Как (и зачем) SpaceX колонизирует Марс. Глава 3: Как колонизировать Марс. Часть 3.

Ссылка на 1-ю часть: https://t.me/mycosmos/496

Ссылка на 2-ю часть: https://t.me/mycosmos/503

Что такое Орбита?

На интуитивном уровне мы думаем, что трудности с отправкой кого–то на орбиту заключаются в том, чтобы добраться до Орбиты, точно так же на интуитивном уровне мы думаем, что космонавты на МКС парят себе в воздухе, так как там нет гравитации. Сейчас наступил хороший момент, чтобы прекратить доверять своей интуиции. 

Давайте вернёмся в старшие классы на секунду, вот формула, по которой мы высчитывали силу притяжения: 

G — гравитационная постоянная, занудное число, которое мы можем проигнорировать в этом объяснении:

m1 и m2 — это массы двух объектов. Объекта два, потому что притяжение — это не односторонняя вещь, любые два объекта притягиваются друг к другу с одинаковой силой. В вашем случае с Землёй то, о чём вы думаете как о своём весе, является силой тяготения между вами и Землёй, сила, которая одинаково влияет на вас и на планету (На случай, если вы совсем всё забыли: в нашей повседневной жизни термины «масса» и «вес» взаимозаменяемы, но это совсем разные вещи. Масса — это количество вещества в вас, то есть сумма всех атомов. Она неизменна, где бы во вселенной вы ни находились. Вес — это сила, направленная вниз, которую вы оказываете под воздействием притяжения Земли. Если бы вы были на Луне, где сила протяжения в шесть раз меньше, ваша масса бы не изменилась, но ваш вес уменьшился бы в шесть раз. Килограммы — это единица измерения массы, а фунты — это единица измерения притяжения. Единица измерения силы в метрической системе Ньютон, единица массы в британской имперской системе — слаг. Блин, до чего же стыдно). 

Так как обе массы в числителе, это означает, что чем больше они, тем выше будет и сила тяготения (соразмерно их произведению). Так что если вы удвоите массу, удвоится и вес. Если ваш вес останется таким же, а масса Земли удвоится, ваш вес тоже удвоится. Если я удвою массу Земли и вашу массу, то ваш вес увеличится в четыре раза. Но для этого поста нам не нужно работать с массой.

Что нас волнует, так это R^2 — расстояние между двумя объектами, точнее расстояние между их центрами масс, в случае с Землёй масса распределена равномерно, так что центр массы — это центр планеты. Радиус Земли составляет 6371 километр так, что когда вы находитесь на поверхности Земли, вы используете это число для R, чтобы определить силу тяжести, которую вы испытываете, так как r находится в знаменателе уравнения по мере увеличения R сила притяжения уменьшается. 

Чтобы это всё проиллюстрировать, я уменьшу Землю примерно в 13 миллионов раз, так что она будет диаметром в метр:

Если мы умножим r на два, удалив радиус Земли от поверхности на полметра, R^2 увеличится в 4 раза, так что сила притяжения и ваш вес будут в четыре раза меньше, чем на поверхности. Если вы отодвинетесь на метр так, что между вами и Землёй поместится ещё такая же Земля, R утроится и гравитация будет в девять раз меньше, чем на Земле. 

И где в таком случае находится МКС?

Она приблизительно в четырёхстах километрах от Земли, что около 2–3 см от поверхности нашего метрового Земного шара. Если приклеить мячик для пинг–понга к Земле, то МКС и все остальные спутники в него врежутся. (Пока мы ещё тут, общепризнанная высота, на которой начинается космос, называется линией Кармана, которая находится в 100 км от поверхности Земли, что на нашем глобусе начинается на 7.8 мм над его поверхностью — как ширина карандаша, а самолёты летают на расстоянии в 0,84 мм, что по размеру как песчинка).

Что это нам говорит о гравитации на НОО в месте типа МКС?

Ну, если мы возьмём среднюю высоту МКС 370 км, мы обнаружим, что это прибавляет всего 5.8% к нашей обычной r на поверхности Земли, что уменьшает гравитацию на поверхности всего только на 10%.

Так что выходит, что астронавты на МКС должны практически не ощущать разницы в притяжении, и тем не менее они там парят. 

Причина в том, что они находятся в свободном падении. 

Как–то раз мне довелось лететь с пилотом, которому было на всё наплевать, и он взлетел на 1200 метров, а потом резко снизился до 600 метров. Перед тем как резко снизить высоту, он дал мне ручку и сказал положить её в раскрытую ладонь. Во время снижения 8% меня, не находившихся в режиме «не обосраться», наблюдали за тем, как ручка зависла передо мной в воздухе, после чего плавно отлетела в сторону и резко упала на мои колени, как только мы снова выровнялись на высоте 600 метров. Вот что происходит на МКС. 

И вот почему: представьте, что вы стоите у крутого обрыва на планете меньше Земли, с более гладкой поверхностью и без атмосферы, и вы со всей силы бросаете бейсбольный мяч.

Выглядело бы это примерно вот так:

Если бы бросал главный подающий лиги, это, возможно, выглядело бы так:

А если бы вы выстрелили мячом из пушки, то он пролетел бы ещё дальше:

Прежде чем этот мяч упадёт, он проделает изогнутый путь. Если бы не препятствовала поверхность планеты, этот путь бы продолжился и имел форму большого эллипса. Чтобы не усложнять, давайте просто продолжим траекторию каждого мяча окружностями:

Теперь возьмём пушку помощнее, которая сделает вот что:

Кажется, ничего особенного, но обратите внимание, что линия кривой теперь совпадает с формой планеты. Поэтому в итоге мы имеем вот что:

Мяч обогнёт планету и прилетит к пушке с обратной стороны: и если на пути ему ничто не помешает, то он так и продолжит бесконечно «падать», и никогда не упадёт. Потому что кривая пути мяча и соответствующий круг точно совпадают с кривизной планеты. Планета будет падать от мяча, а мяч будет пытаться упасть на землю. Так вы запустили мяч на орбиту. 

Если бы вы были на идеально гладкой планете любого размера без атмосферы, то в теории вы бы могли запустить что–то на её орбиту прямо над поверхностью. Но так как у Земли плотная атмосфера и неровная поверхность с горами, как сильно вы бы ни выстрелили мячом рядом с поверхностью, атмосфера бы его замедлила, делая траекторию его падения всё уже и уже, пока тот не упадёт на землю. Поэтому всё, что мы запускаем на орбиту, находится так высоко, где атмосфера столь тонкая, что не замедляет объект. И без силы трения работает закон Ньютона об инерции, и объект бесконечно летает вокруг планеты. В случае с объектами на орбите Земли существует небольшое сопротивление, потому что рядом с Землёй ещё не идеальный вакуум, и в конечном итоге объекты вылетают с орбиты. 

Чтобы попасть на земную орбиту, объекту нужно двигаться невероятно быстро. Но не слишком быстро. Почему? Потому что тогда кривая будет слишком широкой, и соответствующий круг будет больше планеты, и произойдёт вот что:

Поэтому люди говорят о достижении «орбитальной скорости» для того, чтобы оставаться на орбите. А «скорость убегания» нужна для того, чтобы сбежать от земного притяжения и отправиться в открытый космос. Скорость убегания означает, что кривая пути шире, чем кривизна планеты. 

Итак, какова же орбитальная скорость на высоте 370 км, где находится МКС? 27600 км/ч или 7,66 км/с. Это золотая середина, которая позволяет объекту оставаться на орбите на такой высоте. 

Чтобы примерно понять, насколько это быстро, если бы вы бросили мяч на пляже в океан с такой скоростью, то он бы со свистом вылетел за горизонт вне поле зрения примерно за полсекунды. С такой скоростью МКС огибает Землю каждые 90 минут ( и так как скорость относительна, астронавты на МКС вообще не чувствуют, что они движутся, так же как мы не чувствуем этого на самолёте). 

Вернёмся к SpaceX. Если учесть отступление выше, становится понятно, что SpaceX, по сути, нужно было «закинуть» целевой груз на орбиту. Люди думают, что при запуске ракета летит вверх, но в действительности её забрасывают в сторону, именно поэтому траектория ракеты выглядит вот так:

Прямо как в нашем примере выше, ракета выполняет роль великана, который бросает целевой груз:

Только в реальном мире вместо гигантской руки, ракетной компании нужна 40–тонная башня размером с семиэтажный дом, которая взрывается вдали от Земли и которой нужно ещё перебросить хрупкий аппарат на точной скорости и на точной высоте. 

Чтобы всё было ещё сложнее, «бросок» начинается в слоях атмосферы на уровне моря, там она очень плотная и переменчивая из–за погодных условий. Это всё равно что пытаться метко бросить мяч, но начать замахиваться под напором воды. Вот так инженер технического оснащения летательных аппаратов в SpaceX Марк Джанкоса описал трудность запуска ракеты сквозь атмосферу: «Ракета — как разваренная макаронина, а вы пытаетесь затолкнуть её в космос. Она очень сильно болтается. Вы не можете понять, куда она летит, высчитав траекторию какой–то точки этой ракеты — вам придётся высчитать несколько этих точек». И когда в игре задействованы большие силы — вес ракеты, скорость, плотность атмосферы, даже мелкий сбой оборудования может нарушить всю миссию. Проблема в том, что очень сложно надёжно испытать то, как продержится оборудование до реально запуска. 

SpaceX это знание далось непросто: 

2006: Первый запуск — не состоялся. 

2007: Второй запуск — не состоялся. 

2008: Третий запуск — не состоялся. 

Плохие времена. 

Запуски не состоялись по причине каких–то мелочей. А именно: корродированная гайка не выдержала давления, жидкость в ракете болталась больше, чем ожидалось, двигатели на первой ступени вырубились на пару секунд позже во время отделения ступени. Вы можете всё сделать на 99.9% правильно, но последняя 0.1% взорвёт ракету и приведёт к катастрофическому провалу. Космос — это тяжело. 

У всех ракетных организаций, частных или государственных, случаются неудачи. Это неотъемлемая часть. Обычно вы глубоко вдыхаете, закатываете рукава, выясняете, что пошло не так, и приступаете к следующему запуску. Но у SpaceX были особые обстоятельства — «у компании было всего три или четыре попытки», и после трёх неудач у них осталась крайняя попытка «или четыре». Она была запланирована менее чем через два месяца после провала третьей. И это был последний шанс. 

Друг Маска Адео Ресси описывает это следующим образом: «Всё зависело от того запуска… Если всё сработает, грандиозный успех — если что–то пойдёт не так и запуск не состоится — полный провал. Третьего не дано. Никаких авансов. У него уже было три неудачи. Всё на этом и закончилось. Подобные кейсы разбирают в гарвардской школе бизнеса. Богатый парень пришёл в ракетное дело и всё потерял» (ну, хотя бы с Tesla в этот момент всё было неплохо, хотя подождите…). 

Но 28 сентября 2008 года SpaceX провёл четвёртый запуск, и он был успешным. Вся разница между ужасно провальным третьим запуском и гладким четвёртым заключалась лишь в том, что при третьем запуске двигатели на первой ступени проработали на пару секунд дольше, и первая ступень боднула задницу второй, прежде чем отлететь, и всё испортила (я отмотал видео с третьим и четвертымзапусками до момента отделения первой ступени, на последнем вы можете услышать радостные возгласы сотрудников SpaceX в момент успешной отстыковки). 

Они отправили холостой целевой груз на орбиту без заминок и стали второй частно–финансируемой компанией, которая с этим справилась. 

Фэлкон–1 был также самой рентабельной ракетой, которую когда–либо запускали — ценой в 7,9 млн долларов, что было втрое дешевле самой дешёвой американской альтернативы на тот момент. 

НАСА взяла это на заметку. Успешный четвёртый запуск был для них достаточным доказательством того, что SpaceX можно доверять, и в конце 2008 года НАСА предложила Маску заключить контракт на 1,6 миллиардов долларов, чтобы совершить 12 доставок на МКС. 

Деньги Маска принесли свои плоды. Теперь у SpaceX есть свои клиенты и большое будущее впереди. 

Продолжение следует...