Глава 15. ЗОНДИРОВАНИЕ МЕЖПЛАНЕТНОГО ПРОСТРАНСТВА

§ 1. Одноимпульсные орбиты искусственных планет

Космические аппараты, орбиты которых не задевают сфер действия каких-либо планет, называют космическими зондами. При этом под зондированием понимается исследование собственно межпланетного пространства, а не планет, их спутников, комет или их окрестностей. Если орбита зонда — эллиптическая, то его называют искусственной планетой или искусственным спутником Солнца (когда эллиптическая орбита имеет большой эксцентриситет, то иногда говорят об «искусственной комете»). Параболические и гиперболические орбиты межпланетных зондов мы в этой главе рассматривать не будем.

Для выхода на орбиту искусственной планеты достаточно превысить вторую космическую скорость. Орбита такого зонда может быть названа одноимпульсной. Она, естественно, обязана пересекаться с орбитой Земли (сферу действия Земли в межпланетных масштабах мы будем принимать за точку). Период обращения искусственной планеты полностью определяется величиной большой оси ее орбиты (см. § 5 гл. 2), а последняя в свою очередь определяется величиной гелиоцентрической скорости выхода из сферы действия, являющейся начальной скоростью движения искусственной планеты по орбите.

Можно так подобрать величину и направление геоцентрической скорости выхода, что период обращения окажется кратным периоду обращения Земли, т. е. будет измеряться целым или дробным числом лет. Тогда через какой-то период времени, равный наименьшему общему кратному обоих периодов обращения, Земля и зонд встретятся в точке начала движения искусственной планеты [4.33]. Это произойдет через целое число лет после старта. Таким путем можно получить с близкого расстояния по радио данные исследования межпланетного пространства или даже вернуть на Землю часть бортовой научной аппаратуры.

Если плоскость орбиты искусственной планеты совпадает с плоскостью эклиптики (когда гелиоцентрическая скорость выхода

лежит в плоскости эклиптики) и притом орбита не является касательной к орбите Земли, то обе орбиты имеют еще одну точку пересечения, кроме начальной. В этой второй точке пересечения при должном подборе параметров орбиты зонда также возможна встреча с Землей, но уже через дробное число лет [4.33].

Если пренебречь возмущающим влиянием Земли в момент сближения, то следует ожидать периодических возвращений искусственной планеты к Земле. Фактически же возмущения вызовут изменение периода обращения. Зонд придет в следующий раз к месту встречи на орбите Земли немного раньше или немного позже Земли, и повторная встреча не произойдет.

Рассмотрим семейство орбит искусственных планет, касающихся орбиты Земли. Это семейство делится на два подсемейства: внутренних орбит и внешних орбит. Периоды обращения для внутренних орбит — все меньше года, для внешних орбит — больше года. И тех и других орбит бесконечное число.

Чтобы могло произойти возвращение искусственной планеты к Земле, планета и Земля должны каждая совершить целое число оборотов вокруг Солнца. Пусть Земля за время полета совершает оборотов, а искусственная планета — оборотов (тип — целые числа). Тогда период обращения искусственной планеты равен лет. Верно и обратное: если период обращения искусственной планеты составляет лет, причем дробь несократима, то до встречи Земля совершит оборотов (за лет), а планета совершит оборотов. Если орбита — внутренняя, если внешняя.

Нетрудно сообразить, что минимальный срок возвращения к Земле для внутренних орбит равен одному году. Через год, совершив два оборота вокруг Солнца, возвратится к Земле в начальную точку своего движения зонд с периодом обращения года. Точно также через год вернулись бы к Земле и зонды с периодами обращения года и т. д., но... таких искусственных планет не существует, так как минимальный период обращения искусственной планеты равен удвоенному времени полета к Солнцу по полуэллипсу, т. е. 130,04 сут — более года. Остальные внутренние орбиты обеспечивают возврат к Земле через два, три и большее число лет. (Например, при периоде 2/3 года зонд возвращается к Земле через 2 года, совершив 3 оборота вокруг Солнца.)

Для вывода искусственной планеты на полугодовую орбиту необходима скорость отлета с Земли 15,46 км/с [4.33]. Полугодовая орбита пересекает орбиты Венеры и Меркурия. Расстояние зонда от Солнца в перигелии равно 0,260 а. (меньше расстояния Меркурия в его перигелии, которое равно 0,31 а. е.).

Постоянную систему четырех полугодовых искусственных планет можно эффективно использовать для исследования Солнца [4.341. Пусть запуск зонда 1 происходит, когда Земля находится

в точке А своей орбиты (рис. 132). Через 3 месяца производится запуск зонда 2 в точке В, еще через 3 месяца — зонда 3 в точке С и, наконец, через 9 месяцев после старта в точке А — в точке Через год после первого запуска все зонды (1, 2, 3, 4) займут положения, показанные на рис. 132. Указанная ромбическая конфигурация будет повторяться каждые полгода. Также через 6 месяцев будет повторяться ромбическая конфигурация в повернутом на 90° положении (первый раз она возникает через 15 месяцев после запуска зонда 1). Ближайшие к Солнцу зонды позволят одновременно наблюдать с двух противоположных сторон практически всю поверхность Солнца и будут находиться в это время на линии, перпендикулярной к направлению Земля — Солнце, — в наилучшем положении для приема их радиосигналов.

Переходя к внешним касательным орбитам с возвращением к Земле через целое число лет, отметим, что здесь не существует ограничений в размерах периода так как тип могут быть любыми целыми числами, удовлетворяющими условию (кроме того, несократимая дробь). Представляют интерес орбиты с возвращением через небольшое число лет.

Рис. 132. Система из четырех искусственных планет с полугодовыми периодами обращения.

Орбита с периодом года соответствует возвращению к Земле после одного оборота планеты и двух оборотов Земли Ее афелий удален от Солнца на 2,174 а. (лежит за орбитой Марса).

Искусственные планеты могут вернуться к Земле через 5 лет, если их периоды обращения равны или или или года; за это время они успевают сделать соответственно 1,2, 3 и 4 оборота вокруг Солнца. Их афелии равны 4,848; 2,684; 1,811; 1,321 а. Необходимые скорости запусков составляют 14,09; 12,77; 11,89;

Любопытно, что последняя из указанных орбит очень близка к орбите первой искусственной планеты «Луна-1», запущенной в Советском Союзе 2 января 1959 г., прошедшей 4 января вблизи Луны и 7—8 января пересекшей границу сферы действия Земли. Расстояние станции «Луна-1» от Солнца в перигелии равнялось 146 млн. в афелии 197 млн. что очень близко к данным орбиты с периодом года. Орбита была почти касательной к орбите Земли, наклон к плоскости эклиптики составлял около 1°. Период обращения станции «Луна-1» составлял 450 сут и равнялся бы в точности года, если бы год продолжался 360, а не 365,256 сут. Фактически поэтому через 5 лет после запуска расстояние между «Луной-1» и Землей должно было составлять

десятки миллионов километров (Земля опоздала бы прийти к месту встречи на месяц).

Орбиты возвращения к Земле удобно изображать в системе координат, вращающейся вместе с линией Солнце — Земля (рис. 133) [4.35].

Рис. 133. Орбиты искусственных планет с периодами обращения года [4.31: а) в гелиоцентрической системе координат: б) в системе координат, вращающейся вместе с линией Солние — Земля.

Петли в начале движения (рис. 133, б) объясняются тем, что внешняя искусственная планета в своем угловом движении вокруг Солнца сначала недолго обгоняет Землю и скоро начинает отставать от нее, а с внутренней планетой дело обстоит наоборот (см. § 5 гл. 5). Эти явления повторяются и в дальнейшем при возвращении к бите Земли.

Из-за земных возмущений внутри сферы действия Земли изображенная идеальная картина рано или поздно нарушится. С помощью коррекции, однако, можно добиться, чтобы прохождения мимо Земли происходили на достаточно большом от нее расстоянии.