Искусственное создание невесомости

Проблемы невесомости, этого непременного спутника любого космического полета, в значительной степени получили освещение в результате исторических полетов первых советских космонавтов Ю. А. Гагарина и Г. С. Титова. В земных условиях возможно проведение ряда экспериментов по исследованию невесомости с помощью обыкновенного самолета. Чем больше скорость полета самолета, тем в течение более длительного времени сможет наблдаться состояние невесомости.

Если регулировкой тяги двигателя уравновесить сопротивление самолета, а угол атаки уменьшить до такой степени, чтобы подъемная сила самолета стала равной нулю, наступит состояние невесомости. Движение самолета будет подобно движению тела в пустоте и определится только силой тяжести. Вертикальная скорость движения самолета будет изменяться на 9,81 м/сек за каждую секунду, поэтому чтобы увеличить продолжительность такого полета, начинать его надо, разогнав самолет и направив его вверх. Как известно, движение тела, определяемое только силой тяжести, происходит по параболе. Если учитывать кривизну земной поверхности и изменение силы тяжести с высотой, эта траектория будет эллиптической.

Итак, если, выйдя на крутой набор высоты в точке а (рис. 69), уравновесить сопротивление самолета тягой двигателя и соответствующим движением руля высоты устранить подъемную силу, наступит состояние невесомости, и самолет будет двигаться, как брошенное в пустоте тело. Невесомость будет продолжаться до тех пор, пока самолет не вернется на исходную высоту (точка б). Падать ниже (это именно падение, а не полет) нецелесообразно из-за возможного чрезмерного увеличения скорости.

Рис. 69. Схема полета самолета в состоянии невесомости: а — вход в режим невесомости; б — выход из режима невесомости

Продолжительность состояния невесомости легко вывести из следующих соображений. Если скорость самолета в точке а (рис. 69) будет V, то вертикальная составляющая скорости V_y—V sin θ. До вершины параболы подъем самолета будет продолжаться в течении времени

Такое же время уйдет и на спуск до точки б. Таким образом, состояние невесомости будет продолжаться в течение времени

Судя по этой формуле, с увеличением угла 0 состояние невесомости по времени должно увеличиваться. По при очень крутом подъеме произойдет нежелательное понижение скорости, кроме того, на вершине траектории произойдет слишком быстрый поворот самолета, при котором будет трудно выдержать условие Y = 0 и P = Q.

Оптимальный начальный угол подъема нужно ожидать в пределах 45—65°. Приняв 0 = 55°, получим

Задаваясь разными скоростями, получим значения продолжительности искусственно создаваемой невесомости в зависимости от скорости полета самолета (табл. 7).

Во избежание нарушения состояния невесомости следует использовать специальный автопилот, сохраняющий подъемную силу самолета, равную пулю, и регулирующий тягу двигателя так, чтобы она была точно равна сопротивлению самолета.

Еще большую продолжительность сохранения состояния невесомости можно получить, посылая ракету в верхние слои атмосферы. Этот вариант осуществить легче, чем выполнение полета на корабле-спутнике, так как средства возвращения на Землю (например, специальные парашюты) можно включить в любой момент на нисходящей ветви траектории, пока скорость падения не станет чрезмерно большой.

Так, учитывая сопротивление среды коэффициентом 0,9 и при вертикальном старте получим

При конечной скорости ракеты на активном участке, равной 2000, 3000 и 5000 м/сек, получим продолжительность состояния невесомости соответственно 6, 9 и 15 мин.