Вы едете в автомобиле и бросаете камешки: одни вперед, другие назад. Какие из них летят с большей скоростью, а какие с меньшей (по отношению к Земле)? Когда бросаешь вперед, скорость камешка складывается со скоростью автомобиля, а когда бросаешь назад – вычитается из нее. Понятно, что в первом случае скорость получается больше.
Подобная задача возникает и при запуске космических ракет.
Когда 2 января 1959 года была создана искусственная планета, в какую сторону надо было ее запустить: по направлению движения Земли или наоборот, — вперед или назад?
Для полета вокруг Солнца нужна очень большая скорость. Значит, запускать ракету надо было обязательно по ходу движения Земли, чтобы использовать ее огромную скорость и уже в дополнение к ней придать скорость, полученную от двигателя.
Какую скорость нужно было сообщить искусственной планете, чтобы она стала обращаться вокруг Солнца?
Здесь надо исходить уже не из притяжения Земли, а из силы притяжения Солнца. Причем надо брать в расчет его огромную массу, которая в 330 тысяч раз больше земной, а также расстояние до Солнца – около 150 миллионов километров. Чтобы на расстоянии Земли при данном действии притяжения Солнца получить уравновешенное движение вокруг него, необходима скорость порядка 30 км/сек. С такой скоростью движется и сама наша Земля (29 ¾ км/сек).
Но, позвольте, — можете вы сказать, — ведь, чтобы улететь от Земли и не вернуться к ней, достаточна скорость больше 11,2 км/сек (больше второй космической скорости). С такой скоростью (примерно 11,4 км/сек) и была запущена первая космическая ракета. А тут получается, что необходима скорость порядка 30 км/сек.
Здесь важно различать два обстоятельства: 1) скорость по отношению к Земле (более 11,2 км/сек) и 2) скорость по отношению к Солнцу (около 30 км/сек), как бы «вместе с Землей».
Ракета была запущена вперед, по направлению движения Земли, и уже от нее получила скорость около 30 км/сек. Сверх этого, двигатель ракеты сообщил ей скорость более 11,2 км/сек. Но это было лишь в начале пути, близ Земли. С удалением от Земли (двигаясь «вверх» по отношению к ней) скорость эта быстро убывала, и к тому моменту, когда ракета прошла мимо Луны, она была равна 2,2 км/сек. Искусственная ракета полетела дальше вокруг солнца со скоростью около 30 + 2,2 = 32,2 км/сек.
Куда надо запускать ракету: вперед или назад (по отношению к движению Земли), чтобы она полетела на Марс?
Вперед, так как Марс дальше от Солнца, чем Земля, и, чтобы лететь к нему, надо преодолевать притяжение Солнца и лететь со скоростью большей, чем скорость Земли. Начальная скорость должна быть немного больше, чем у первой космической ракеты, — 32,8 км/сек (по отношению к Солнцу). С Земли же ее придется запускать со скоростью 11,6 км/сек (по отношению к Земле, в начале полета). Вперед надо запускать ракеты и для полетов на еще более далекие планеты. Чтобы долететь до Юпитера, необходима скорость 38,6 км/сек, до Сатурна – 40,1 км/сек, а до Плутона – 41,6 км/сек. Все эти скорости по отношению к Солнцу в ближней к нему точке пути (перигелии) – у орбиты Земли.
Куда надо запускать ракету: вперед или назад (по отношению к движению Земли), чтобы она полетела на Венеру?
Но вот перед нами другая задача – полететь на Венеру. Путь межпланетного корабля и здесь представляет собой эллипс, вписанный между орбитами Земли и Венеры. Венера ближе к Солнцу, чем наша Земля: чтобы лететь на нее, надо уже не удаляться от Солнца, а приближаться к нему. Поэтому и скорость по отношению к Солнцу понадобится меньшая – всего 27,3 км/сек. Это меньше, чем скорость Земли. В каком же направлении придется запускать ракету в этом случае – вперед или назад? На этот раз в сторону, противоположную движению Земли.
Тогда скорость, которую сообщит двигатель, будет вычитаться из скорости Земли, и получится нужная меньшая скорость: 30 км/сек минус скорость, которая вдали от Земли останется от той, что была сообщена двигателем. Эта разность равна 27,3 км/сек. Но заметьте, что теперь эта скорость в дальней от Солнца точке эллипса (у Земли). Ракета будет «опускаться» к Солнцу «сверху вниз», и скорость ее будет несколько увеличиваться.
Куда надо запускать ракету: вперед или назад (по отношению к движению Земли), чтобы она полетела на Меркурий?
Так же назад пришлось бы запустить ракету и для полета на Меркурий. По отношению к Солнцу здесь нужна меньшая скорость, чем для полета на Венеру, — всего 22,3 км/сек. Значит, двигатель по направлению назад должен сообщить ракете большую скорость, которая будет вычитаться из скорости Земли. В какую же сторону, в конечном счете, будет лететь ракета? Она полетит вокруг Солнца в том же направлении, как движутся Земля, Венера и Меркурий. Ведь скорость от двигателя, направленная «назад», гораздо меньше скорости Земли, направленной «вперед», — значит, разность скоростей все-таки получится «вперед».
Куда надо запускать ракету: вперед или назад (по отношению к движению Земли), чтобы она полетела на Плутон и дальше за пределы солнечной системы?
Итак, при начальной скорости 41,6 км/сек (по отношению к Солнцу) можно достичь Плутона – границы Солнечной системы. А что, если полететь с еще большей скоростью? Тогда ракета совершенно вырвется из оков притяжения Солнца и улетит за пределы Солнечной системы, с тем чтобы уже не вернуться в нее обратно (полетит по разомкнутой кривой). Но для этого нужна скорость не меньше 42,1 км/сек (по отношению к Солнцу, в ближней к нему точке – у Земли). По отношению же к Земле ее придется запустить с начальной скоростью не меньше 16,6 км/сек. (Именно с такой скоростью (16,6 км/сек) был запущен в 2006 году космический аппарат New Horizons по направлению к Плутону). Посылать такую ракету, конечно, надо вперед, но под определенным углом к траектории Земли.
Итак, есть три замечательные космические скорости:
Первая космическая скорость –
7,9 км/сек, — при которой спутник близ Земли летит вокруг нее по окружности (на близком расстоянии). При меньшей скорости он упадет на Землю, а при большей полетит дальше по эллипсу.
Вторая космическая скорость –
11,2 км/сек. При меньшей скорости ракета летит по эллипсу, периодически возвращаясь к Земле, а при большей – по разомкнутой кривой без возврата к Земле (но по отношению к Солнцу она летит по эллипсу).
Третья космическая скорость –
16,6 км/сек по отношению к Земле (вначале, при запуске) и 42,1 км/сек по отношению к Солнцу – скорость, при которой (или большей) ракета летит по разомкнутой кривой уже по отношению к Солнцу и навсегда покидает солнечную систему.
Это была статья о том, с какой скоростью и в каком направлении (по отношению к движению Земли) нужно запускать космические аппараты к различным планетам солнечной системы. Далее читаем: Сила тяжести: враг или друг-помощник?