Космонавтика как наука, а затем и как практическая отрасль, сформировалась в середине XX века. Но этому предшествовала увлекательная история рождения и развития идеи полета в космос, начало которой положила фантазия, и только затем появились первые теоретические работы и эксперименты. Так, первоначально в мечтах человека полет в космические просторы осуществлялся с помощью сказочных средств или сил природы (смерчей, ураганов). Ближе к XX веку для этих целей в описаниях фантастов уже присутствовали технические средства - воздушные шары, сверхмощные пушки и, наконец, ракетные двигатели и собственно ракеты. Не одно поколение молодых романтиков выросло на произведениях Ж. Верна, Г. Уэллса, А. Толстого, А. Казанцева, основой которых было описание космических путешествий.

Все изложенное фантастами будоражило умы ученых. Так, К.Э. Циолковский говорил: "Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка, а за ними шествует точный расчет". Публикация в начале XX века теоретических работ пионеров космонавтики К.Э. Циолковского, Ф.А. Цандера, Ю.В. Кондратюка, Р.Х. Годдарда, Г. Гансвиндта, Р. Эно-Пельтри, Г. Оберта, В. Гомана в какой-то мере ограничивала полет фантазии, но в то же время вызвала к жизни новые направления в науке - появились попытки определить,что может дать космонавтика обществу и как она на него влияет.

Надо сказать,что идея соединить космическое и земное направления человеческой деятельности принадлежит основателю теоретической космонавтики К.Э. Циолковскому. Когда ученый говорил: "Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели", он не выдвигал альтернативы - либо Земля, либо космос. Циолковский никогда не считал выход в космос следствием какой-то безысходности жизни на Земле. Напротив, он говорил о рациональном преобразовании природы нашей планеты силой разума. Люди, утверждал ученый, "изменят поверхность Земли, ее океаны, атмосферу, растения и самих себя. Будут управлять климатом и будут распоряжаться в пределах Солнечной системы, как на самой Земле, которая еще неопределенно долгое время будет оставаться жилищем человечества".

В СССР начало практических работ по космическим программам связано с именами С.П. Королева и М.К. Тихонравова. В начале 1945 г. М.К. Тихонравов организовал группу специалистов РНИИ по разработке проекта пилотируемого высотного ракетного аппарата (кабины с двумя космонавтами) для исследова-ния верхних слоев атмосферы. В группу вошли Н.Г. Чернышев, П.И. Иванов, В.Н. Галковский, Г.М. Москаленко и др. Проект было решено создавать на базе одноступенчатой жидкостной ракеты, рассчитанной для вертикального полета на высоту до 200 км.

Этот проект (он получил название ВР-190) предусматривал решение следующих задач:

• исследование условий невесомости в кратковременном свободном полете человека в герметичной кабине;
• изучение движения центра масс кабины и ее движения около центра масс после отделения от ракеты-носителя;
• получение данных о верхних слоях атмосферы; проверка работоспособности систем (разделения, спуска, стабилизации, приземления и др.),входящих в конструкцию высотной кабины.

В проекте ВР-190 впервые были предложены следующие решения, нашедшие применение в современных КА:

• парашютная система спуска, тормозной ракетный двигатель мягкой посадки, система разделения с применением пироболтов;
• электроконтактная штанга для упредительного зажигания двигателя мягкой посадки, бескатапультная герметичная кабина с системой обеспечения жизнедеятельности;
• система стабилизации кабины за пределами плотных слоев атмосферы с применением сопел малой тяги.

В целом проект ВР-190 представлял собой комплекс новых технических решений и концепций, подтвержденных теперь ходом развития отечественной и зарубежной ракетно-космической техники. В 1946 г. материалы проекта ВР-190 были доложены М.К. Ти-хонравовым И.В. Сталину. С 1947 г. Тихонравов со своей группой работает над идеей ракетного пакета и в конце 1940-х - начале 1950-х гг. показывает возможность получения первой космической скорости и запуска искусственного спутника Земли (ИСЗ) при помощи разрабатывавшейся в то время в стране ракетной базы. В 1950-1953 гг. усилия сотрудников группы М.К. Тихонравова были направлены на изучение проблем создания составных ракет-носителей и искусственных спутников.

В докладе Правительству в 1954 г. о возможности разработки ИСЗ С.П. Королев писал: "По вашему указанию представляю докладную записку тов. Тихонравова М.К. "Об искусственном спутнике Земли...". В отчете о научной деятельности за 1954 г. С.П. Королев отмечал: "Мы полагали бы возможным провести эскизную разработку проекта самого ИСЗ с учетом ведущихся работ (особенно заслуживают внимания работы М.К. Тихонравова...)".

Развернулись работы по подготовке запуска первого ИСЗ ПС-1. Был создан первый Совет главных конструкторов во главе с С.П. Ко-ролевым, который в дальнейшем и осуществлял руководство кос-мической программой СССР, ставшего мировым лидером в освое-нии космоса. Созданное под руководством С.П. Королева ОКБ-1 -ЦКБЭМ - НПО "Энергия" стало с начала 1950-х гг. центром косми-ческой науки и промышленности в СССР.

Космонавтика уникальна тем, что многое предсказанное сначала фантастами, а затем учеными свершилось воистину с космической скоростью. Всего сорок с небольшим лет прошло со дня запуска пер-вого искусственного спутника Земли, 4 октября 1957 г., а история космонавтики уже содержит серии замечательных достижений, полученных первоначально СССР и США, а затем и другими кос-мическими державами.

Уже многие тысячи спутников летают на орбитах вокруг Земли, аппараты достигли поверхности Луны, Венеры, Марса; научная аппаратура посылалась к Юпитеру, Меркурию, Сатурну для получения знаний об этих удаленных планетах Солнечной системы.

Триумфом космонавтики стал запуск 12 апреля 1961 г. первого человека в космос - Ю.А. Гагарина. Затем - групповой полет, выход человека в космос, создание орбитальных станций "Салют", "Мир"... СССР на долгое время стал ведущей страной в мире по пи-лотируемым программам.

Показательной является тенденция перехода от запуска одиночных КА для решения в первую очередь военных задач к созданию крупномасштабных космических систем в интересах решения широкого спектра задач (в том числе социально-экономических и научных) и к интеграции космических отраслей различных стран.

Чего же достигла космическая наука в XX веке? Для сообщения ракетам-носителям космических скоростей разработаны мощные жидкостные ракетные двигатели. В этой области особенно велика заслуга В.П. Глушко. Создание таких двигателей стало возможным благодаря реализации новых научных идей и схем, практически исключающих потери на привод турбонасосных агрегатов. Разработка ракет-носителей и жидкостных ракетных двигателей способствовала развитию термо-, гидро- и газодинамики, теории теплопередачи и прочности, металлургии высокопрочных и жаростойких материалов, химии топлив, измерительной техники, вакуумной и плазменной технологии. Дальнейшее развитие получили твердотопливные и другие типы ракетных двигателей.

В начале 1950-х гг. советские ученые М.В. Келдыш, В.А. Котельников, А.Ю. Ишлинский, Л.И. Седов, Б.В. Раушенбах и др. разработали математические закономерности и навигационно-баллистическое обеспечение космических полетов.

Задачи, которые возникали при подготовке и реализации космических полетов, послужили толчком для интенсивного развития и таких общенаучных дисциплин, как небесная и теоретическая механика. Широкое использование новых математических методов и создание совершенных вычислительных машин позволило решать самые сложные задачи проектирования орбит космических аппаратов и управления ими в процессе полета, и в результате возникла новая научная дисциплина - динамика космического полета.

Конструкторские бюро, возглавлявшиеся Н.А. Пилюгиным и В.И. Кузнецовым, создали уникальные системы управления ракетно-космической техникой,обладающие высокой надежностью.

В это же время В.П. Глушко, A.M. Исаев создали передовую в мире школу практического ракетного двигателестроения. А теоретические основы этой школы были заложены еще в 1930-е гг.,на заре отечественного ракетостроения. И сейчас передовые позиции России в этой области сохраняются.

Благодаря напряженному творческому труду конструкторских бюро под руководством В.М. Мясищева, В.Н. Челомея, Д.А. Полухина были выполнены работы по созданию крупногабаритных особо прочных оболочек. Это стало основой создания мощных межконтинентальных ракет УР-200, УР-500, УР-700,а затем и пилотируемых станций "Салют", "Алмаз", "Мир", моду лей двадцатитонно-го класса "Квант", "Кристалл", "Природа", "Спектр", современных модулей для Международной космической станции (МКС) "Заря" и "Звезда", ракет-носителей семейства "Протон". Творческое со-трудничество конструкторов этих конструкторских бюро и машиностроительного завода им. М.В. Хруничева позволило к началу XXI века создать семейство носителей "Ангара", комплекс малых космических аппаратов и изготовить модули МКС. Объединение КБ и завода и реструктуризация этих подразделений дали возможность создать крупнейшую в России корпорацию - Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева.

Большая работа по созданию ракет-носителей на базе баллистических ракет была выполнена в КБ "Южное", возглавлявшимся М.К. Янгелем. Надежность этих ракет-носителей легкого класса не знает аналогов в мировой космонавтике. В этом же КБ под руководством В.Ф. Уткина была создана ракета-носитель среднего класса "Зенит" - представитель второго поколения ракет-носителей.

За четыре десятилетия существенно возросли возможности сис-тем управления ракет-носителей и космических аппаратов. Если в 1957-1958 гг. при выведении искусственных спутников на орбиту вокруг Земли доспускалась ошибка в несколько десятков километров, то к середине 1960-х гг. точность систем управления была уже столь высока, что позволила космическому аппарату, запущенному на Луну, совершить посадку на ее поверхности с отклонением от намеченной точки всего на 5 км. Системы управления конструкции Н.А. Пилюгина были одними из лучших в мире.

Большие достижения космонавтики в области космической связи, телевещания, ретрансляции и навигации, переход к высокоскоростным линиям позволили уже в 1965 г. передать на Землю фотографии планеты Марс с расстояния, превышающего 200 млн км, а в 1980 г. изображение Сатурна было передано на Землю с расстояния около 1,5 млрд км. Научно-производственное объединение прикладной механики, многие годы возглавлявшееся М.Ф. Решетневым, первоначально было создано как филиал ОКБ С.П. Королева; это НПО - один из мировых лидеров по разработке космических аппаратов такого назначения.

Создаются спутниковые системы связи, охватывающие практически все страны мира и обеспечивающие двустороннюю оперативную связь с любыми абонентами. Этот вид связи оказался самым надежным и становится все более выгодным. Системы ретрансляции позволяют осуществлять управление космическими группировками с одного пункта на Земле. Созданы и эксплуатируются спутниковые навигационные системы. Без этих систем уже не мыслится сегодня использование современных транспортных средств - торговых судов, самолетов гражданской авиации, военной техники и др.

Произошли качественные изменения и в области пилотируемых полетов. Способность успешно работать вне космического корабля впервые была доказана советскими космонавтами в 1960-1970-х гг., а в 1980-1990-х гг. была продемонстрирована способность человека жить и работать в условиях невесомости в течение года. Во время полетов было проведено также большое число экспериментов - технических, геофизических и астрономических.

Важнейшими являются исследования в области космической медицины и систем жизнеобеспечения. Необходимо глубоко изучить человека и средства жизнеобеспечения тем чтобы определить, что можно поручить человеку в космосе, особенно при продолжительном космическом полете.

Одним из первых космических экспериментов было фотографирование Земли, показавшее, как много могут дать наблюдения из космоса для открытия и разумного использования природных ресурсов. Задачи по разработке комплексов фото- и оптикоэлектронного зондирования земли, картографирования, исследования природных ресурсов, экологического мониторинга, а также по созданию ракет-носителей среднего класса на базе ракет Р-7А выполняет бывший филиал № 3 ОКБ, преобразованный сначала в ЦСКБ, а сегодня в ГРНПЦ "ЦСКБ - Прогресс" во главе с Д.И. Козловым.

В 1967 г. в ходе автоматической стыковки двух беспилотных искусственных спутников Земли "Космос-186" и "Космос-188" была решена крупнейшая научно-техническая проблема встречи и стыковки КА в космосе, позволившая в сравнительно короткие сроки создать первую орбитальную станцию (СССР) и выбрать наиболее рациональную схему полета космических кораблей к Луне с высадкой землян на ее поверхность (США). В 1981 г. был совершен первый полет многоразовой транспортной космической системы "Спейс Шаттл" (США), а в 1991 г. стартовала отечественная система "Энергия" - "Буран".

В целом решение разнообразных задач исследования космоса - от запусков искусственных спутников Земли до запусков межпланетных космических аппаратов и пилотируемых кораблей и станций - дало много бесценной научной информации о Вселенной и планетах Солнечной системы и значительно способствовало техническому прогрессу человечества. Спутники Земли совместно с зонди-рующими ракетами позволили получить детальные данные об околоземном космическом пространстве. Так, при помощи первых искусственных спутников были обнаружены радиационные пояса, в ходе их исследования было глубже изучено взаимодействие Земли с заряженными частицами, испускаемыми Солнцем. Межпланетные космические полеты помогли нам глубже понять природу многих планетарных явлений - солнечного ветра, солнечных бурь, метеоритных дождей и др.

Космические аппараты, запущенные к Луне, передали снимки ее поверхности, сфотографировал и в том числе и ее невидимую с Земли сторону с разрешающей способностью, значительно превосходящей возможности земных средств. Были взяты пробы лунного грун-та, а также доставлены на лунную поверхность автоматические самоходные аппараты "Луноход-1" и "Луноход-2".

Автоматические космические аппараты дали возможность получить дополнительную информацию о форме и гравитационном поле Земли, уточнить тонкие детали формы Земли и ее магнитного поля. Искусственные спутники помогли получить более точные данные о массе, форме и орбите Луны. Массы Венеры и Марса также были уточнены с помощью наблюдений траекторий полетов космических аппаратов.

Большой вклад в развитие передовой техники внесли проектирование, изготовление и эксплуатация очень сложных космических систем. Автоматические космические аппараты, посылаемые к планетам, являются, по сути дела, роботами, управляемыми с Земли посредством радиокоманд. Необходимость разработки надежных систем для решения задач такого рода привела к более совершенному пониманию проблемы анализа и синтеза различных сложных технических систем. Такие системы находят применение как в космических исследованиях, так и во многих других областях человеческой деятельности. Требования космонавтики обусловили необходимость конструирования комплексных автоматических устройств при жестких ограничениях, вызванных грузоподъемностью ракет-носителей и условиями космического пространства, что явилось дополнительным стимулом для быстрого совершенствования автома-тики и микроэлектроники.

В выполнение этих программ большой вклад внесли КБ, руководимые Г.Н. Бабакиным, Г.Я. Гуськовым, В.М. Ковтуненко, Д.И. Козловым, Н.Н. Шереметьевским и др. Космонавтика вызвала к жизни новое направление в технике и строительстве - космодромостроение. Родоначальниками этого направления у нас в стране стали коллективы под руководством круп-ных ученых В.П. Бармина и В.Н. Соловьева. В настоящее время в мире функционирует более десятка космодромов с уникальными наземными автоматизированными комплексами, испытательными станциями и другими сложными средствами подготовки космических аппаратов и ракетносителей к пуску. Россия интенсивно осуществляет запуски с известных всему миру космодромов Байконур и Плесецк, а также проводит экспериментальные пуски с создаваемого на востоке страны космодрома Свободный.

Современные потребности в связи и дистанционном управлении на больших расстояниях привели к развитию высококачественных систем управления и контроля, которые способствовали развитию технических методов слежения за космическими аппаратами и измерения параметров их движения на межпланетных расстояниях, открыв новые области применения спутников. В современной космонавтике это одно из приоритетных направлений. Наземный авто-матизированный комплекс управления, разработанный М.С. Рязанским и Л.И. Гусевым, и сегодня обеспечивает функционирование орбитальной группировки России.

Развитие работ в области космической техники привело к созданию систем космического метеообеспечения, которые с требуемой периодичностью получают снимки облачного покрова Земли и ведут наблюдения в различных диапазонах спектра. Данные метеоспутников являются основой для составления оперативных прогнозов погоды, в первую очередь по большим регионам. В настоящее время практически все страны мира используют космические метеоданные.

Результаты, получаемые в области спутниковой геодезии, особен-но важны для решения военных задач, картирования природных ресурсов, повышения точности траекторных измерений, а также для изучения Земли. С использованием космических средств появляется уникальная возможность решения задач экологического мониторинга Земли и глобального контроля природных ресурсов. Результаты космических съемок оказались эффективным средством наблюдения за развитием посевов сельскохозяйственных культур, выявления заболеваний растительности, измерения некоторых почвенных факторов, состояния водной среды и т.д. Совокупность различных методов космической съемки обеспечивает практически достоверную, полную и детальную информацию о природных ресурсах и состоянии окружающей среды.

Помимо уже определившихся направлений, очевидно, будут развиваться и новые направления использования космической техники, например организация технологических производств, невозможных в земных условиях. Так, невесомость можно использовать для получения кристаллов полупроводниковых соединений. Такие кристаллы найдут применение в электронной промышленности для создания нового класса полупроводниковых приборов. В условиях не-весомости свободно парящий жидкий металл и другие материалы легко деформировать слабыми магнитными полями. Это открывает путь для получения слитков любой наперед заданной формы без их кристаллизации в изложницах, как это делается на Земле. Особенность таких слитков - почти полное отсутствие внутренних напряжений и высокая чистота.

Использование космических средств играет определяющую роль в создании единого информационного пространства России, обеспечении глобальности телекоммуникаций, особенно в период массового внедрения в стране сети Internet. Будущее в развитии Internet - это широкое использование высокоскоростных широкополосных космических каналов связи, ибо в XXI веке обладание и обмен информацией станет не менее важным, чем владение ядерным оружием.

Наша пилотируемая космонавтика нацелена на дальнейшее развитие науки, рациональное использование природных ресурсов Земли, решение задач экологического мониторинга суши и океана. Для этого необходимо создание пилотируемых средств как для полетов на околоземных орбитах, так и для осуществления вековой мечты человечества - полетов к другим планетам.

Возможность осуществления таких замыслов неразрывно связана с решением задач по созданию новых двигателей для полетов в космическом пространстве не требующих значительных запасов топлива, например ионных, фотонных, а также использующих природные силы - силу гравитации,торсионные поля и др.

Создание новых уникальных образцов ракетно-космической техники, а также методов космических исследований, проведение космических экспериментов на автоматических и пилотируемых кораблях и станциях в околоземном космосе, а также на орбитах планет Солнечной системы - благодатная почва объединения усилий ученых и конструкторов разных стран.

В начале XXI века в космическом полете находятся десятки тысяч объектов искусственного происхождения. В их число входят космические аппараты и фрагменты (последние ступени ракет-носителей, обтекатели, переходники и отделяющиеся детали).

Поэтому наряду с остро стоящей проблемой борьбы с загрязнени-ем нашей планеты встанет вопрос борьбы с засорением околоземного космического пространства. Уже в настоящее время одной из проблем является распределение частотного ресурса геостационарной орбиты вследствие ее насыщения К А различного назначения.

Задачи по освоению космического пространства решали и решают в СССР и России ряд организаций и предприятий, возглавляемых плеядой наследников первого Совета главных конструкторов Ю.П. Семеновым, Н.А. Анфимовым, И.В. Барминым, Г.П. Бирюковым, Б.И. Губановым, Г.А. Ефремовым, А.Г. Козловым, Б.И. Каторгиным, Г.Е. Лозино-Лозинским и др.

Вместе с проведением опытно-конструкторских работ развивалось в СССР и серийное производство космической техники. Для создания комплекса "Энергия" - "Буран" в кооперацию по этой работе входило более 1000 предприятий. Директора заводов-изготовителей С.С. Бовкун, А.И. Киселев, И.И. Клебанов, Л.Д. Кучма, А.А. Макаров, В.Д. Вачнадзе, А.А. Чижов и многие другие в короткие сроки отлаживали производство и обеспечивали выпуск продукции. Особо необходимо отметить роль ряда руководителей космической отрасли. Это Д.Ф. Устинов, К.Н. Руднев, В.М. Рябиков, Л.В. Смирнов, С.А. Афанасьев, О.Д. Бакланов, В.Х. Догужиев, О.Н. Шишкин, Ю.Н. Коптев, А.Г. Карась, А.А. Максимов, В.Л. Иванов.

Успешным запуском в 1962 г. "Космоса-4" началось использование космоса в интересах обороны нашей страны. Эта задача решалась сначала НИИ-4 МО, а затем из его состава был выделен ЦНИИ-50 МО. Здесь обосновывалось создание космических систем военного и двойного назначения, в развитие которых определяющий вклад внесли известные военные ученые Т.И. Левин, Г.П. Мельников, И.В. Мещеряков, Ю.А. Мозжорин, П.Е. Эльясберг, И.И. Яцунский и др.

Общепризнано, что применение космических средств позволяет в 1,5-2 раза повысить эффективность действий вооруженных сил. Особенности ведения войн и вооруженных конфликтов кон-ца XX века показали,что роль космоса при решении задач воен-ного противостояния постоянно возрастает. Только космические средства разведки, навигации, связи обеспечивают возможность видения противника на всю глубину его обороны, глобальную связь, высокоточное оперативное определение координат любых объектов,что позволяет вести боевые действия практически "с ходу" на необорудованных в военном отношении территориях и удаленных театрах военных действий. Только использование космических средств позволит обеспечить защиту территорий от ракетно-ядерного нападения любого агрессора. Космос становится основой военного могущества каждого государства - это яркая тенденция нового тысячелетия.

В этих условиях необходимы новые подходы к разработке перспективных образцов ракетно-космической техники, коренным образом отличающихся от существующего поколения космических средств. Так, нынешнее поколение орбитальных средств - это в основном специализированное применение на базе герметичных конструкций, с привязкой к конкретным типам средств выведения. В новом тысячелетии необходимо создание многофункциональных космических аппаратов на базе негерметичных платформ модульной конструкции, разработка унифицированного ряда средств выведения с малозатратной высокоэффективной системой их эксплуатации. Только в этом случае, опираясь на созданный в ракетно-космической отрасли потенциал, Россия в XXI веке сможет значительно ускорить процесс развития своей экономики, обеспечить качественно новый уровень научных исследований, международного сотрудничества, решения социально-экономических проблем и задач укрепления обороноспособности страны, что в конечном счете укрепит ее позиции в мировом сообществе.

Решающую роль в создании российской ракетно-космической науки и техники играли и играют ведущие предприятия ракетно-космической отрасли: ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, РКК "Энергия", ЦСКБ, КБОМ, КБТМ и др. Руководство этой работой осуществляется Росавиакосмосом.

В настоящее время российская космонавтика переживает не лучшие дни. Резко снижено финансирование космических программ, ряд предприятий находятся в крайне тяжелом положении. Но российская космическая наука не стоит на месте. Даже в этих сложных условиях российские ученые проектируют космические системы XXI века.

За рубежом начало освоения космического пространства было положено запуском 1 февраля 1958 г. американского КА "Эксплорер-1". Возглавлял американскую космическую программу Вернер фон Браун, являвшийся до 1945 г. одним из ведущих специалистов в области ракетной техники в Германии, а затем работавший в США. Он создал на базе баллистической ракеты "Редстоун" ракету-носитель "Юпитер-С", с помощью которой и был запущен "Эксплорер-1".

20 февраля 1962 г. ракетой-носителем "Атлас", разработанной под руководством К. Боссарта, на орбиту был выведен космический корабль "Меркурий", пилотируемый первым астронавтом США Дж. Тленном. Однако все эти достижения не были полноценными, так как повторяли шаги, уже пройденные советской космонавтикой. Исходя из этого правительство США предприняло усилия, направленные на завоевание лидирующего положения в космической гонке. И в отдельных областях космической деятельности, на отдельных участках космического марафона им это удалось.

Так, США первыми в 1964 г. вывели КА на геостационарную орбиту. Но наибольшим успехом явилась доставка американских астронавтов к Луне на космическом корабле "Аполлон-11" и выход первых людей - Н. Армстронга и Э. Олдрина - на ее поверхность. Это достижение стало возможным благодаря разработке под руководством фон Брауна ракет-носителей типа "Сатурн", созданных в 1964-1967 гг. по программе "Аполлон".

РН "Сатурн" представляли собой семейство двух- и трехступенчатых носителей тяжелого и сверхтяжелого класса, базирующихся на использовании унифицированных блоков. Двухступенчатый вариант "Сатурн-1" позволял выводить на низкую околоземную орбиту полезную нагрузку массой 10,2 т, а трехступенчатый "Сатурн-5" - 139 т (47 т на траекторию полета к Луне).

Крупным достижением в развитии американской космической техники стало создание многоразовой космической системы "Спейс Шаттл" с орбитальной ступенью, обладающей аэродинамическим качеством, первый запуск которой состоялся в апреле 1981 г. И, несмотря на то что все возможности, обеспечиваемые многоразовостью, так и не были полностью использованы, безусловно, это был крупный (хотя и очень дорогостоящий) шаг вперед на пути освоения космоса.

Первые успехи СССР и США побудили некоторые страны к активизации своих усилий в космической деятельности. Американскими носителями были запущены первый английский КА "Ариэль-1" (1962 г.), первый канадский КА "Алуэт-1" (1962 г.), первый итальянский КА "Сан-Марко" (1964 г.). Однако запуски КА чужими носителями ставили страны - владельцы КА в зависимость от США. Поэтому начались работы по созданию собственных носителей. Наибольших успехов на этом поприще достигла Франция, уже в 1965 г. запустившая КА "А-1" собственным носителем "Диаман-А". В дальнейшем, развивая этот успех, Франция разработала семейство носителей "Ариан", являющееся одним из самых рентабельных.

Несомненным успехом мировой космонавтики было осуществление программы ЭПАС, заключительный этап которой - запуск и стыковка на орбите космических кораблей "Союз" и "Аполлон" - был осуществлен в июле 1975 г. Этот полет ознаменовал собой начало международных программ, которые успешно развивались в последнюю четверть XX века и несомненным успехом которых явились изготовление, запуск и сборка на орбите Международной космической станции. Особое значение приобрела международная кооперация в сфере космических услуг, где лидирующее место принадлежит ГКНПЦ им. М.В. Хруничева.

В этой книге авторы на основе своего многолетнего опыта работы в области проектирования и практического создания ракетно-космических систем, анализа и обобщения известных им разработок по космонавтике в России и за рубежом изложили свою точку зрения на развитие космонавтики в XXI веке. Ближайшее будущее определит, правы мы были или нет. Хотелось бы выразить благодарность за ценные советы по содержанию книги академикам РАН Н.А. Анфимову и А.А. Галееву, докторам технических наук Г.М. Тамковичу и В.В. Остроухову.

Авторы благодарят за помощь по сбору материалов и обсуждению рукописи книги доктора технических наук, профессора Б.Н. Родионова, кандидатов технических наук А.Ф. Акимова, Н.В. Васильева, И.Н. Голованева, С.Б. Кабанова, В.Т. Коновалова, М.И. Макарова, A.M. Максимова, Л.С. Медушевского, Е.Г. Трофимова, И.Л. Черкасова, кандидата военных наук С.В. Павлова, ведущих специалистов НИИ КС А.А. Качекана, Ю.Г. Пичурина, В.Л. Светличного, а также Ю.А. Пешнина и Н.Г. Макарову за техническую помощь в подготовке книги. Авторы выражают глубокую признательность за ценные советы по содержанию рукописи кандидатам технических наук Е.И. Моторному, В.Ф. Нагавкину, O.K. Роскину, С.В. Сорокину, С.К. Шаевичу, В.Ю. Юрьеву и директору программы И.А. Глазковой.

Авторы с благодарностью воспримут все замечания, предложения и критические статьи, которые, мы полагаем, последуют после издания книги и еще раз подтвердят, что проблемы космонавтики действительно актуальны и требуют пристального внимания ученых и практиков, а также всех тех, кто живет будущим.

История развития космонавтики

Чтобы оценить вклад того или иного человека в развитие какой-то области знаний, надо проследить историю развития этой области и попытаться усмотреть прямое или косвенное влияние идей и трудов этого человека на процесс достижения новых знаний и новых успехов. Рассмотрим историю развития ракетной техники и вытекающей из нее истории ракетно-космической техники.

Зарождение ракетной техники

Если говорить про саму идею реактивного движения и первую ракету, то эта идея, и ее воплощение родились в Китае примерно во 2 веке н.э. Движущей силой ракеты был порох. Китайцы сначала использовали это изобретение для развлечений - китайцы до сих пор являются лидерами в производстве фейерверков. А затем поставили эту идею на вооружение, в прямом смысле слова: такой "фейерверк" привязанный к стреле увеличивал дальность ее полета примерно на 100 метров (что было одной третью от всей длины полета), а при попадании цель зажигалась. Было и более грозное оружие на том же принципе - "копья яростного огня".

В таком примитивном виде реактивные ракеты просуществовали до 19 века. Только в конце 19-го века стали предприниматься попытки математически объяснить реактивное движение и создать серьезное вооружение. В России одним из первых этим вопросом занялся Николай Иванович Тихомиров в 1894 году 32 . Тихомиров предлагал использовать в качестве движущей силы реакцию газов, получающихся при сгорании взрывчатых веществ либо легко воспламеняющихся жидких горючих в сочетании с эжектируемой окружающей средой. Тихомиров стал заниматься этими вопросами позже Циолковского, но в смысле реализации продвинулся намного дальше, т.к. он мыслил более приземлено. В 1912 году он представил морскому министерству проект реактивного снаряда. В 1915 подал прошение о выдаче привилегии на новый тип "самодвижущихся мин" для воды и воздуха. Изобретение Тихомирова получило положительную оценку экспертной комиссии под председательством Н. Е. Жуковского. В 1921 по предложению Тихомирова в Москве была создана лаборатория для разработки его изобретений, получившая впоследствии (после перевода в Ленинград) наименование Газодинамической лаборатории (ГДЛ). Вскоре после основания деятельность ГДЛ сосредоточилась на создании ракетных снарядов на бездымном порохе.

Параллельно с Тихомировым над ракетами на твердом топливе трудился бывший полковник царской армии Иван Граве 33 . В 1926 году он получил патент на ракету, которая в качестве топлива использовала особый состав дымного пороха. Он стал пробивать свою идею, писал даже в ЦК ВКП(б), но эти хлопоты завершились вполне типично для того времени: полковник царской армии Граве был арестован и осужден. Но И.Граве еще сыграет свою роль в развитии ракетной техники в СССР, и примет участие в разработке ракет для знаменитой "Катюши".

В 1928 году была запущена ракета, топливом для нее служил порох Тихомирова. В 1930 году на имя Тихомирова выдан патент на рецептуру такого пороха и технологию изготовления шашек из него.

Американский гений

За рубежом проблемой реактивного движения одним из первых занялся американский ученый Роберт Хитчингс Годдард 34 . Годдард в 1907 году пишет статью "О возможности перемещения в межпланетном пространстве", которая по духу очень близка работе Циолковского "Исследование мировых пространств реактивными приборами", правда Годдард пока ограничивается только качественными оценками и никаких формул не выводит. Годдарду тогда было 25 лет. В 1914 году Годдард получает патенты США на конструкцию составной ракеты с коническими соплами и ракеты с непрерывным горением в двух вариантах: с последовательной подачей в камеру сгорания пороховых зарядов и с насосной подачей двухкомпонентного жидкого топлива. С 1917 года Годдард ведет конструкторские разработки в области твёрдотопливных ракет различного типа, в том числе, многозарядной ракеты импульсного горения. С 1921 Годдард переходит к экспериментам с жидкостными ракетными двигателями (окислитель - жидкий кислород, горючее - различные углеводороды). Именно эти ракеты на жидком топливе стали первыми прародителями космических ракет-носителей. В своих теоретических работах он не раз отмечал преимущества жидкостных ракетных двигателей. 16 марта 1926 года Годдард проводит успешный запуск простейшей ракеты с вытеснительной подачей (топливо - бензин, окислитель - жидкий кислород). Стартовый вес - 4.2 кг, достигнутая высота - 12.5 м, дальность полёта - 56 м. Годдарду принадлежит первенство в запуске ракеты на жидком топливе.

Роберт Годдард был человеком трудного, сложного характера. Он предпочитал работать скрытно, в узком кругу доверенных людей, слепо ему подчинявшихся. По словам одного из его американских коллег, "Годдард считал ракеты своим частным заповедником, и тех, кто так же работал над этим вопросом, рассматривал как браконьеров… Такое его отношение привело к тому, что он отказался от научной традиции сообщать о своих результатах через научные журналы... " 35 . Можно добавить: и не только через научные журналы. Весьма характерен ответ Годдарда от 16 августа 1924 года советским энтузиастам исследования проблемы межпланетных полетов, которые искренне желали, установить научные связи с американскими коллегами. Ответ совсем короткий, но в нем весь характер Годдарда:

"Университет Кларка, Уорчестер, Массачузетс, отделение физики. Господину Лейтейзену, секретарю общества по исследованию межпланетных связей. Москва, Россия.

Уважаемый сэр! Я рад узнать, что в России создано общество по исследованию межпланетных связей, и я буду рад сотрудничать в этой работе в. пределах возможного. Однако печатный материал, касающийся проводимой сейчас работы или экспериментальных полетов, отсутствует. Благодарю за ознакомление меня с материалами. Искренне ваш, директор физической лаборатории Р.Х. Годдард " 36 .

Интересным выглядит отношение Циолковского к сотрудничеству с зарубежными учеными. Приведем отрывок из его письма к советской молодежи, опубликованного в "Комсомольской правде" в 1934 г.:

"В 1932 году крупнейшее капиталистическое Общество металлических дирижаблей прислало мне письмо. Просили дать подробные сведения о моих металлических дирижаблях. Я не ответил на заданные вопросы. Я считаю свои знания достоянием СССР " 37 .

Таким образом, можно сделать вывод, что ни с той, ни с другой стороны не было никакого желания сотрудничать. Ученые очень ревностно относились к своей работе.

Споры о приоритете

Теоретики и практики ракетной техники в то время были совершенно разобщены. Это были те самые "... не связанные друг с другом исследования и опыты многих отдельных ученых, атакующих неизвестную область вразброд, подобно орде кочевых всадников", о которых, применительно, правда, к электричеству, писал Ф. Энгельс в "Диалектике природы". Роберт Годдард очень долгое время ничего не знал о трудах Циолковского, равно как и Герман Оберт, работавший с жидкостными ракетными двигателями и ракетами в Германии. Столь же одинок был во Франции один из пионеров космонавтики, инженер и летчик Робер Эсно-Пельтри, будущий автор двухтомного труда «Астронавтика».

Разделенные пространствами и границами, не скоро узнают они друг о друге. 24 октября 1929 года Оберт раздобудет, наверное, единственную во всем городке Медиаше пишущую машинку с русским шрифтом и отправит в Калугу письмо Циолковскому. "Я, разумеется, самый последний, кто стал бы оспаривать Ваше первенство и Ваши заслуги по делу ракет, и я только сожалею, что не раньше 1925 г. услышал о Вас. Я был бы, наверное, в моих собственных работах сегодня гораздо дальше и обошелся бы без тех многих напрасных трудов, зная ваши превосходные работы ",- открыто и честно писал Оберт. А ведь нелегко написать так, когда тебе 35 лет и ты всегда считал себя первым. 38

В фундаментальном докладе, посвященном космонавтике, француз Эсно-Пельтри ни разу не упомянул Циолковского. Популяризатор науки писатель Я.И. Перельман, прочитав работу Эсно-Пельтри, написал Циолковскому в Калугу: "Есть ссылка на Лоренца, Годдарда, Оберта, Гомана, Валье,- но ссылок на вас я не заметил. Похоже, что автор с Вашими трудами не знаком. Обидно! " Через некоторое время газета «Юманите» довольно категорически напишет: "Циолковского по справедливости следует признать отцом научной астронавтики ". Получается как-то неловко. Эсно-Пельтри пытается все объяснить: "...я предпринял все усилия для того, чтобы получить их (работы Циолковского.- Я.Г.). Для меня оказалось невозможным получить хотя бы маленький документ до моих докладов 1912 года ". Улавливается некоторое раздражение, когда он пишет, что в 1928 году получил "от профессора С. И. Чижевского заявление с требованием подтвердить приоритет Циолковского". "Мне думается, я полностью удовлетворил его ",- пишет Эсно-Пельтри. 39

Американец Годдард за всю жизнь ни в одной из своих книг, ни в статьях никогда не называл Циолковского, хотя получал его калужские книги. Впрочем, этот трудный человек вообще редко ссылался на чужие работы.

Нацистский гений

23 марта 1912 года в Германии родился Вернер фон Браун - будущий создатель ракеты ФАУ-2. Его ракетная карьера началась с чтения научно-популярной литературы и наблюдения за небом. Позже он вспоминал: "Это была цель, которой можно было посвятить всю жизнь! Не только наблюдать планеты в телескоп, но и самому прорваться во Вселенную, исследовать таинственные миры " 40 . Серьезный не по годам мальчик зачитывался книгой Оберта о полетах в космос, несколько раз смотрел фильм Фрица Ланга "Девушка на Луне", а в 15 лет вступил в общество космических путешествий, где познакомился с настоящими специалистами-ракетчиками.

Семья Браунов была помешана на войне. Среди мужчин дома фон Браунов только и шли разговоры, что об оружии и войне. Эта семья, по-видимому, была не лишена того комплекса, который был присущ многим немцам после поражения в Первой Мировой войне. В 1933 году в Германии к власти пришли нацисты. Барон и истинный ариец Вернер фон Браун со своими идеями реактивных ракет пришелся ко двору новому руководству страны. Он вступил в СС, и стал быстро подниматься по карьерной лестнице. На его исследования власти выделяли огромные деньги. Страна готовилась к войне, и фюреру было очень нужно новое оружие. О полетах в космос Вернеру фон Брауну приходится забыть на долгие годы. 41

В конце 1934 года фон Браун и Ридель запустили с острова Боркум две ракеты A-2, прозванные "Макс и Мориц" по имени популярных комиков. Ракеты взлетели на полторы мили - это был успех! В 1936 году на остове Узедом в Балтийском море, недалеко от родовых владений фон Браунов, началось строительство сверхсовременной военной базы Пенемюнде. В конце 1937 года в Пенемюнде ракетчикам удалось создать 15-метровую ракету А-4, которая могла перенести тонну взрывчатки на 200 километров. Это была первая в истории современная боевая ракета. Ее прозвали "Фау" - от первой буквы немецкого слова Vergeltungswaffee (что переводится как "оружие возмездия"). Летом 1943 года на побережье Франции выстроили бетонные бункеры для запуска ракет. Гитлер требовал к концу года засыпать ими Лондон. Карты спутала работа английской разведки. Фон Браун был мастером маскировки, и долгое время самолеты союзников просто не залетали в прибалтийские дюны. Однако в июле 1943 году польские партизаны сумели достать и переправить в Лондон чертежи "Фау" и план ракетной базы. Через неделю в Пенемюнде прилетели 600 английских "летающих крепостей". В огненной буре погибли 735 человек и все готовые ракеты. Производство ракет было перенесено в известковые горы Гарца, где в подземном лагере Дора работали тысячи заключенных. Через год в 1944 году союзники высадились во Франции и захватили площадки запуска "Фау". Пришло время фон Брауна, ведь его ракеты летели дальше и вполне могли запускаться с территории Голландии или даже самой Германии. Еще в ноябре 1943 года "Фау-2" испробовали на польских селах, из которых для конспирации не выселили жителей. Ракеты не попали в цель, но немцы утешали себя тем, что в такую большую цель, как Лондон, попасть легче. И попадали - с сентября 1944 по март 1945-го по Лондону и Антверпену выпустили 4300 ракет "Фау-2", которые убили 13029 человек. 42

Но было уже поздно. Это была агония нацистской власти. В январе 1945 года к Пенемюнде подступили советские войска. 4 апреля охранники покинули Дору, расстреляв перед этим 30 тысяч узников. Фон Браун укрылся на альпийском лыжном курорте, где 10 мая 1945 года появились американцы. Его, штурмбанфюрера СС, запросто могли расстрелять или взять под арест. Даже его будущий начальник генерал Медарис, штурмовавший в рядах союзников Берлин, позднее признался, что, попадись ему Браун в 1945-м, он бы не задумываясь его повесил. Но Браун попал в руки совсем других людей - специальных агентов американской миссии "Paper-Clip" ("скрепка"), занимавшейся поиском немецких ракетчиков. "Ракетного барона" со всеми почестями переправили за океан как особо ценный груз. 43

Под руководством барона фон Бауна американские инженеры колдовали над вывезенными из Германии "Фау-2". Уже в 1945 году компания "Конвейер" изготовила ракету МХ-774, где вместо одного мотора "Фау" было установлено четыре. В 1951-м лаборатория фон Брауна разработала баллистические ракеты "Редстоун" и "Атлас", которые могли нести ядерные заряды. В 1955 году Вернер фон Браун становится гражданином США, о нем стало разрешено писать в прессе.

4 октября 1957 года в небо взмыл первый советский спутник, что сильно подорвало престиж американцев. Американский "Эксплорер" был запущен лишь 119 дней спустя, а советские лидеры уже намекали на скорый полет человека в космос. Так началась космическая гонка. Запуск ракет в США перешел из единоличного ведения Пентагона в руки государственного агентства НАСА. При нем был создан космический центр имени Джона Маршалла в Хантсвилле под научным руководством Вернера фон Брауна. Теперь у Брауна было еще больше денег и людей, чем в Пенемюнде, и он смог наконец осуществить давнюю мечту о космических полетах.

Первую ракету-носитель "Атлас" в последствии сменила более мощная "Титан", а потом и "Сатурн". Именно последняя 16 июля 1969 года доставила на Луну "Аполлон-11", и весь мир, затаив дыхание, наблюдал первые шаги Нейла Армстронга и американский флаг на Луне. Программу "Аполлон", как и предыдущие космические полеты, разрабатывал Вернер фон Браун. Вершины своей карьеры Браун достиг в 1972 году - он стал заместителем директора НАСА и начальником космодрома на мысе Канаверал. Нацистский гений Вернер фон Браун прожил 65 лет полной, богатой, и в смысле денег и в смысле впечатлений, счастливой жизни. Он был счастлив и в работе и в личной жизни.

Советский гений

Вернемся опять в прошлое, в СССР. 12 января 1907 года в г. Житомире в семье учителя русской словесности П.Я. Королева рождается сын - Сергей Павлович Королев 44 . Королев с детства стал увлекаться самолетами и аэропланами. Однако его особенно увлекали полеты в стратосфере и принципы реактивного движения. В сентябре 1931 г. С.П. Королев в возрасте 24 лет, и талантливый энтузиаст в области ракетных двигателей Ф.А.Цандер, которому тогда было уже 44 года, добиваются создания в Москве с помощью Осоавиахима - Группы изучения реактивного движения (ГИРД): В апреле 1932 г. она становится по существу государственной научно-конструкторской лабораторией по разработке ракетных летательных аппаратов, в которой создаются и запускаются первые отечественные жидкостные баллистические ракеты (БР) ГИРД-09 и ГИРД-10.

В 1933 г. на базе московской ГИРД и ленинградской Газодинамической лаборатории (ГДЛ) основывается Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ) под руководством И.Т. Клейменова. С.П. Королев назначается его заместителем. Работы в институте велись по двум направлениям. Реактивные снаряды разрабатывались отделом, которым руководил Г. Лангемак. В состав этого отдела и вошли И. Граве и сотрудники Тихомирова. Именно этим людям и этому отделу Красная армия должна быть благодарна за создание знаменитой "Катюши" 45 . Второй отдел РНИИ разрабатывал дальнобойные ракеты на жидком топливе. В нем работали Сергей Королев и Валентин Глушко. Однако расхождения во взглядах с руководителями ГДЛ на перспективы развития ракетной техники заставляют С.П. Королева перейти на творческую инженерную работу, и ему как начальнику отдела ракетных летательных аппаратов в 1936 г. удалось довести до испытаний крылатые ракеты: зенитную - 217 с пороховым ракетным двигателем и дальнобойную-212 с жидкостным ракетным двигателем. 46

В конце тридцатых годов государственная репрессивная машина не обошла стороной молодого конструктора. По ложному обвинению С. П. Королев был арестован, и 27 сентября 1938 г. осужден на 10 лет заключения в исправительно-трудовых лагерях строгого режима и отправлен на Колыму

В 1939 новое руководство НКВД решило организовать конструкторские бюро, в которых должны были трудиться заключенные специалисты. В одно из таких бюро, возглавляемое А.Н. Туполевым, тоже заключенным, и был направлен Королев. Этот коллектив занимался проектированием и созданием пикирующего бомбардировщика Ту-2. Вскоре после начала войны Особое техническое бюро Туполева эвакуировали в Омск. В Омске Королев узнал, что в Казани аналогичное бюро занимается ракетными ускорителями для бомбардировщика Пе-2 под руководством бывшего сотрудника НИИ-3 Глушко. Королев добился перевода в Казань, где стал заместителем Глушко. В эти же годы он начал самостоятельно разрабатывать проект нового аппарата - ракеты для полетов в стратосферу. 27 июля 1944 по указу Президиума Верховного Совета СССР Королев и ряд других сотрудников режимного КБ были досрочно освобождены со снятием судимости.

После окончания войны во второй половине 1945 года Королев в числе других специалистов был командирован в Германию для изучения немецкой техники. Особый интерес для него представляла немецкая ракета V-2 (Фау-2), обладавшая дальностью полета около 300 км при стартовой массе около 13 т.

13 мая 1946 г. было принято решение о создании в СССР отрасли по разработке и производству ракетного вооружения с жидкостными ракетными двигателями. В соответствии с этим же постановлением предусматривалось объединение всех групп советских инженеров по изучению немецкого ракетного вооружения Фау-2, работавших с 1945 г. в Германии, в единый научно-исследовательский институт "Нордхаузен", директором которого был назначен генеоал-майор Л.М. Гайдуков, а главным инженером-техническим руководителем - С.П. Королев. 47

Параллельно с изучением и испытаниями ракеты V-2 Королев, назначенный главным конструктором баллистических ракет, с группой сотрудников разработал ракету на жидком топливе Р-1; в мае 1949 г. состоялось несколько пусков геофизических ракет такого типа. В те же годы были разработаны ракеты Р-2, Р-5 и Р-11. Все они были приняты на вооружение и имели научные модификации. В середине 1950-х годов в КБ Королева была создана знаменитая Р-7 - двухступенчатая ракета, которая обеспечила достижение первой космической скорости и возможность вывода на околоземную орбиту летательных аппаратов массой в несколько тонн. Эта ракета (с ее помощью были выведены на орбиту первые три спутника) затем была модифицирована и превращена в трехступенчатую (для вывода «лунников» и полетов с человеком). Первый спутник был запущен 4 октября 1957, через месяц - второй, с собакой Лайкой на борту, а 15 мая 1958 - третий, с большим количеством научной аппаратуры. С 1959 Королев руководил программой исследований Луны. В рамках этой программы к Луне было направлено несколько космических аппаратов, в том числе аппаратов с мягкой посадкой, а 12 апреля 1961 осуществлен первый полет человека в космос. При жизни Королева на его космических кораблях в космосе побывало еще десять советских космонавтов, был осуществлен выход человека в открытый космос (А.А. Леонов 18 марта 1965 на КК «Восход-2»). Королевым и группой координируемых им организаций были созданы космические аппараты серий «Венера», «Марс», «Зонд», искусственные спутники Земли серий «Электрон», «Молния-1», «Космос», разработан космический корабль «Союз».

Итак, можно отметить следующие основные исторические вехи развития ракетной и космической техники и их основные фигуры. Прародителями жидкотопливных ракет были твердотопливные ракеты на порохе. Идея создания таких ракет уходит далеко в древность, поэтому все исследователи из разных стран начали эти разработки независимо друг от друга в конце 19-го века. Но вот первая идея перейти от твердотопливной ракеты, к жидкотопливной принадлежит Циолковскому. Позже Циолковского американец Годдард независимо ни от кого, сам доходит до этой идеи и первый воплощает ее в жизнь. В 30-х годах XX в. почти одновременно в СССР и Германии ведутся разработки баллистических ракет на жидком топливе. Германский гений барона Вернера фон Брауна оказывается успешнее или скорее удачливее, советского Сергея Королева, которому советские власти мешали, а фон Брауну германские всецело помогали. 30-е годы XX в. - это прорыв в ракетно-космической отрасли. После Второй Мировой войны ракеты ФАУ-2 Вернера фон Брауна становятся основой создания советских и американских баллистических ракет. Из этих разработок вырастают многоступенчатые космические ракеты-носители. Эти послевоенные успехи становятся вторым главным прорывом в космонавтике.

Список литературы

1. "Энциклопедия КОСМОНАВТИКА", М.: "Советская энциклопедия", 1985, с. 398

2. М. Штейнберг "Красивое имя, наводящее страх", Независимая газета, 17.06.2005

3. И.Н. Бубнов "Роберт Годдард", М.:"Наука", 1978

4. Я.К. Голованов "Королев и Циолковский". РГАНТД. Ф.211 оп.4 д.150, с. 4-5

5. "Мы - наследники Циолковского", Комсомольская правда, 17.09.1947

6. Я.К. Голованов "Дорога на космодром", М.: Дет. лит., 1982

7. В.Эрлихман, "Доктор Вернер. Молчание ягнят", Профиль N.10, 1998

8. "Сергей Павлович Королёв. К 90-летию со дня рождения." Редколлегия журнала "Ракетостроение и Космонавтика", ЦНИИмаш

9. М.Штейнберг "Красивое имя, наводящее страх", Независимая газета, 17.06.2005

10. "Сергей Павлович Королёв. К 90-летию со дня рождения." Редколлегия журнала "Ракетостроение и Космонавтика", ЦНИИмаш

Вашему вниманию предлагаю разработку урока посвященного Дню космонавтики, с использованием компьютерной презентации. Данный урок носит в основном информативный характер, поэтому может проводиться и разных классах. На этом уроке учащимся рассказывается об основных этапах развития космонавтики и современных исследованиях планет.

Урок был подготовлен учителем физики Батеневой О.М.

Цель: вспомнить, перечислить этапы развития космонавтики, конструкторские изобретения ставшие решающими факторами в деле “победы человека над космосом” и принесшие славу и приоритет советской науке.

Воспитательная: воспитывать патриотизм, чувство гордости за достижения человеческого разума и за достижения советской науки и народа, самоотверженно кующего материальную основу “победы человека над космосом”; воспитывать волю к победе на исторических примерах.

Развивающая: развивать интерес к физике, технике и отечественной истории. Развивать навыки самостоятельной работы с дополнительной литературой и Интернетом, находить и отбирать требуемую информацию, отбрасывая всю постороннюю, анализировать полученные сведения, приводить их в систему.

Материально-дидактическое оснащение:

“Человечество не останется вечно на Земле,
но в погоне за светом и пространством сначала
робко проникнет за пределы атмосферы,
а затем завоюет себе все
околосолнечное пространство”.

К.Э. Циолковский

Ход урока

1. Сегодня наш урок посвящается Дню космонавтики, который отмечается 12 апреля. На этом уроке я расскажу вам о наиболее значимых этапах развития космонавтики.

Этап теоретической космонавтики.

Рассказ об одном из основоположников космонавтики К.Э. Циолковском и его теоретических расчетах полетов космических ракет.

ЦИОЛКОВСКИЙ Константин Эдуардович (1857-1935) - русский советский учёный и изобретатель в области аэродинамики, ракетодинамики, теории самолёта и дирижабля; основоположник совр. космонавтики.

1903 г. Публикация труда "Исследование мировых пространств реактивными приборами". В этом пионерском труде Циолковский:

• впервые в мире описал основные элементы реактивного двигателя;
• пришёл к выводу, что твёрдые виды топлива не годится для космических полётов, и предложил двигатели на жидком топливе;
• полностью доказал невозможность выхода в космос на аэростате или с помощью артиллерийского орудия;
• вывел зависимость между весом топлива и весом конструкций ракеты для преодоления силы земного тяготения;
• высказал идею бортовой системы ориентации по Солнцу или другим небесным светилам;
• проанализировал поведение ракеты вне атмосферы, в среде, свободной от тяготения.

О своём смысле жизни Циолковский говорил так:

“Основной мотив моей жизни – не прожить даром, продвинуть человечество хоть немного вперёд. Вот почему я интересовался тем, что не давало мне ни хлеба, ни силы, но я надеюсь, что мои работы, может быть скоро, а может быть и в отдалённом будущем, дадут горы хлеба и бездну могущества…человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе всё околосолнечное пространство”.

Так на берегах Оки взошла заря космической эры. Правда, результат первой публикации оказался совсем не тот, какого ожидал Циолковский. Ни соотечественники, ни зарубежные ученые не оценили исследования, которым сегодня гордится наука. Оно просто на эпоху обогнало свое время.

Этап практической космонавтики.

Рассказ о строительстве и испытаниях космических аппаратов под руководством С.П. Королева.

КОРОЛЕВ Сергей Павлович (1907-1966) - советский ученый и конструктор в области ракетостроения и космонавтики, главный конструктор первых ракет-носителей, ИСЗ, пилотируемых космических кораблей, основоположник практической космонавтики, академик АН СССР, член президиума АН СССР, дважды Герой Социалистического Труда...

Королев - пионер освоения космоса. С его именем связана эпоха первых замечательных достижений в этой области. Талант выдающегося ученого и организатора позволил ему на протяжении многих лет направлять работу многих НИИ и КБ на решение больших комплексных задач. Научные и технические идеи Королева нашли широкое применение в ракетной и космической технике. Под его руководством создан первый космический комплекс, многие баллистические и геофизические ракеты, запущена первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета, ракета-носитель "Восток" и ее модификации, исскуственный спутник Земли, осуществлены полеты КК "Восток" и "Восход", на которых впервые в истории совершен космический полет человека и выход человека в космическое пространство; созданы первые КА серий "Луна", "Венера", "Марс", "Зонд", ИСЗ серий "Электрон", "Молния-1" и некоторые ИСЗ серии "Космос"; разработан проект КК "Союз". Не ограничивая свою деятельность созданием РН и КА, Королев, как главный конструктор осуществлял общее техническое руководство работами по первым космическим программам и стал инициатором развития ряда прикладных научных направлений, обеспечивающих дальнейший прогресс в создании РН и КА. Королев воспитал многочисленные кадры ученых и инженеров.

Учёными космической эры по праву можно назвать Николая Егоровича Жуковского, Ивана Всеволодовича Мещерского, Фридриха Артуровича Цандера, Мстислава Всеволодовича Келдыша, и многих других.

Первый искусственный спутник Земли и полеты животных.

Рассказ о запуске первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) 4 октября 1957 года и о полетах различных животных в космос.

04.10.1957. С космодрома Байконур осуществлен пуск ракеты-носителя "Спутник", которая вывела на околоземную орбиту Первый в мире искусственный спутник Земли. Этот старт открыл космическую эру в истории человечества.

19.08.1960 был запущен Второй корабль-спутник типа "Восток", с собаками Белка и Стрелка, а вместе с ними 40 мышей, 2 крысы, различные мухи, растения и микроорганизмы 17 раз облетели вокруг Земли и приземлились.

Хэм - первый шимпанзе-астронавт. 31 января 1961 года Хэм был помещён в космический корабль “Меркурий-Редстоун 2” и запущен в космос с космодрома на мысе Канаверал. Полёт Хэма был последней репетицией перед первым суборбитальным полётом американского астронавта в космос

Впервые в мире живые существа, побывав в Космосе, возвратились на Землю после орбитального полёта. Через несколько месяцев у Стрелки родились шесть здоровых щенков. Одного из них попросил лично Никита Сергеевич Хрущёв. Он отправил его в подарок Жаклин Кеннеди, жене президента США Джона Кеннеди.
Целью эксперимента по запуску животных в космос была проверка эффективности систем жизнеобеспечения в космосе и исследование космического излучения на живые организмы.

Свершение века 12 апреля 1961 года. Юрий Гагарин – первый человек в космосе. (фильм V1.asf; Tacc.wav) После просмотра фильма включить звуковой значек.

Рассказ о полетах в космос: первого человека - Ю.А. Гагарина, первой женщины – В.В. Терешковой.

12.04.1961. Этот день стал днем торжества человеческого разума. Впервые в мире космический корабль с человеком на борту ворвался в просторы Вселенной. Ракета-носитель "Восток" вывела на околоземную орбиту советский космический корабль "Восток" с советским космонавтом Юрием Гагариным. После полёта на корабле “Восток” Ю. А. Гагарин стал самым известным человеком на планете. О нём писали все газеты мира.

16 июня 1963 года в 12 часов 30 минут по московскому времени в Советском Союзе на орбиту спутника Земли выведен космический корабль "Восток-6" впервые в мире пилотируемый женщиной - гражданкой Советского Союза космонавтом Терешковой Валентиной Владимировной.

В этом полете будет продолжено изучение влияния различных факторов космического полета на человеческий организм, в том числе будет проведен сравнительный анализ воздействия этих факторов на организмы мужчины и женщины.

Специально для полёта Терешковой была разработана конструкцию скафандра приспособленная для женского организма, так же некоторые элементы корабля были изменены под возможности женщины. Этот полёт доказывал надёжность советской космической техники, которая символизировала надёжность всего советского строя.

Выход человека в открытое космическое пространство. (фильм vskh-2.asf) Одновременно с началом показа фильма включить звуковой значек.

Рассказ о первом выходе А.А. Леонова в открытый космос в марте 1965 года.

Первый выход в космос был совершён советским космонавтом Алексеем Архиповичем Леоновым 18 марта 1965 года с борта космического корабля “Восход-2” с использованием гибкой шлюзовой камеры.

Во время выхода проявил большое мужество, особенно в нештатной ситуации, когда разбухший космический скафандр препятствовал возвращению космонавта в космический корабль. Выход в открытый космос продолжался 12 минут 9 секунд, по его итогам был сделан вывод о возможности человека выполнять различные работы в открытом космосе. При возвращении космического корабля на Землю отказала система ориентации и космонавты, вручную сориентировав корабль, совершили посадку в запасном районе.

Рассказ о космических полетах к другим планетам (Венера, Марс, Луна, Титан, Сатурн).

Маленький шаг для одного человека
большой шаг для всего человечества

сказал Нил Армстронг, ступая на поверхность Луны

Сама программа пилотируемого полёта на Луну называлась “Аполлон”. Луна - единственное внеземное тело, на котором побывал человек. Первая посадка произошла 20 июля 1969 года ; последняя - в декабре 1972 года. Первым человеком, ступившим на поверхность Луны, стал американец Нил Армстронг (21 июля 1969 года). Луна также - единственное небесное тело, образцы которого были доставлены на Землю.

СССР отправил на Луну два радиоуправляемых самоходных аппаратов, “Луноход-1” в ноябре 1970 года и “Луноход-2” в январе 1973.

“Пионер-10” - беспилотный космический аппарат НАСА, предназначенный, главным образом, для изучения Юпитера . Это был первый аппарат, пролетевший мимо Юпитера и сфотографировавший его из космоса. Аппарат-“близнец” “Пионер-11” исследовал также Сатурн.

В 1978 году в космос отправились последние два зонда серии “Пионер”. Это были зонды для исследования Венеры “Пионер-Венера-1” и “Пионер-Венера-2”

Международная космическая станция (МКС) - международная орбитальная станция, используемая как многоцелевая космическая лаборатория.

К концу 2004 на станции побывало 10 долгосрочных экспедиций

На станции проводят научные исследования космоса, атмосферы и земной поверхности, изучение поведения человеческого организма в длительных космических полетах, разрабатывают технологии получения и анализа свойств новых материалов и биопрепаратов, а также отрабатывают пути и методы дальнейшего освоения космического пространства.

2. В конце урока учащиеся отвечают на вопросы диагностического задания. Происходит проверка знаний, используя слайд с правильными ответами. Приложение 2.

Правильные ответы

1. 1903 г К.Э. Циолковский

5. 16Июня 1963 г.В.Н. Терешкова

Задания для учащихся.

Используя Интернет-ресурсы, подготовьте более подробное информационное сообщение о том, что вас заинтересовало в данной теме.

Учащиеся отвечают на вопросы рефлексивного теста. Приложение 2.

Рефлексивный тест

1. Я узнал много нового и интересного.
2. Что понравилось на уроке? Почему?
3. Что не понравилось?
4. Нужна ли мне физика для повышения моего интеллектуального уровня?
5. Нужна ли мне физика для моей дальнейшей профессиональной деятельности?

Литература:

1. www.cosmoworld.ru
2. www.kocmoc.info
3. ru.wikipedia.org1
4. www.specevideo.ru
5. www.h-cosmos.ru

Методика проведения 4 урока
"Основы космонавтики"

Цель урока: формирование знаний о теоретических и практических основах космонавтики.

Задачи обучения:

Общеобразовательные: формирование понятий:

О теоретических и практических предпосылках, задачах и методах космических исследований;
- о связи космонавтики с астрономией, физикой и другими естественно-математическими науками и с техникой;
- о средствах космонавтики - космических летательных аппаратах (КЛА);
- об основных типах реактивных ракетных двигателей (РДТТ, ЖРД, ЭРД, ЯРД);
- о траекториях, скоростях и особенностях движения КЛА, особенностях межпланетной и межзвездной навигации.

Воспитательные: формирование научного мировоззрения учащихся в ходе знакомства с историей человеческого познания. Патриотическое воспитание при ознакомлении с выдающейся ролью российской науки и техники в развитии космонавтики. Политехническое образование и трудовое воспитание при изложении сведений о практическом применении космонавтики.

Развивающие: формирование умений решать задачи на применение законов движения космических тел, формул Циолковского и космических скоростей к описанию движения КЛА.

Ученики должны знать :

О космонавтике (предмете, задаче и методах космонавтических исследований, связи ее с другими науками);
- о средствах космонавтики: основных типах КЛА, их устройстве и характеристиках;
- об основных типах ракетных двигателей, их устройстве и характеристиках
- формулу Циолковского, формулы и значения I, II, III космических скоростей (для Земли);
- о траекториях полета КЛА и связи между формой их орбит и скоростью движения.

Ученики должны уметь : решать задачи на применение формулы Циолковского и законов движения космических тел для расчета характеристик движения КЛА.

Наглядные пособия и демонстрации:

Диафильмы: "Элементы механики космических полетов".
Кинофильмы : "Искусственные спутники Земли"; "Космические полеты".
Таблицы : "Космические полеты"; "Космические исследования".
Приборы и инструменты : прибор для демонстрации движения ИСЗ.

Задание на дом:

1) Изучить материала учебников:
- Б.А. Воронцов-Вельяминова : §§ 14 (4), 16 (4).
- Е.П. Левитана : §§ 7-11 (повторение).
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича : § 11; упражнения 11 (3, 4)

2) Выполнить задания из сборника задач Воронцова-Вельяминова Б.А. : 174; 179; 180; 186.

3) Подготовить доклады и сообщения к уроку "История космонавтики".

План урока

Этапы урока		Методы изложения	Время, мин
	Актуализация темы занятия	Рассказ
	Формирование понятий о теоретических и практических предпосылках, задачах и методах космонавтических исследований	Лекция	7-10
	Формирование понятий о средствах космонавтики и основных типах ракетных двигателей	Лекция	10-12
	Формирование понятий о траекториях, скоростях и особенностях движения КЛА, особенностях межпланетной и межзвездной навигации	Лекция	10-12
	Решение задач
	Обобщение пройденного материала, подведение итогов урока, домашнее задание

Методика изложения материала

Данный урок лучше всего проводить в форме лекции, в ходе которой осуществляется систематизации, обобщение и развитие "донаучных" космонавтических знаний учеников и сведений по космонавтике и реактивному движению, изученных ими в курсах природоведения, естествознания и физики за весь период школьного обучения. Авторы пособия предлагают ограничиться разбором вопросов об орбитах и скорости ИСЗ, полетах КЛА к Луне и простейших траекториях межпланетных перелетов. Мы считаем необходимым дополнить и расширить этот материал, теоретизировать его так, чтобы в результате обучения школьник обрел целостное понятие о теоретических и практических основах космонавтики. Изложение материала должно опираться на ранее изученный материал по физике (основы классической механики: законы Ньютона, закон Всемирного тяготения, закон сохранения импульса, реактивное движение) и астрономии (астрометрии и небесной механики: законы Кеплера, сведения о космических скоростях, орбитах космических тел и возмущениях). Патриотический аспект воспитания реализуется в акцентировании внимания учащихся на достижениях отечественной науки и техники, вкладе российских ученых в возникновение, становление и развитие ракетостроения и космонавтики. Исторических подробностей следует избегать, откладывая их на последующее занятие.

Космонавтика - полеты в космическом пространстве; совокупность отраслей науки и техники, обеспечивающих исследование и освоение космического пространства и космических объектов и их систем с помощью различных космических летательных аппаратов (КЛА): ракет, искусственных спутников Земли (ИСЗ), автоматических межпланетных станций (АМС), космических кораблей (КК), пилотируемых или управляемых с Земли.

Теоретический фундамент космонавтики образуют:

1. Астрономия (астрометрия, небесная механика и астрофизика).

2. Теория космических полетов - космодинамика - прикладная часть небесной механики, исследующая траектории полета, параметры орбит КЛА и т. д.

3. Ракетная техника, обеспечивающая решение научно-технических проблем создания космических ракет, двигателей, систем управления, связи и передачи информации, научного оборудования и т.д.

4. Космическая биология и медицина.

Основным и вплоть до настоящего времени единственным средством передвижения в космическом пространстве является ракета. Законы ракетного движения выводятся на основе законов классической механики: кинематики и динамики (II закона Ньютона, закона сохранения импульса и т. д.).

Формула К. Э. Циолковского описывает движение ракеты в космическом пространстве без учета действия внешних условий и характеризует энергетические ресурсы ракеты:

, - число Циолковского, где m 0 - начальная, m к - конечная массы ракеты, w - скорость истечения отбрасываемой массы по отношению к ракете (скорость реактивной струи), g - ускорение свободного падения.

Рис. 73

Ракета-носитель (РН) - многоступенчатая баллистическая ракета для выведения в космос полезного груза (ИСЗ, АМС, КК и др.). Ракетоносителями обычно являются 2-4 ступенчатые ракеты, сообщающие полезному грузу I - II космическую скорость (рис. 73).

Ракетный двигатель (РД) - реактивный двигатель, предназначенный для ракет и не использующий для работы окружающую среду. В РД происходит не только преобразование подводимой к двигателю энергии (химической, солнечной, ядерной и т. д.) в кинетическую энергию движения рабочего тела двигателя, но и непосредственно создается движущая сила тяги в виде реакции струи вытекающего из двигателя рабочего тела. Таким образом РД представляет собой как бы сочетание собственно двигателя и движителя.

Удельная тяга РД определяется формулой: .

В настоящее время широкое применение нашли только химические РД.

Ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ) применяется около 2000 лет - широко в ракетной артиллерии и ограниченно в космонавтике. Диапазон тяг РДТТ колеблется от грамм до сотен тонн (для мощных РД). Топливо в виде зарядов (вначале - дымного пороха, с конца XIX века - бездымного пороха, с середины ХХ века - специальные составы) полностью помещается в камеру сгорания. После запуска горение обычно продолжается до полного выгорания топлива, изменение тяги не регулируется. По конструкции и эксплуатации наиболее прост, но имеет ряд недостатков: низкая удельная тяга, однократность запуска и т. д. Устанавливается на некоторых РН США ("Скаут", "Тор", "Титан"), Франции и Японии. Применяется также в качестве тормозных, спасательных, корректирующих и т. д. систем (рис. 74).

Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) - РД, работающий на жидком ракетном топливе. Предложен К. Э. Циолковским в 1903 году. Основной двигатель современной космической техники. Тяга от долей грамма до сотен тонн. По назначению ЖРД делятся на основные (маршевые), тормозные, корректирующие и т. д. В качестве топлива применяют: из окислителей - кислород жидкий, четырехокись азота, перекись водорода; из горючих - керосин, гидразин, аммиак жидкий, водород жидкий. Наиболее перспективны сочетание жидких водорода и кислорода (РН "Энергия") (рис. 75).

Для увеличения удельной тяги перспективно использование ядерной энергии. Экспериментальные образцы ядерных ракетных двигателей (ЯРД ) разрабатывались с середины 60-х годов в СССР и США. В настоящее время Россия является единственным государством, располагающим маршевым ЯРД (рис. 76).

Продолжаются разработки электрических РД (ЭРД) - электротермических, электромагнитных, ионных. Первые экспериментальные образцы ЭРД были созданы в СССР в 1929-30 г.г.; в настоящее время ЭРД используются в качестве двигателей ориентации КЛА России и США. Маршевый ионный двигатель установлен на АМС, запущенной в конце 90-х гг. в США (рис. 77).

С точки зрения механики космического полета РД разделяются на:

1. Двигательные системы с ограниченной скоростью истечения w » 3 - 30 км/с, определяемой наибольшей температурой реактивной струи (химические, ядерные и т. д.). Они работают непродолжительное время (минуты, секунды) в атмосфере и вакууме на малых активных участках траектории полета (сотни км).

2. Системы ограниченной мощности с отдельным источником энергии, от которого зависит их эффективность (электрические и др.).

3. Системы с ограниченной тягой (парусные и радиоизотопные).

На активных участках полета движение КЛА зависит от работы его двигателей; на пассивных участках траекторий на движение КЛА влияют силы притяжения со стороны космических тел, давление света и солнечный ветер, а в верхних слоях атмосфер - аэродинамические силы трения.

Основные характеристики пассивного движения КЛА можно определить при решении задачи 2-х тел.

В центральном поле тяготения массивных космических тел КЛА движутся по кеплеровским орбитам, причем:

1. Траектория движения КЛА прямолинейна в случае, когда его начальная скорость u 0 = 0 и КЛА равноускоренно падает к центру притяжения.

2. КЛА движутся по эллиптическим траекториям, когда начальная скорость направлена под углом к центру притяжения, при . По эллиптическим орбитам вокруг Земли движутся ее ИСЗ, современные космические корабли и орбитальные станции, а также АМС, вращающиеся вокруг исследуемых ими планет.

3. По параболическим траекториям при u 0 = u II , когда конечная скорость КЛА в бесконечно удаленной точке пространства равна нулю.

4. По гиперболическим траекториям (u 0 > u II), почти неотличимым от прямолинейных на большом удалении от центра притяжения.

Траектории межпланетных полетов различаются по форме, длительности перелета, энергетическим затратам и другим факторам, зависящим от цели и особенностей космического полета. Интересно отметить, что КЛА практически никогда не движутся по прямой линии: траектории их движения (кроме некоторых идеализированных случаев) представляют собой отрезки кривых II порядка (окружности, эллипса, параболы и гиперболы), соединяющие орбиты космических тел или сами тела.

Выделяют 3 пассивных участка траекторий межпланетных полетов: 1) внутри "сферы действия" Земли, в которой движение КЛА определяется только силой земного притяжения; 2) от границы сферы действия Земли до границы сферы действия космического тела - цели полета, самому длинному и продолжительному, на котором движение КЛА определяется притяжением Солнца; 3) внутри сферы действия космического тела - цели полета.

Выше уже отмечалось, что для выхода из сферы действия Земли КЛА должен иметь скорость u > u II; . Добавочная скорость, которую находящийся на орбите искусственного спутника КЛА должен обрести для того, чтобы выйти из сферы действия Земли, называется скоростью выхода u в . , где r - расстояние от космического тела, R дÅ - радиус сферы действия Земли (R дÅ = 925000 км).

При запуске КЛА с поверхности Земли необходимо учитывать:

1) скорость и направление вращения Земли вокруг своей оси;
2) скорость и направление вращения Земли вокруг Солнца (u Å = 29,785 км/с).

Весьма сложен требующий больших энергетических затрат запуск ИСЗ, вращающихся в направлении, противоположном направлению вращения Земли вокруг своей оси; более сложен запуск КЛА по траектории, не лежащей в плоскости эклиптики.

Если скорость выхода совпадает по направлению со скоростью движения Земли v Å , орбита КЛА, кроме перигелия, лежит вне орбиты Земли (рис. 79в).
При противоположной направленности скорости u в орбита КЛА, за исключением афелия, лежит внутри орбиты Земли (рис. 79а).
При той же направленности и равенстве скоростей u в = u Å орбита КЛА становится прямой, по которой КЛА будет падать на Солнце около 64 суток (рис. 79г).
При u в = 0 орбита КЛА совпадает с орбитой Земли (рис. 79б).

Чем выше скорость u в КЛА, тем больше эксцентриситет его эллиптической орбиты. Путем сравнительно несложных расчетов определяется значение v в , необходимое для того, чтобы перигелий или афелий орбит КЛА лежал на орбите внешней или внутренней планет,.

Траектории полета КЛА, одновременно касающиеся орбит Земли и космических тел - целей межпланетного полета, называются гомановскими траекториями (в честь рассчитавшего их немецкого ученого В. Гоманна).

Для внешних планет: . Для внутренних планет: , где r - среднее расстояние планетного тела от Солнца.

Продолжительность перелета по гомановской траектории рассчитывается по формуле: средних солнечных суток.

При расчетах траектории межпланетного полета по гомановским траекториям необходимо учитывать взаимное расположение (начальную конфигурацию) Земли, Солнца и планеты-цели, характеристики и особенности движения планет по их орбитам. Например, полет к Марсу по кратчайшей гомановской траектории займет всего 69,9 d , к Юпитеру - 1,11 года, к Плутону - 19,33 года. Однако реально оптимальное взаимное положение Земли, Солнца и этих планет происходит исключительно редко и для уменьшения времени перелета требуется повысить u в , что требует дополнительных энергозатрат. Поэтому, в числе прочих причин, пилотируемые полеты к планетам Солнечной системы существенно дороже и сложнее, нежели исследование этих планет с помощью АМС, которые могут годами лететь к своим целям по самым экономичным траекториям. С учетом действия возмущений со стороны планет и Солнца АМС и космические корабли должны иметь двигатели для корректировки траектории движения.

При достижении сферы действия планеты-цели, для выхода на эллиптическую или круговую орбиту вокруг нее КЛА должен уменьшить скорость до значения, меньшего II космической для данной планеты.

В межпланетной навигации широко используется маневр КЛА в гравитационном поле планет Солнечной системы.

При движении в центральном поле тяготения массивного космического тела на КЛА действует сила притяжения со стороны этого тела, изменяющая скорость и направление движения КЛА. Направленность и величина ускорения КЛА зависят от того, насколько близко пролетит КЛА от космического тела и от угла j между направлениями входа и выхода КЛА в сферу действия этого тела.

Скорость КЛА изменяется на величину:

Наибольшее ускорение КЛА приобретает при движении по траектории, проходящей на минимальном расстоянии от космического тела, если скорость входа КЛА в сферу действия равна I космического скорости u I у поверхности этого тела, при этом .

При облете Луны КЛА может увеличить свою скорость на 1,68 км/с, при облете Венеры - на 7,328 км/с, при облете Юпитера - на 42,73 км/с. Скорость выхода КЛА из сферы действия планеты можно значительно увеличить включением двигателей в момент прохождения перицентра.

На рис. 80-81 приведены некоторые расчетные траектории межпланетных перелетов.

Астронавтика - раздел космонавтики, исследующий проблемы межзвездных полетов. В настоящее время изучает в основном теоретические проблемы механики перелета, поскольку современная наука не располагает сведениями для решения технических вопросов достижения звезд.

Для межзвездного полета КЛА должен выйти за пределы сферы действия Солнца, равной 9× 10 12 км. Межзвездные расстояния огромны: до ближайшей звезды 270000 а.е.; внутри описанной вокруг Солнца сферы радиусом 10 пк находится всего около 50 звезд.

В настоящее время в полет за пределы Солнечной системы отправились АМС "Пионер-10 и -11" и "Вояджер-1 и -2", которые удалятся на расстояние 1 светового года через тысячи лет.

Существующие и даже перспективные виды РД не пригодны или малопригодны для межзвездных перелетов, поскольку не могут обеспечить разгон КЛА до скорости свыше 0,1 скорости света с .

К ближайшим из звезд теоретически возможны лишь полеты "в один конец" автоматических межзвездных зондов (АМЗ) или пилотируемые перелеты с целью колонизации подходящих планет с экипажем в состоянии "обратимой смерти" (гибернации) или со сменой поколений внутри корабля, что требует решения множества не только технических, но и этических, психологических, биологических проблем (экипаж никогда не возвратится на Землю; большую часть жизни или даже всю жизнь при смене поколений ему предстоит провести внутри корабля; необходимо создание полностью замкнутой экосистемы КЛА и т. д.); еще до старта земные астрономические наблюдения должны дать гарантии существования планет земной группы с подходящими для жизни условиями у звезды - цели полета (иначе полет теряет смысл).

"Голубой мечтой" современной астронавтики является теоретически идеальный квантовый (фотонный) РД с w = c - единственно пригодный для осуществления межзвездных перелетов в пределах Галактики (рис. 78).

Движение физических тел со скоростями, близкими к скорости света, рассматриваются в общей теории относительности (ОТО), исследующей пространственно-временные закономерности любых физических процессов.

В рамках ОТО формула Циолковского обобщается и принимает вид: ,

где z - число Циолковского, m 0 - начальная, m 1 - конечная массы КЛА, u 1 - конечная скорость КЛА в земной системе отсчета, w - скорость реактивной струи относительно корабля.

Скорости света не сможет достигнуть даже фотонный звездолет при w = c , поскольку:.

Полет со скоростью выше скорости света согласно современной науке невозможен для любых материальных объектов. Однако (теоретически) звездолет может перемещаться со скоростью, близкой скорости света, .

Возможны варианты межзвездного полета:

1. Полет в 3 этапа: разгон КЛА до наибольшей скорости; полет по инерции с выключенными двигателями; торможение до нулевой скорости.
2. Полет в 2 этапа с постоянным ускорением: первую половину пути КЛА увеличивает скорость с ускорением g~ gÅ = 10 м/с 2 , а затем начинает торможение с тем же ускорением.

Согласно основным положениям ОТО для наблюдателя на борту КЛА при приближении к скорости света все физические процессы будут замедляться в раз, и во столько же раз будут сокращаться расстояния вдоль направления движения КЛА: пространство и время как бы "сжимаются". В системе отсчета корабля он будет неподвижен, а относительно Земли и цели полета будет перемещаться со скоростью u £ c .

Собственное (корабельное) время полета и независимое время, протекающее с момента старта на Земле, рассчитываются по разным формулам: , где и - функции гиперболического косинуса и гиперболического синуса, r - расстояние до цели полета.

При непрерывном ускорении g = 10 м/с 2 полет до звезды a Центавра займет по корабельным часам 3,6 года, по земным - 4,5 года; полет к центру Галактики займет по корабельным часам Т к = 19,72 года, по земным Т Å = 27000 лет; полет к галактике М31 ("туманности Андромеды"), ближайшей из спиральных галактик, займет соответственно Т к = 28 лет и Т Å = 3,5 миллиона лет!

Такова плата за межзвездные полеты согласно "парадоксу близнецов": облетевшие пол-Галактики и постаревшие на десятки лет астронавты возвратятся на Землю тысячи и миллионы лет спустя после старта. Помимо чисто этических проблем вернувшихся из, по сути, "полета в один конец" пришельцев из далекого прошлого в мир будущего, встает важная проблема ценности доставленной астронавтами информации: за время полета наука на Земле не стоит на месте!

Очень важны энергетические проблемы межзвездных полетов: если для достижения II космической скорости межпланетного пилотируемого перелета Земля - Марс будет затрачена энергия около 8,4× 10 9 кВт× ч (вырабатываемой электростанцией мощностью 100 МВт за 8,5 часов), то для разгона КЛА до 0,2с потребуется энергия 10 15 кВт× ч - вся энергия, вырабатываемая электростанциями Земли за 10 лет. Увеличение скорости до 0,4 с влечет увеличение расхода энергии в 16 раз при 100 % КПД двигателей! Запасы топлива для термоядерного РД составят свыше 99 % массы КЛА. Для синтеза антивещества для единственного полета фотонного звездолета требуется такое количество энергии, что современная наука не может указать его источника в переделах Солнечной системы.

Таким образом, по законам физики на современном уровне развития земной цивилизации межзвездные пилотируемые полеты КЛА практически невозможны. Исследования ближайших звезд межзвездными беспилотными АМЗ вполне возможны (в настоящее время в США и России разрабатываются проекты запуска АМЗ к Проксиме Центавра, звезде Барнарда и некоторым другим объектам в середине XXI века). Имеющие несколько десятков тонн массы полезной нагрузки АМЗ будут разгоняться до скорости 0,1-0,2с солнечными, радиоизотопными или термоядерными РД, время полета составит десятки или даже сотни лет.

Изученный материал закрепляется в ходе решения задач:

Упражнение 10:

1. Почему проще запустить КЛА к Плутону, нежели к Солнцу?

2. Возможна ли излюбленная в фантастике 60-х годов ситуация, когда КЛА с вышедшим из строя двигателем притягивается и падает на Солнце?

3. Где и почему выгоднее располагать космодромы: на полюсах или на экваторе Земли?

4. Определите скорость выхода КЛА за пределы Солнечной системы. Как долго он будет лететь к ближайшей из звезд?

5. Почему внутри космического корабля на пассивном участке траектории полета наступает невесомость?

6. Какова скорость АМС, вращающейся по круговой орбите вокруг Юпитера на расстоянии: а) 2000 км; б) 10000 км от планеты?

7. Изобразите на чертеже конфигурацию Земли, Солнца и Марса, считая их орбиты круговыми, при полете советских АМС "Марс-2" и "Марс-3", достигших Марса 21.11.1971 года и 2.12.1971 года после 192 и 188 суток полета, если противостояние планет произошло 10 августа 1971 года.

По мнению В.В. Радзиевского следует обратить внимание учителей и учащихся "на огромное практическое значение астрономии в связи с активным освоением космоса, на роль космонавтики в решении экологических проблем загрязнения окружающей среды (перенос загрязняющих атмосферу предприятий в космос, выброс в космос вредных отходов производства, демографические перспективы)… Необходимо усилить элементы космонавтики в самой программе, ввести вопросы: закон сохранения энергии в задаче 2-х тел (элементарный вывод)...

В 60-80-е годы в школах Советского Союза преподавался факультативный курс А.Д. Марленского "Основы космонавтики" (IX класс, 70 часов учебных занятий по 2 ч. в неделю) . Сведения о его структуре, содержании и планировании занятий могут пригодиться современному учителю физики и астрономии для использования соответствующего материала на уроках физики и астрономии (особенно в физико-математических классах) и внеклассных занятиях:

1) История космонавтики (2 ч.) (Первые фантастические проекты космических полетов. К.Э. Циолковский – основоположник научной космонавтики. Основные этапы развития ракетной техники. Запуск первого советского ИСЗ и начало космической эры. Полет человека в космос).

2) Движение и устройство ракет (4 ч.) (Принцип действия ракеты. Понятие о механике тел переменной массы. Формула Циолковского. Основные части и числовые характеристики одноступенчатой ракеты. Многоступенчатые ракеты. Ракетные двигатели и топлива). Начинать с повторения закона сохранения импульса; с опорой на него проанализировать одноимпульсный выброс массы из ракеты. Рассмотреть серию последовательных выбросов и показать, что результирующая скорость ракеты при однонаправленных выбросах равна сумме скоростей, которые она получает при каждом выбросе массы. Сообщить формулу Циолковского (без подробного вывода, но с детальным анализом физического смысла и решением соответствующих задач). Рассмотреть движение ракеты с точки зрения законов динамики, в зависимости от реактивной силы. Продемонстрировать на опытах возникновение реактивной силы на примерах вытекающих водяных струй и показать, как можно изменить силу тяги (приводится схема установки). Ознакомить учеников с числовыми характеристиками одноступенчатых и многоступенчатых РН. Предложить (дома) разработать проекты ракет с различными характеристиками, разобрать на следующем уроке. Работа РД изучается в общих чертах. Рассматриваются схемы их устройства, подачи топлива и графики изменения характеристик (скорость, температура и давление продуктов сгорания вдоль оси РД). Обратить внимание на основные данные РД и ракетного топлива в сравнении с тепловыми двигателями и топливом наземного транспорта. Полезно продемонстрировать действующие модели ракет.

3) Свободное движение ракеты в поле тяготения (8 ч) (Центральное поле тяготения. Задача 2-х тел. Закон сохранения механической энергии при движении в поле тяготения. Гравитационный параметр. Формула скорости тела, движущегося по эллиптической орбите. Траектории движения в поле тяготения (кеплеровы орбиты). Законы Кеплера. Круговая скорость, скорость освобождения, гиперболический избыток скорости. Понятие о возмущенном движении. Сфера действия. Невесомость). Повторить закон Всемирного тяготения применительно к 2 материальным точкам и подробно проанализировать его формулу; указать на возможность представления массивных космических тел в виде материальных точек. Формируется представление о поле тяготения как поле центральных сил и его характеристиках: ускорения свободного падения (позволяют определять силовые воздействия центрального поля на тела, вносимые в разные точки поля) и потенциалы (для определения энергетических затрат при различных перемещениях тел в этом поле). Обосновать выбор нулевого значения гравитационного потенциала для бесконечно удаленных точек в этом случае гравитационные потенциалы всех космических тел отсчитываются от нулевого уровня и их легко сравнивать. Сравнивая гравитационные потенциалы точек на поверхности планет, можно судить о величине работы для удаления тела из данной точки в бесконечность (введение понятия о II космической скорости). Решение задачи 2-х тел опирается на законы сохранения энергии и момента импульса (следует сформировать понятие о законе сохранения момента импульса на основе демонстрации скамьи Жуковского, определения понятия момента импульса и ряде опытов)

4) Движение ракеты под действием тяги (6 ч.) (Вывод КА на орбиту. Потери скорости. Начальная и суммарная характеристические скорости. Управление КА. Коррекции траектории. Перегрузки в полете. Понятие о космической навигации. Инерциальная, астро- и радионавигация. Ориентация и стабилизация КА). 5) Искусственные спутники Земли (8 ч.) (Орбиты ИСЗ. Возмущение орбит, вызванное несферичностью Земли, сопротивлением атмосферы, притяжением Луны и Солнца. Движение ИСЗ относительно поверхности Земли. Вывод ИСЗ на орбиту. Многоимпульсные маневры. Встреча на орбите. Орбиты ожидания. Гомановские переходы. Стыковка. Орбитальные станции. Спуск с орбиты. Основные физические явления при входе в атмосферу. Баллистический и планирующий спуски). 6) Полеты к Луне и планетам (8 ч.) (Траектории полетов к Луне. Искусственные спутники луны. Посадка на Луну. Траектории полета к планетам. Оптимальные траектории. Окна запуска. Коррекции траектории. Многоимпульсные траектории. Использование гравитационного поля планет для изменения траекторий КА. Облет планет. Посадка на планеты. Использование атмосферы при посадке. Коридор входа. Жесткая и мягкая посадки). 7) Условия космического полета (2 ч.) (Радиационная опасность. Метеоритная опасность. Способы защиты. Жизнеобеспечение в КК. Космическая психология. Ритм жизни в КК. Влияние невесомости и перегрузки на организм). 8) Научное и практическое использование космонавтики (6 ч.) (Успехи СССР в использовании космоса. Научная аппаратура ИСЗ, КА и АМС. Исследования Земли, околоземного космического пространства, Луны, планет, межпланетного пространства средствами космонавтики. Практическое использование космонавтики: в геодезии, метеорологии, для навигации, связи, разведки земных ресурсов). 9) Перспективы космонавтики (2 ч.) (Проекты дальнейших космических полетов в Солнечной системе. Проекты освоения Луны и планет. Возможность межзвездных перелетов). 10 часов практических работ (в том числе астрономических наблюдений).

<< Предыдущая наблюдения - лабораторные работы - практические работы - учебная программа - учебные пособия - лекции - педагогический эксперимент - дидактика - контрольные работы - задача
См. также: Все публикации на ту же тему >>

Мысли о проникновении человека в космическое пространство совсем недавно считались нереальными. И все же полет в космос стал реальностью потому, что ему предшествовал и, по-видимому, сопровождал его полет фантазии.

Прошло всего 50 лет с тех пор, как человек «шагнул в космос», а кажется, что это случилось давным-давно. Стали привычными космические полеты, а ведь каждый полет – это героический поступок.

Время меняет темп жизни, каждая эпоха характеризуется конкретными научными открытиями и их практическим использованием. Современное состояние космонавтики, когда на орбитальных станциях в длительных космических полетах работают космонавты, когда по маршруту Земля – орбитальная станция курсируют пилотируемые и автоматические и грузовые транспортные корабли, содержание работ, которые выполняют космонавты, позволяет говорить об исключительно народно-хозяйственном и научном значении практического освоения космоса

Объективный и тщательный контроль за состоянием земной атмосферы возможен только из космоса. Искусственные спутники связи, космическая метеослужба, космическая геологоразведка и многое другое решают важные государственные вопросы и задачи. Из космоса впервые получены сведения о загрязнении озера Байкал, о величине нефтяных пятен в океане, об интенсивном наступлении пустынь на леса и степи.

Главные имена

Люди издавна мечтали о полетах к звездам, они предлагали сотни разнообразных летательных машин, способных преодолеть земное притяжение и выйти в космос. И лишь в 20 веке мечта землян осуществилась…

И огромный вклад в осуществление этой мечты внесли наши соотечественники.

Николай Иванович Кибальчич (1897-1942), уроженец Черниговской губернии – гениальный изобретатель, приговоренный к смертной казни за изготовление бомб, которыми был убит император Александр II. В ожидании исполнения приговора, в казематах Петропавловской крепости, он создал проект ракеты, управляемой человеком, но о его идеях ученые узнали лишь спустя 37 лет, в 1916 году. Некоторые элементы этого проекта настолько хорошо продуманы, что используются и до сих пор.

Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935) не был знаком с Н. И. Кибальчичем, однако их можно считать родными братьями хотя бы потому, что оба они были верными сынами России, и потому, что оба были одержимы и проникнуты идеей освоения космического пространства. Великий труженик русской науки и техники К. Э. Циолковский - создатель теории реактивного движения в межпланетном пространстве. Разработал теорию многоступенчатых ракет, орбитальных спутников Земли, подробно рассмотрел возможность путешествия к иным планетам. Величайшая заслуга Циолковского перед человечеством состоит в том, что он открыл людям глаза на реальные пути осуществления космических полетов. В его работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903 г.) дана стройная теория ракетного движения и доказано, что именно ракета явится средством грядущих межпланетных полетов.

Иван Всеволодович Мещерский (1859-1935) родился на два года позже К. Э. Циолковского. Теоретические исследования по механике тел переменной массы (вывел уравнение, которое до сих пор является исходным для определения тяги ракетного двигателя), сыгравшие столь значительную роль в развитии ракетостроения, поставили его имя в одном почетном ряду имен покорителей космоса.

А вот Фридрих Артурович Цандер (1887-1933)), урожененц Латвии, всю свою жизнь посвятил практической реализации идеи осуществления космических полетов. Он создал школу теории и конструирования реактивных двигателей, воспитал много талантливых последователей этого важного дела. Ф. А. Цандера сжигала страсть к космическим полетам. Он не дожил до дня запуска ракеты с его реактивным двигателем ДР-2, проложившей первую космическую трассу.

Сергей Павлович Королев (1907-1966) – главный конструктор ракет, первых искусственных спутников земли и пилотируемых летательных аппаратов. Его таланту, его энергии мы обязаны тем, что первый космический корабль был создан и успешно запущен именно в нашей стране.

С особой гордостью я называю имя своего земляка, Юрия Васильевича Кондратюка. Космическая биография Новосибирска началась с имени этого ученого-самоучки, который в 1929 г. издал результаты своих расчетов в книге «Завоевания межпланетных пространств». Именно на основе его трудов американские астронавты и советские автоматические станции достигали Луны. Война, оборвавшая его жизнь, не дала осуществиться всем его замыслам.

Неоценимый по значимости вклад в развитие космонавтики в нашей стране внес академик Мстислав Всеволодович Келдыш (1911-1978) . Он возглавил решающий участок работ по изучению и освоению космоса. Выявление новых научных и технических задач, новых горизонтов в исследовании космического пространства, вопросы организации и управления полетом - это далеко не полный круг деятельности М. В. Келдыша.

Юрий Алексеевич Гагарин – первый космонавт Земли. Вся страна восхищалась его подвигом. Он стал героем космоса благодаря своей воле, настойчивости и верности мечте, которая зародилась еще в детстве. Трагическая гибель оборвала его жизнь, но след от этой жизни остался навсегда – и на Земле и в космосе.

К сожалению, не могу назвать всех по именам и подробно рассказать обо всех тех ученых, инженерах, летчиках-испытателях и космонавтах, чей вклад в дело освоения космоса огромен. Но без названных имен космонавтика немыслима.(Приложение1)

Хронология событий

4 октября 1957 г. был запущен первый ИСЗ . Масса «Спутника-1» была 83,6 кг. Восемнадцатый Международный конгресс по астронавтике утвердил этот день началом космической эры . Первый спутник «говорил по-русски». «Нью-Йорк таймс» писала: «Этот конкретный символ будущего освобождения человека из-под власти сил, приковывающих его к Земле, создан и запущен советскими учеными и техническими специалистами. Все на Земле должны быть благодарны им. Это подвиг, которым может гордиться все человечество».

1957 и 1958 г.г . стали годами штурма первой космической скорости, годами искусственных спутников Земли. Появилась новая область науки – спутниковая геодезия.

4 января 1959 г . впервые было «преодолено» земное тяготение. Первая лунная ракета «Мечта» сообщила летательному аппарату «Луна-1» массой 361,3 кг вторую космическую скорость (11,2 км/с, стала первым искусственным спутником Солнца. Были решены сложные технические задачи, получены новые данные о радиационном поле Земли и космического пространства. С этого времени началось исследование Луны.

Одновременно продолжалась упорная и кропотливая подготовка к первому в истории Земли полету человека. 12 апреля 1961 г. в кабину космического корабля «Восток» поднялся тот, кому первому в мире предстояло шагнуть в неизведанную бездну космического пространства, гражданин СССР, летчик Военно-Воздушных Сил Юрий Алексеевич Гагарин. Потом были другие «Востоки». А 12 октября 1964 г. началась эпоха «Восходов», которые по сравнению с «Востоками» имели новые кабины, позволяющие космонавтам впервые осуществлять полеты без скафандров, новое приборное оборудование, улучшенные условия обзора, улучшенные системы мягкой посадки: скорость приземления практически доводилась до нуля.

В марте 1965 г . впервые человек вышел в открытый космос. Алексей Леонов летал в космосе рядом с космическим кораблем «Восход-2» со скоростью 28 000 км/ч.

Потом талантливыми головами и золотыми руками было вызвано к жизни новое поколение космических кораблей - «Союзы». На «Союзах» осуществлялось широкое маневрирование, ручная стыковка, была создана первая в мире экспериментальная космическая станция, впервые осуществлен переход из корабля в корабль. На орбитах начали функционировать и нести свою научную вахту орбитальные научные станции типа «Салют». Стыковку с ними осуществляют космические корабли семейства «Союз», технические возможности которых позволяют изменять высоту орбиты, осуществлять поиск другого корабля, сближаться с ним и причаливать. «Союзы» обрели полную свободу в космосе, так как могут осуществить автономный полет без участия наземного командно-измерительного комплекса.

Следует отметить, что в 1969 г. в исследовании космоса произошло событие, сопоставимое по значимости с первым полетом в космос Ю. А. Гагарина. Американский космический корабль «Аполлон-11» достиг Луны, и двое американских астронавтов 21 июля 1969 г. высадились на ее поверхность.

Спутники типа «Молния» проложили радиомост Земля - космос - Земля. Дальний Восток стал близким, так как радиосигналы по маршруту Москва- спутник - Владивосток пробегают за 0,03 с.

1975 год в истории космических исследований был отмечен выдающимся свершением - совместным полетом в космосе советского корабля «Союз» и корабля США «Аполлон».

С 1975 г . функционирует новый вид космического ретранслятора для цветных телепередач - спутник «Радуга».

2 ноября 1978 г. успешно завершен очень длительный в истории космонавтики (140 сут) пилотируемый полет. Космонавты Владимир Коваленок и Александр Иванченков успешно приземлились в 180 км юго-восточнее г. Джезказгана. За время работы их на борту орбитального комплекса «Салют-6» - «Союз» - «Прогресс» выполнена широкая программа научно-технических и медико-биологических экспериментов, проведены исследования природных ресурсов и изучение природной среды.

Отмечу еще одно выдающееся событие в исследовании космоса. 15 ноября 1988г . орбитальный корабль многоразового использования «Буран», выведенный в космос уникальной ракетной системой «Энергия», выполнил двухвитковый полет по орбите вокруг Земли и приземлился на посадочную полосу космодрома Байконур. Впервые в мире посадка корабля многоразового использования осуществлена в автоматическом режиме

В активе нашей космонавтики годичное пребывание на орбите и плодотворная научно-исследовательская деятельность. Длительная космическая командировка на станцию «Мир» закончилась для Владимира Титова и Мусы Макарова успешно. Они благополучно вернулись на родную Землю.