19. Пилотирование космических кораблей
Встреча, стыковка, как избавиться от космического мусора
Летать на самолете – совсем другое дело, чем летать на космическом корабле. Я был пилотом реактивного самолета на протяжении двадцати пяти лет до того, как впервые полетел в космос. Поэтому смело можно было сказать, что у меня за спиной был большой багаж, от которого мне предстояло избавиться, или, попросту говоря, переучиться. То, что заставляет вас идти быстрее, медленнее, вверх или вниз по орбите, совершенно отличается от полета на самолете в атмосфере. Вам следует забыть, как вы учились летать на реактивных самолетах, если хотите стать хорошим пилотом космического корабля.
Прежде чем мы углубимся в специфические особенности полетов на ракетах, приведу краткое руководство по летательным аппаратам в атмосфере Земли. У каждого самолета есть дроссель и ручка управления, или штурвал. Управлять дросселем настолько просто, что даже пилот не может ничего напутать. Если вы двигаете его вперед, вы идете быстрее. Потяните назад, и ваша скорость уменьшится. Ручка управления, или штурвал, если вам не повезло и вы не на истребителе, позволяет управлять наклоном самолета вверх (деревья становятся меньше) или вниз (деревья становятся больше), а также поворачивать влево или вправо. Если вы хотите повернуть самолет влево или вправо, вы нажимаете на педали руля. Довольно просто. Теперь вы знаете достаточно, чтобы брать частные уроки по пилотированию самолета. Но полет в космосе может быть совершенно нелогичным.
Все начинается с орбитальной механики. Как летчик-истребитель я говорил, что «Исаак Ньютон отвечает за все» при описании чего-то в свободном падении, без приложения силы, отдавая дань уважения его знаменитому уравнению F = m × a. Это в значительной степени характеризует то, как объекты ведут себя в космосе. Первое большое отличие состоит в том, что по орбите вы движетесь с огромной скоростью, что оказывает значительное воздействие на вашу способность сделать малейший поворот влево или вправо. Совершение поворота требует сильного изменения скорости, или delta-v, для этого нужно соответствующее количество ракетного топлива и бак большего объема, что в итоге потребует гораздо больших финансовых затрат. Ученый-ракетчик посчитал бы, что движение влево или вправо является изменением положения самолета, или изменением наклона, которое является вашим курсом при пересечении экватора. Космический корабль, непрерывно летящий над экватором, имеет наклон 0 градусов, однако орбита МКС имеет наклон 51,6 градуса, поэтому станция пересекает экватор на 51,6 градуса к северу или югу, двигаясь с востока. Ваш наклон также равен вашей максимальной широте, поэтому МКС находится на 51,6 градусе северной или южной широты через 22 минуты после своего пересечения экватора. Через 22 минуты станция снова его пересечет. Поскольку у ракет очень ограниченная способность изменять наклон, они в основном придерживались того, что был задан при запуске. Поэтому, если в ближайшем будущем вы собираетесь полететь на ракете, следует удостовериться, что она будет запущена по правильному курсу, потому что впоследствии вы не сможете внести существенные изменения, чтобы отклониться вправо или влево.
Следующее фундаментальное отличие состоит в том, что на высоких орбитах спутники движутся медленнее, чем на более низких. В отличие от самолета, где перевод дроссельной ручки в положение «вперед» заставляет вас лететь быстрее, ускорение космического корабля в первую очередь ускоряет вас, что заставляет вас подниматься, а затем замедляет вас. Нелогично, но происходит именно так. Таким же образом, если вы хотите опуститься на более низкую орбиту, вам придется увеличить скорость. Давайте посмотрим, как это происходит в действительности. Если вы хотите приблизиться к предмету, движущемуся по орбите впереди вас, сначала замедлите движение. Вы будете снижаться, больше ничего не предпринимая, и это ускорит вас, и вы начнете приближаться к своей цели. Этот принцип можно наблюдать на орбитах планет. Меркурию для полного оборота вокруг Солнца нужно 88 дней, в то время как Плутону (я сторонник старой школы, в которой меня учили, что Плутон – это планета!) требуется 248 дней, потому что Плутон находится на более высокой орбите и гораздо дальше от Солнца.
Практическое применение этого принципа можно увидеть на примере геостационарных спутников. Они находятся очень высоко – более чем на 35 000 километров от Земли, и им требуется 24 часа, чтобы совершить один оборот по орбите. Более того, если один из этих спутников имеет угол наклона 0 градусов, он будет вращаться непосредственно над экватором. Таким образом, спутник на высоте 35 000 километров останется в одном и том же положении над Землей, что удобно для спутникового телевидения. Вы сможете направить свою антенну в одну сторону, и спутник всегда будет там.
У нас была очень неожиданная, но наглядная демонстрация этого принципа во время 43 экспедиции. Моя напарница Саманта Кристофоретти ставила личный эксперимент для ее друга-физика, который исследовал поведение частиц при нулевой гравитации. Он хотел увидеть, как облака частиц взаимодействуют друг с другом в невесомости, что могло бы продемонстрировать, как сформировались планеты солнечные системы. Для этого эксперимента Саманта соорудила очень сложное устройство – прозрачный пластиковый шар, наполненный мятными конфетами и M&M, чтобы сымитировать первобытную солнечную систему. Она встряхивала шар и делала видеозапись находящихся внутри него маленьких объектов, которые отскакивали друг от друга в произвольных направлениях. Через несколько дней мы заметили, что все конфеты лежат кучкой на одной стороне шара, что не имело смысла; мы интуитивно ожидали, что они продолжат подпрыгивать, хаотично двигаясь.
Мы, не зная об этом, наблюдали демонстрацию того, что все вещи на МКС находятся на нескольких разных орбитах, хотя бы на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга. А объекты, вращающиеся на разных высотах, должны двигаться с разными скоростями. Однако поскольку конфета в верхней части шара находилась на более высокой орбите, чем центр тяжести МКС, хотя бы на несколько десятков сантиметров, она должна была двигаться немного медленнее, чем остальная часть станции. Поскольку она двигалась быстрее, чем хотелось, она попыталась подняться, что заставило ее переместиться ближе к вершине шара, над центром станции. Это было совершенно неожиданно и привело в восторг весь экипаж. Я взял этот шар и провел эксперимент в разных модулях, и в каждом случае M&M отлетали от центра станции, стабилизировавшись всего через несколько минут. Это была демонстрация эффекта, известного как градиент силы тяжести, который приводит к тому, что космический корабль во время сближения естественным образом опускается ниже своей цели и также заставляет удлиненные предметы естественным образом подниматься и опускаться в невесомости, своей длинной осью указывая в сторону Земли. Это был неожиданный, но очень увлекательный урок физики, спасибо сэру Исааку Ньютону!
Как пилоту космического шаттла мне потребовалось некоторое время, чтобы освоить основные принципы, но через некоторое время они стали моей второй натурой. Во время сближения «Индевора» с МКС мне было поручено выполнить несколько небольших маневров, чтобы сжечь топливо в оставшиеся часы перед нашей стыковкой. Эти незначительные уточняющие исправления курса помогли нам подойти к станции по точной заранее заданной траектории позади нее, так что в конечном счете мы оказались прямо под МКС. В этот момент наш командир Джордж Замка взял на себя ручное управление подходом к станции: он облетел ее и подошел к передней части, затем медленно задним ходом приблизился к ней, и мы аккуратно пристыковались к передней части МКС.
