Завершая эту тему, отметим, что засорение околоземного пространства космическим мусором вызывает все большую озабоченность. Считается, что вероятность утраты спутника, запущенного на замусоренную орбиту, составляет порядка 5 % за всю продолжительность его службы. Это еще приемлемо, но пренебрегать этим уже нельзя. Беда в том, что каждый удар, каждое столкновение увеличивают количество обломков, из-за чего через несколько десятилетий возросшая опасность потери спутников заставит вообще отказаться от их запуска. Растущее количество космического мусора — реальная проблема, и космические агентства начинают закладывать в свои расчеты «загрязнение космической среды», хотя до «уборки» в космосе дело еще не дошло…
Невесомость и гравитация
Странно, что фильм назвали «Гравитация», ведь почти все его действие происходит в невесомости при вроде бы полностью отсутствующей силе тяжести. Думаете, космонавты на МКС парят совершенно свободно ввиду нулевого тяготения? Ничего подобного. Притяжение Земли остается ощутимым на любом удалении от ее центра, хотя и ослабевает в зависимости от расстояния. МКС обращается на высоте примерно 400 км, что в 50 раз выше самой высокой горы, но составляет всего лишь 1/16 земного радиуса. На этой высоте сила тяжести всего на 12 % слабее, чем на поверхности Земли. Но раз гравитация в космосе не исчезает, то как объяснить свободное парение астронавтов, словно на них не действует тяготение?
Чтобы понять происхождение невесомости, вспомним для начала, что испытать ее можно, даже не поднимаясь на орбиту Земли: достаточно погрузиться в «Аэробус А300 Zero-G» компании Novespace[14]. Этот самолет, специально оборудованный для научных экспериментов, описывает параболические траектории, позволяющие каждому испытать свободное падение продолжительностью в два десятка секунд. Пассажиры, свободно парящие в салоне, испытывают на себе то, что составляло сущность мысленного эксперимента Эйнштейна в 1907 году. В ходе работы над проблемой гравитации его посетила «счастливейшая во всей (его) жизни» идея: он заметил, что «гравитация имеет только относительное существование <…> Для наблюдателя в состоянии свободного падения… никакого гравитационного поля не существует». Эта идея опирается на тот факт — экспериментально подтвержденный с высокой точностью спутником «Микроскоп» в 2017 году, — что в гравитационном поле все тела падают одинаково, независимо от их массы и состава. Знаменитый мысленный эксперимент Галилея (возможно, апокрифический) со свободным падением тел с высоты Пизанской башни именно это и демонстрирует. Брошенные с одинаковой высоты и без замаха большое каменное ядро и легкий деревянный шар того же размера достигают земли одновременно. Дэвид Скотт, астронавт «Аполлона-15», повторил этот эксперимент на Луне, где отсутствует атмосфера, мешающая движению. Перед работающей камерой соколиное перо (кстати, посадочный модуль назывался «Фэлкон» — «сокол») и геологический молоток коснулись лунной поверхности одновременно.
На орбите ситуация такая же, как на борту «Аэробуса Zero-G»: астронавты тоже испытывают состояние свободного падения! А поскольку все тела падают одинаково, то астронавты наблюдают их как относительно неподвижные, свободно парящие по станции относительно них самих. Единственная разница (зато какая!) заключается в том, что на орбитальной станции свободное падение происходит постоянно. От падения на Землю их спасает высокая скорость (у МКС она равна 28 тыс. км/ч): они несутся к Земле, но никак на нее не упадут, потому что все время промахиваются! Если бы не земное притяжение, оставаться вблизи Земли было бы затруднительно, так как инерция заставляла бы их продолжать движение по прямой с постоянной скоростью, удаляясь от нашей планеты. Изгибая траекторию полета станции вместе с пассажирами, земное притяжение делает ее почти кольцевой.
Реактивное кресло
В начале фильма командир корабля Ковальски снует вокруг челнока «Эксплорер» и космического телескопа в особом кресле. Это точь-в-точь знаменитый MMU, пилотируемый маневренный модуль — разработка НАСА для автономного передвижения астронавтов при выходе в открытый космос. MMU крепится на спине скафандра. Маневрирование обеспечивается за счет суммарной тяги 24 сопел, выбрасывающих жидкий азот. MMU использовался в трех полетах американского космического челнока в 1984 году, после чего был забракован, так как его сочли слишком опасным для астронавтов. Затем была создана менее мощная модель SAFER (упрощенный спасательный модуль для внекорабельной деятельности), которая используется теперь при всех выходах астронавтов МКС в открытый космос для случаев непредвиденного удаления от борта.
Важность такого кресла-самолета объясняется тем, что невесомость в космическом вакууме полностью меняет способ перемещения. Зачем земным средствам транспорта — автомобилям, поездам, кораблям, самолетам — двигатель? Для перемещения, скажете вы. Верно, но не только: еще — и это главное — для преодоления силы трения — в воздухе ли, на дорожном ли полотне, — сопротивляющейся движению после начального ускорения. Если выключить мотор, силы трения возобладают, машина станет замедлять ход и остановится. В космическом вакууме никакое трение не препятствует движению. Малейшее приложение силы порождает неостановимое движение! Неверный маневр при перемещении астронавта вдоль МКС может отправить его в смертельный дрейф, если он не пристегнут ремнем безопасности (как и происходит в начале фильма). Из-за той же самой инерции Стоун не может прекратить вращение вокруг своей оси, начавшееся после того, как героиню выбросило из челнока «Эксплорер» при столкновении с облаком обломков. Если вы начнете движение в космосе, вас ничто не остановит… Поэтому автономное перемещение в космическом пространстве требует какой-то «опоры». На практике в космическом кресле применены «огнетушители» — мини-ускорители, разгоняющие его короткими толчками: выбрасываемый ими с большой скоростью азот толкает астронавта в направлении, противоположном выбросу. Но после прекращения тяги кресло продолжает движение, сохраняя приобретенную скорость. Для остановки вторым, симметричным первому ускорителем создается тяга той же силы, но в противоположную сторону. Это в начале фильма и проделывает Ковальски. Мы наблюдаем, как он управляет своим MMU сериями коротких симметричных импульсов. Так же поступает Стоун, выравнивая модуль «Союз» и китайскую станцию.
Жизнь висит на волоске
После того как командир спас астронавтку Стоун, оба героя добираются до МКС и отчаянно пытаются за нее зацепиться, чтобы прекратить движение, потому что в MMU у Ковальски закончился газ. Стоун, на свое счастье, запутывается ногами в стропах пристыкованного к МКС модуля «Союз», и это останавливает ее движение. Она ловко хватает Ковальски за руку и не дает ему уплыть в пустоту. При этом стропы остаются натянутыми, как будто Ковальски тащит в сторону непреодолимая сила. Она и заставляет его пожертвовать собой, выпустив руку Стоун. Его отбрасывает прочь, отчего стропы обвисают, и его самоубийство спасает Стоун жизнь. Эта сцена — классика кино: герои до последнего мгновения держатся за руки, вися над пропастью. Если разжать хватку, то несчастный рухнет вниз, неумолимо увлекаемый земным притяжением. Но в космосе герои, неподвижные по отношению к МКС и находящиеся поэтому на одной с ней орбите, могли бы преспокойно перестать держаться за руки и вернуться по стропам, просто держась за них, чтобы не отцепиться. Притягиваемые Землей, они обладают достаточной скоростью — это орбитальная скорость МКС, — чтобы вечно мимо нее промахиваться! Поэтому вся сцена — вопиющая ошибка, если считать, конечно, что МКС и астронавты пребывают в невесомости, то есть в свободном падении на Землю под действием собственного веса. Правда, у режиссера могут быть смягчающие обстоятельства. Дело в том, что космическая станция тоже подвергается действию силы трения ввиду наличия на высоте 400 км остаточной атмосферы. Эту силу, пусть и малую, нельзя полностью игнорировать, так как она приводит к уменьшению высоты полета МКС, теряющей на каждом витке, как уже говорилось, несколько метров. Точное значение этой потери высоты зависит от ориентации солнечных панелей: ее можно свести к минимуму сворачиванием этих панелей, когда они не используются (в тени Земли), или, наоборот, довести до максимума, если МКС нужно опустить. Подсчеты показывают, что лобовое сопротивление, испытываемое МКС, составляет порядка нескольких ньютонов, то есть оно меньше натяжения стропы, на которой висит (на Земле) груз в 1 кг. Таким образом, натяжение стропы можно считать следствием силы лобового сопротивления в атмосфере: все происходит так, как если бы МКС была большим парусом, который ловит слабенький ветерок, дующий в атмосфере на такой высоте. Вот только силы, сообщаемой этим парусом, совершенно недостаточно, чтобы Ковальски был вынужден разжать пальцы…
