Космические скорости
Какая скорость нужна, чтобы выйти на орбиту Земли, покинуть планету и Солнечную систему. Как считают космические скорости и как гравитационные манёвры экономят топливо.
Чтобы ракета не упала обратно, а осталась на орбите или улетела совсем, она должна набрать вполне определённую скорость. Эти значения называют космическими скоростями. Они зависят от массы и размера планеты, у которой аппарат стартует.
Первая космическая скорость
Спутник на орбите непрерывно падает к Земле, но движется вбок так быстро, что поверхность всё время «уходит из-под него». Нужная для этого скорость у самой поверхности Земли — около 7,9 км/с. На высоте 400 км, где летает МКС, она чуть меньше, 7,7 км/с, а период обращения — около 92 минут. Формула: v₁ = √(G·M/R).
Впервые эту скорость превзошёл первый искусственный спутник Земли, запущенный 4 октября 1957 года.
Вторая космическая скорость
Чтобы покинуть Землю и никогда не вернуться, нужно около 11,2 км/с: v₂ = √2·v₁. Первым этой скорости достиг аппарат «Луна-1» в январе 1959 года. Скорость убегания у Луны — всего 2,4 км/с, у Марса — 5,0 км/с, у Юпитера — 59,5 км/с, а у поверхности Солнца — около 618 км/с.
Третья космическая скорость
Чтобы навсегда покинуть Солнечную систему, аппарату у Земли нужно около 16,7 км/с относительно Земли. Меньше, чем кажется, потому что он стартует с орбиты Земли, которая уже движется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с. Скорость в сторону движения Земли вычитается из того, что нужно набрать. Так вышли за пределы системы «Пионер-10 и -11», «Вояджеры-1 и -2», «Новые горизонты».
Почему ракета не просто разгоняется
Топливо тоже нужно разгонять, и поэтому ракеты делают многоступенчатыми. По формуле Циолковского (1903) прирост скорости зависит от скорости истечения газов и от логарифма отношения начальной массы ракеты к конечной. Для выхода на низкую орбиту с учётом потерь на сопротивление воздуха и тяготение нужен прирост скорости около 9,4 км/с.
Гравитационные манёвры
Пролетая мимо планеты, аппарат может изменить направление и скорость относительно Солнца без затрат топлива: планета отдаёт ему часть своей орбитальной энергии (а сама замедляется на ничтожную величину). Так «Вояджер-2», стартовавший в 1977 году, использовал выстроившиеся планеты-гиганты и облетел Юпитер (1979), Сатурн (1981), Уран (1986) и Нептун (1989). Европейский зонд JUICE на пути к Юпитеру проходит у Луны, Земли и Венеры, используя их притяжение вместо топлива (см. заметку о пролёте у Земли).
Об устройстве орбит — на странице «Законы Кеплера», а о том, откуда берётся сама сила, — на странице «Тяготение».