[вернуться к содержанию сайта]
Есть такая притча, дошедшая до нас из прошлого: путник спросил у встречного, долго ли ему ещё идти до города? “Иди”.– лаконично ответил тот. Путник удивился ответу, но пошёл вперёд. И когда он прошёл несколько десятков метров, встречный окликнул его: “Тебе идти до города полчаса”. Встречный увидел, быстро ли движется путник, и, зная расстояние до города, вычислил время.
Пространство, время, движение... Каждое путешествие – это движение во времени и пространстве. Наука о методах определения ускорения, скорости и координат местоположения какого-либо тела называется навигацией. Встречный человек из притчи, в сущности, решал простенькую навигационную задачу.
За плечами земной – или, точнее, наземной – навигации тысячелетний опыт человечества. Первобытный человек учился ориентироваться в лесу, в окрестностях своей пещеры. Мореплаватели в старину запоминали очертания берегов, чтобы найти дорогу на обратном пути к своему городу. Вожаки верблюжьих караванов из поколения в поколение передавали знания о рисунке звёздного неба, единственном надёжном ориентире в бескрайних и однообразных просторах пустыни... Со временем появились карты суши и моря, компасы, секстаны, лаги и многие другие приборы, помогающие человеку ориентироваться на земле.
Но вот человек послал свои корабли в космос. И одна из первых проблем, которая встала перед ним,– это создание новой науки – космической навигации. Опыт земной навигации лёг в основу молодой науки. Космическая навигации оказалась обладательницей богатого наследства. Но этого наследства было явно недостаточно. Перед человеком, задумавшим покорить космос, словно открылся новый мир – мир огромных расстояний и огромных скоростей. Теперь человеку надо было не только наблюдать за этим миром со стороны – как это он делал тысячи лет,– он должен был вести через его необозримые просторы свои космические корабли.
Сотни новых проблем стали перед исследователями. Искусственный спутник вращается вокруг Земли с чудовищной по нашим земным меркам скоростью – 8 километров в секунду. Скорость в 11,2 км/сек необходима, чтобы тело преодолело земное тяготение, и 17 км/сек, чтобы оно покинуло пределы солнечной системы.
А вот скорости, с которыми движутся по своим орбитам вокруг Солнца некоторые планеты: 35 км/сек – Венера; 29,8 км/сек – Земля; 24,1 км/сек – Марс.
Эти колоссальные скорости, незаметные для нас, так как они скрадываются огромными расстояниями, разделяющими небесные тела, должны быть учтены теми, кто разрабатывает звёздные маршруты. От расчётов космической навигации, предназначенных, скажем, для того, чтобы обеспечить встречу ракеты с планетой в заранее намеченном месте, требуется непостижимая на первый взгляд точность. Например, если в начальной скорости неуправляемого космического аппарата, запускаемого на Марс, будет допущена ошибка в 1 м/сек, то его отклонение от цели полёта составит 15–20 тысяч километров. Вот почему создатели космической навигации разрабатывают новые методы ориентации, новые приборы, работающие с невиданной до сих пор космической точностью.
Шофёр едет по незнакомой автостраде. Дорогу ему подсказывают указатели. Штурман речного теплохода ориентируется по маякам, бакенам, знакомым ему островам, заливам. Ну, а как в космосе? Ведь здесь нет маяков, нет указателей, как на автострадах. Здесь в конце концов нет ни верха, ни низа. Ориентироваться – значит определять своё положение относительно каких-то точек, координаты которых нам хорошо известны. В космосе таких точек должно быть три. Что же может послужить там ориентирами?
При полётах вблизи хорошо изученных космических тел надёжным ориентиром может служить сама планета, заметные на её поверхности моря, горы.
Каждый из нас не раз узнавал дорогу или сам объяснял, как пройти куда-либо: идите по переулку, на втором перекрестке свернете налево, а когда увидите большой серый дом... Человек идёт и сравнивает то, что он видит, с полученными сведениями. Эти объяснения, в сущности, есть программа смены ориентиров. Такую же программу составляет по картам и книгам турист для предстоящего путешествия. И космонавты в полёте вокруг земного шара пользуются тем же сравнительно-обзорным методом ориентации. Миниатюрный глобус Земли непрерывно вращается в кабине космического корабля на панели перед космонавтом. Движение его синхронно с движением планеты, и космонавт имеет возможность непрерывно сравнивать фактическую обстановку с программой.
Этот метод ориентации из-за своей относительной простоты и наглядности будет очень удобен при полётах вблизи Луны, поверхность которой мы уже сейчас знаем неплохо. Крупные и средние цирки, горы, трещины – всё это отличные “указатели”. Сравнительно-обзорным методом можно пользоваться и при полетах вокруг других планет солнечной системы. Но не теперь – в будущем, когда человек достигнет этих планет, узнает их поверхность, найдёт там хорошо заметные, различимые с большого расстояния ориентиры. И тогда в кабинах звездолёта, возможно, появится глобус Марса, или Венеры, или Юпитера.
Быть может, на первый взгляд этот метод навигации кажется слишком “земным”. Но поиски учёных сулят обзорно-сравнительному методу интересное будущее. Например, была предложена идея использовать этот метод ориентации и для полётов на дальние расстояния, в мало знакомые звёздные края.
Для дальних полётов в космос? Не фантазия ли это? Ведь там исчезнут, будут стёрты расстоянием знакомые очертания континентов, морей, гор. Чёрное небо космоса со всех сторон охватит корабль – чёрное небо и сияющая россыпь звёзд.
Вот на этом-то рисунке звёздной россыпи и будет основана ориентировка. Чувствительная система автоматически делает обзор – сканирует, как говорят учёные, большой участок звёздного неба и сравнивает его рисунок с рисунком-эталоном, хранящимся в памяти вычислительного устройства. Обнаружив смещение планет или Солнца, система рассчитывает скорость и координаты корабля.
А если вычислительному устройству конструкторы придадут память, способную хранить большое количество информации – сведения о положении корабля в любой точке орбиты, тогда... Тогда, вернувшись на родную планету, космонавты привезут описание расположения звёзд и пути корабля среди них. Составленное автоматами, закодированное ими, это описание может быть скопировано и вложено в запоминающие устройства новых звёздных кораблей. И когда новые космонавты унесутся вдаль от планеты, опыт предшественников станет для них путеводной нитью в безднах Вселенной. Правда, будущим конструкторам придётся учесть, что картина неба беспрерывно меняется. Потребуется специальное устройство для корректировки небесной “лоции”.
Мы рассказали лишь об одной возможности управления полётами. Но есть ещё и другая – это инерциальные системы навигации. Комплекс приборов, составляющих эти системы, позволяет определить ускорение, скорость и направление движения.
Для измерения времени сейчас созданы сверхточные эталонные часы-атомихрон. За сто лет эти часы ошибаются на одну секунду. Точность вполне достаточная даже для космических полётов.
Ускорение космического корабля определяют акселерометры – чувствительные элементы инерциальных систем. Акселерометр – прибор, который в простейшем виде представляет собой шарик, свободно подвешенный на пружине. Когда космический корабль, скажем, увеличивает скорость, шарик по инерции отстаёт от него, пружина растягивается, а чувствительные измерительные приборы, определяя степень её растяжения, показывают, как изменилось ускорение.
Акселерометры измеряют ускорение корабля по трём осям координат. Три оси координат могут быть ориентированы в космическом пространстве относительно трёх тел, например, Земли, Солнца и какой-нибудь звезды. Тем самым они как бы воспроизводят в кабине корабля объём окружающего пространства.
Данные об ускорении поступают в интегратор – элемент вычислительной системы. Интегратор рассчитывает скорость. Так достигается ответ на вопрос: “с какой скоростью”. Данные о скорости поступают во второй интегратор, и вычислительное устройство определяет пройденный путь. А зная пройденный путь, можно вычислить координаты корабля и ответить на вопрос “где”.
Но ведь космонавтам важно знать и то, куда летит их корабль. Куда не по расчётам, не по замыслу, а реально.
Инерциальные системы дают возможность ответить и на этот вопрос. Пройденный путь определяется в них по всем трём осям координат, а поэтому они рассчитывают не только его движение вперёд, к намеченной цели, но и все отклонения, смещения. А зная, как складывается движение корабля по трём осям координат, можно определить и точное направление полёта.
Это важное преимущество инерциальных систем перед другими методами космической навигации. Кроме того, эти системы относительно просты и надёжны по конструкции. Они автономны, т. е. не зависят от наземных радиосредств и внешних помех, позволяют ориентироваться в любой системе отсчёта, то есть вести расчёты относительно любого космического тела.
Но, увы, инерциальные системы обладают и недостатками. Прежде всего, они, оказывается, измеряют не всю величину ускорения. Акселерометр реагирует на изменение работы двигателей, но он как бы не замечает действия сил тяготения, потому что они действуют сразу и на ракету и на акселерометр.
Казалось бы, это непреодолимый недостаток системы, ибо он связан с принципами её действия. Однако советские учёные В.А. Боднер и В.П. Селезнёв сумели найти оригинальный обходной путь. Коротко говоря, он заключается в том, чтобы по известной части ускорения рассчитывать его неизвестную часть – тот “хвостик”, причиной которого являются силы тяготения.
Другое слабое место инерциальных систем: возникающие в них ошибки быстро накапливаются. Ведь в новых вычислениях используются результаты прежних расчётов. И если на каком-то этапе произошла ошибка, то потом она повторяется раз за разом и вычисленные координаты космического корабля все больше отклоняются от его фактического положения.
Интересный способ исправления этих ошибок подсказал уже накопленный советскими учеными “космический” опыт. Ошибки в инерциальных системах, оказывается, имеют закономерности, которые в миниатюре воспроизводят законы небесной механики. Дело в том, что причина возникновения этих ошибок, как предполагают учёные, связана с закономерностями движения небесных тел. А поэтому, заранее зная, как возникают и накапливаются ошибки, мы можем использовать уравнения небесной механики, чтобы корректировать расчёты вычислительных систем. Предложен был такой способ корректировки доктором технических наук В.П. Селезнёвым.
Но чтобы полностью избежать неправильностей в расчётах, нужно контролировать показания инерциальных систем также иными методами. Надо время от времени определять координаты корабля при помощи различных радиоустройств или астрономических средств. Одним из таких контрольных приборов в будущем послужит, вероятно, лазер. Лазер – это квантовый генератор света, который даёт остро направленный световой луч огромной яркости. Возможно, что когда-нибудь, спустя десятилетия, именно такие лучи за миллионы километров от родной планеты встретят космический корабль, возвращающийся домой. Чтобы на больших расстояниях эти лучи не сливались в один, можно создать станцию наведения на Луне (дополнительно к земным станциям) или специальный навигационный спутник – так предполагают некоторые учёные. Навигационная аппаратура, использующая лазеры, сможет обеспечить точный полёт по заданной орбите и автоматическую посадку беспилотных кораблей в пределах солнечной системы – на Венеру, например, или на Марс.
Как предполагают советские исследователи, для контроля инерциальных систем можно будет использовать и эффект, который обычно называют эффектом Доплера. (Точнее было бы сказать – Доплера-Белопольского, так как экспериментально доказал существование доплеровского сдвига частоты в световом излучении звёзд русский учёный.) Этот эффект заключается в том, что при движении тела меняется частота испускаемых им волн – звуковых или световых. Скажем, мимо станции проносится поезд, и люди, стоящие на перроне, по тону гудка электровоза знают, когда поезд приближается (тон повышается, частота колебаний воздуха растёт), когда поезд удаляется (тон гудка резко понижается, частота колебаний падает). Вот по этим изменениям частоты колебаний и можно определить скорость поезда.
В космосе для определения скорости и направления корабля можно использовать световое излучение звёзд. Чувствительные приборы космического корабля поймают световые лучи трёх звёзд, расположенных в разных плоскостях, измерят в них сдвиг частот и покажут скорость и направление полёта по отношению к каждой звезде. Этот метод может применяться не только как контрольный, а как вполне самостоятельный метод астронавигации. Но трудность заключается в том, что определить сдвиг частот в световом луче, да ещё находясь на космическом корабле,– дело нелёгкое. Даже для техники будущего это, вероятно, окажется сложной задачей.
Мгновенный контроль инерциальных систем даст истинную картину положения корабля и поправит расчёты. Эти системы очень удобны во время длительных полётов для непрерывного расчёта пути.
Человек идёт по улице. Улица – это одна линия, определяющая его положение. Но вот человек с улицы свернул в переулок. Переулок – вторая линия. Наконец человек поднялся по лестнице на третий этаж. Путь человека по лестнице ввepx – это уже третья линия. Взятые вместе, эти линии позволяют определить при помощи несложных геометрических вычислений положение человека не на плоскости, а в пространстве. Существуют геометрические методы и в астронавигации. Конечно, расчёты в космическом пространстве несравненно сложнее, чем на Земле. И всё же между нашим примером и космическими расчётами можно провести аналогию, хотя и довольно грубую.
Представьте себе космический корабль, который приближается к какой-то планете. Системы астронавигации корабля состоят из телескопов с фотоэлементами, радиолокаторов, вычислительных устройств. Пользуясь ими, космонавты определяют углы, под которыми видны различные небесные тела, и вычисляют расстояния до них. Штурман экипажа установил расстояние до планеты. Однако ещё неизвестно, над какой точкой поверхности планеты корабль находится. Ведь этим расстоянием, как радиусом, можно очертить в пространстве целую сферу, шар, и корабль может быть в любом месте его поверхности. Это и есть первая поверхность положения, которую можно сравнить – хотя и условно – с улицей из нашего “земного” примера. Но если штурман определит расстояние до другой планеты и вычертит второй шар, пересекающийся с первым, положение корабля уточнится. Вспомните: пересечение двух сфер даёт окружность. Где-то на этой окружности и должен находиться корабль. (Вот он, “переулок”!) Третье измерение – относительно ещё одной планеты – отметит на окружности уже две точки, одна из которых и есть место корабля.
Эти методы астронавигации очень точны, если применять их на близких расстояниях, когда тела, относительно которых производится определение, не кажутся из-за дальности точкой. И что ещё весьма важно – при этих методах навигации не накапливаются ошибки, так как каждый раз измерения ведутся заново.
Нет нужды утверждать, что одни методы космической навигации лучше других. Одни методы хороши в одних условиях, другие – в других. Но наибольшую точность ориентировки даёт совместное применение разных методов.
Начало космической навигации уже положено. Со временем эта наука будет играть всё более и более значительную роль, потому что всё дальше и дальше в космос прокладывает дорогу человек.
Дата установки: 1.06.2015
[вернуться к содержанию сайта]