О. Деревенский - Бирюльки и фитюльки всемирного тяготения

«Как это – только планетарное? – развеселятся физики. – Даже школьники знают про океанские приливы на Земле. Они ведь происходят из-за притяжения воды к Солнцу и Луне, не так ли?» Вот именно, что не так. Бедные обманутые школьники! Мы к этому вернёмся. А пока ещё раз подчеркнём, что области действия тяготения Солнца и планет разграничены. Планетарные сферы тяготения перемещаются внутри солнечной сферы тяготения – из-за своего орбитального движения в Солнечной системе. Но там, где оказывается планетарная сфера тяготения, солнечное тяготение отключается. Кроме того, радиусы орбит планет таковы, что исключено хотя бы частичное перекрывание сфер тяготения соседних планет. В результате выходит, что, где бы ни находилось маленькое пробное тело, оно везде притягивается только к одному «силовому центру» – к планетарному или к солнечному. (Нам известно исключение из этого правила – в окрестностях Луны. Впрочем, у Луны нет ни одного «нормального» свойства, все её свойства аномальны; мы к ней ещё вернёмся).

В том, что маленькое пробное тело почти везде притягивается только к одному «силовому центру», есть немалый смысл. Такая организация тяготения, по сравнению с организацией по закону всемирного тяготения, не только кардинально упрощает мироустройство, но и обеспечивает нормальные условия для работы закона сохранения энергии при свободном падении. Дело вот в чём. Физические законы потому и являются законами, а не произволом, что каждый предписанный ими вариант протекания физического процесса – если уж он стартовал – протекает однозначно, что бы там ни говорили разные кривые и косые наблюдатели. В особенности эта однозначность характерна для превращений энергии, происходящих при том или ином физическом процессе. Так вот: при вертикальном свободном падении, малое пробное тело движется с ускорением, а, значит, его кинетическая энергия изменяется. Какова же истинная-однозначная скорость пробного тела, квадрат которой определяет его истинную-однозначную кинетическую энергию? Если бы пробное тело притягивалось и, соответственно, ускорялось сразу к нескольким «силовым центрам», то о его истинной-однозначной скорости не было бы и речи. Но, при разграниченных областях действия тяготения, проблема легко решается. В пределах планетарной сферы тяготения, истинной-однозначной является скорость в планетоцентрической системе отсчёта, а вне планетарных сфер тяготения, в межпланетном пространстве – скорость в гелиоцентрической системе отсчёта. Планетарные сферы тяготения движутся вокруг Солнца с космическими скоростями, и, при пересечении пробным телом границы планетарной сферы тяготения, происходит соответствующий скачок его истинной-однозначной скорости.

О том, что всё это – чистая правда, свидетельствует хотя бы практика межпланетных полётов. При управлении космическим аппаратом, понятие его истинной-однозначной скорости является исключительно важным. Именно её нужно знать, чтобы правильно рассчитывать траекторию и правильно выполнять манёвры, когда ключевым является вопрос о тяге двигателей и расходе топлива. Пока космические аппараты летали в околоземном пространстве, их траектории и манёвры отлично рассчитывались в геоцентрической системе отсчёта. Но при межпланетных полётах ситуация усложнилась. При вылете за границу земной сферы тяготения, ГЕЛИОцентрическая скорость аппарата, с которой он начинает движение по области солнечного тяготения, отнюдь не равна той ГЕОцентрической скорости, с которой он подлетал к границе изнутри. Пока аппарат находится вне планетарных сфер тяготения, превращения энергии при его полёте происходят в однозначном соответствии с его движением в гелиоцентрической системе отсчёта. Чтобы правильно рассчитать корректирующие манёвры на этом участке полёта, нужно знать именно гелиоцентрическую картину движения аппарата. Но, как только аппарат влетает в сферу тяготения планеты-цели, его дальнейшее движение определяется тяготением лишь в направлении к центру этой сферы, а истинной-однозначной становится его скорость в планетоцентрической системе отсчёта.

Вот и выходит, что для правильного расчёта межпланетного полёта следует использовать аж три различные системы отсчёта. Именно так оно и делается. Специалисты, которые это делают, приговаривают: «Делаем так, потому что так удобнее». Это – шутка из разряда «делаем, как удобнее, потому что по-другому не получается». Как же ему получаться по-другому, если быстрое изменение истинной-однозначной скорости аппарата при перелёте через границу сферы тяготения – это реальный физический эффект? Если с ним не считаться, он может доставить массу острых ощущений руководителям полёта – как это и было на заре межпланетной космонавтики. Тут надо ещё добавить, что с каждой сферой тяготения связана собственная система отсчёта, в которой скорость света ведёт себя как фундаментальная константа. При пересечении границы сферы тяготения, координатная привязка для скорости света переключается – как и для истинной-однозначной скорости тела. В итоге, если излучатель радиоволн находится в одной сфере тяготения, а приёмник – в другой, то эффект Допплера зависит не от относительной скорости излучателя и приёмника, а от истинных-однозначных скоростей того и другого. А теперь представьте одну из тех межпланетных станций, которым судьба улыбнулась: ни одна разгонная ступень под ней не взорвалась, бортовые системы не дали отказов, на траекторию межпланетного полёта её вывели удачно, корректирующие манёвры выполнили правильно… В общем, добралась она до сферы тяготения Венеры или Марса и влетела в неё. Из-за скачка истинной-однозначной скорости станции произойдёт соответствующий скачок допплеровского сдвига при радиосвязи с ней. Если не компенсировать этот скачок, связь со станцией прервётся. Трудно поверить, но по этому сценарию был обидно потерян целый ряд советских и американских межпланетных станций. Доходило до того, что, в очередное благоприятное для запуска «окно», одинаковые аппараты с одинаковой программой запускали пачками, один за другим вдогонку – в надежде на то, что хотя бы один удастся довести до победного конца. Но – куда там! Причина, обрывавшая связь на подлёте к планетам, поблажек не давала. Конечно, об этом помалкивали. Публике-дуре сообщалось, что станция прошла на расстоянии, скажем, 120 тысяч километров от планеты. Тон этих сообщений был таким бодрым, что невольно думалось: «Пристреливаются ребята! Сто двадцать тысяч – это неплохо. Могла бы ведь и на трёхстах тысячах пройти! Даёшь новые, более точные запуски!» Никто и не догадывался о накале драматизма – о том, что учёные мужи чего-то там в упор не понимали. А ведь не понимали: когда скачок допплеровского сдвига случайно обнаружился, это повергло руководителей полёта в очень сильное недоумение. В себя они пришли после того, как сообразили – чёрт с ним, с недоумением, зато теперь ясно, как восстанавливать пропадающую связь! Если бы не эта сообразительность – не видать бы нам выдающихся достижений межпланетной космонавтики.