей встречаются термины «апогей» и «перигей». Происходят они от греческих слов «апо» - вдали и «пери» - около, а также от греческого слова «ге» - Земля. Терминами «апогей» и «перигей» обозначают две самые характерные точки эллиптической орбиты, которая возникает, когда космическому аппарату сообщается скорость, отличная от круговой. Апогей - это точка орбиты, находящаяся на максимальном расстоянии от центра Земли, а перигей - на минимальном.
При полете по эллиптической орбите скорость аппарата будет непрерывно изменяться. Максимальную скорость он будет иметь в перигее. Здесь на минимальной высоте аппарат имеет наименьший запас потенциальной энергии. Зато величина кинетической энергии, определяемая его скоростью, имеет в этой точке максимум. Пройдя перигей, аппарат, двигаясь по эллиптической орбите, набирает высоту. Потенциальная энергия его возрастает за счет уменьшения энергии кинетической. Поэтому по мере увеличения высоты полета скорость аппарата убывает. Вот, например, какие скорости будут у аппарата, обращающегося на эллиптической орбите с апогеем 10000 километров, а перигеем 200 километров. Они равны в апогее 3,7-3,8 и в перигее 9,306 километра в секунду.
Термины «апогей» и «перигей» применимы только к орбитам искусственных спутников Земли. Противоположные точки эллиптической орбиты спутника Луны называются апоселений и периселений, спутника Солнца - афелий и перигелий.
Поскольку у нас зашла речь об элементах орбиты искусственных спутников, следует сказать и о периоде обращения и наклонения орбиты. Период обращения - это промежуток времени, в течение которого спутник совершает полный оборот вокруг небесного тела - Земли, Луны, Марса, Солнца и т. д. Наклонение орбиты искусственного спутника Земли представляет собой угол между плоскостью, мысленно проведенной через земной экватор, и плоскостью, в которой движется спутник. Это единственный параметр орбиты, обладающий тем замечательным свойством, что его значение остается практически постоянным на протяжении всего существования спутника, в то время как другие параметры могут претерпевать некоторые изменения.
Изменение плоскости орбиты (на несколько градусов и более) в принципе возможно, но для этого необходимо вмешательство в пассивный полет космического аппарата. Например, если включить реактивные двигатели при определенной ориентации аппарата. Однако чтобы изменить плоскости орбиты даже на несколько градусов, нужна большая энергия, сравнимая подчас с той, что была затрачена на выведение аппарата на орбиту. Изменение плоскости орбиты может произойти также, если космический аппарат будет пролетать в зоне протяжения Луны. Тогда под действием возмущающих сил наклонение орбиты может измениться. Однако, приняв новое положение, в дальнейшем она уже существенных изменений не претерпевает.
Есть еще одна космическая скорость, имеющая важнее значение для межпланетных перелетов. Речь идет о скорости, с которой космический аппарат, преодолев силу притяжения планеты, удаляется от нее в бескрайние просторы Вселенной. Ее называют скоростью удаления.
Вторая космическая скорость, как мы уже говорили, равна 11,2 километра в секунду. Если мы сообщим межпланетному аппарату такую скорость, он преодолеет силу земного притяжения и не упадет обратно на поверхность Земли, но и не удалится от ее орбиты. Вместе с Землей он станет двигаться вокруг Солнца по одинаковой или близкой к ней орбите.
Чтобы послать корабль или автоматическую станцию к планетам, надо при старте сообщить им такое количество энергии, чтобы они не только преодолели силу земной тяжести, но и сохранили за пределами сферы земного притяжения необходимую скорость.
Например, чтобы достичь орбиты Венеры, аппаратам нужно удаляться от Земли со скоростью минимум 2,494 километра в секунду. Для этого скорость его отлета с Земли должна составлять 11,462 километра в секунду. Для достижения орбиты Марса требуется скорость удаления 2,943 километра в секунду, а скорость отлета в этом случае должна быть равна 11,570 километра в секунду.
