Почему «Спутник-1» не падал на Землю

Первоначальная орбита «Спутника-1» была не круговой, а вытянутой: ближайшая к Земле точка находилась примерно в 228 км от поверхности, дальняя — около 947 км. Один оборот занимал чуть больше 96 минут.

Еще Ньютон объяснял орбитальное движение мысленным экспериментом с пушкой на очень высокой горе. Если выстрелить горизонтально с небольшой скоростью, ядро довольно быстро упадет на поверхность. Увеличим скорость — оно улетит дальше. Еще увеличим — место падения окажется за горизонтом. А теперь представим, что атмосферы нет, гора достаточно высокая, а скорость настолько велика, что за время падения Земля успевает «закруглиться» вниз ровно настолько, насколько опускается снаряд. Он продолжает падать, но до поверхности так и не добирается. Получается орбита.

Для низких околоземных орбит характерная скорость находится в районе 7,8 км/с. Поэтому сообщение 1957 года о том, что ракета сообщила спутнику скорость около 8000 м/с, было не просто впечатляющей технической цифрой. Именно горизонтальная скорость отличала спутник от очень высоко подброшенного предмета. Если бы скорость оказалась заметно меньше, траектория пересекла бы поверхность Земли. Если намного больше — орбита стала бы другой, а при достижении второй космической скорости аппарат вообще смог бы покинуть окрестности планеты. Гравитация при этом никуда не исчезает. На высоте нескольких сотен километров она лишь немного слабее, чем у поверхности Земли.

Спутник удерживает на орбите не отсутствие притяжения, а именно его сочетание с большой поперечной скоростью.

Идеальный спутник в идеальном вакууме мог бы обращаться вокруг Земли очень долго, однако даже на высоте в несколько сотен километров пространство не совершенно пустое: там остаются крайне разреженные частицы атмосферы. Каждое столкновение отнимает у аппарата ничтожную долю энергии. Постепенно скорость и высота орбиты уменьшаются, сопротивление атмосферы становится сильнее, процесс ускоряется, поэтому орбита «Спутника-1» медленно снижалась.

Облик «Спутника-1» сегодня кажется почти символическим: блестящий шар и четыре длинных «уса». Но форма была не только дизайнерским решением. Корпус диаметром около 58 см состоял из двух герметично соединенных алюминиевых полусфер. Внутри находился азот под давлением около 1,3 атмосферы, аккумуляторы, два радиопередатчика, система терморегуляции, вентилятор и датчики температуры и давления. Сферическую форму выбрали в том числе потому, что она была удобна для одной из научных задач миссии — оценки плотности верхней атмосферы по тому, как постепенно менялась орбита аппарата.

Для таких расчетов особенно полезен объект с простой и хорошо определяемой геометрией. Именно требование сделать корпус сферическим было прямо записано среди принципов проектирования «Спутника-1». Имело значение и тепловое поведение поверхности: Сергей Королев настолько внимательно относился к качеству обработки металлической сферы, что современники вспоминали его споры с производством из-за состояния поверхности, от которого зависел тепловой режим аппарата.

Из сферы выходили четыре стержневые антенны: две длиной около 2,4 метра и две — около 2,9 м. Они были нужны не для того, чтобы спутник выглядел узнаваемо: в космосе аппарат не мог постоянно держать определенную сторону повернутой к наземной станции, поэтому система антенн проектировалась так, чтобы вращение спутника как можно меньше влияло на принимаемый сигнал.

Это требование также было задано разработчикам заранее: изменение ориентации аппарата не должно было приводить к исчезновению его радиоимпульсов. Именно поэтому четыре длинных элемента формировали диаграмму излучения, позволявшую передавать сигнал практически во всех направлениях. Для первого спутника это было критически важно: сложной системы ориентации на борту не было, а услышать его должны были наземные станции независимо от того, как металлический шар повернулся в полете.

На борту находились два радиопередатчика, работавшие на частотах 20,005 и 40,002 МГц. Они попеременно посылали короткие импульсы продолжительностью примерно от 0,2 до 0,6 секунды — тот самый сигнал, который вошел в историю как «бип-бип». Но передатчики были нужны не только для того, чтобы сообщить всему миру: «мы действительно запустили спутник». По радиосигналам аппарат можно было отслеживать с Земли и уточнять его движение.

Наблюдая, как две частоты проходят через ионосферу, ученые получали информацию о распространении радиоволн в верхних слоях атмосферы, а параметры импульсов несли данные о температуре и давлении внутри герметичного корпуса — то есть позволяли понять, нормально ли чувствует себя аппарат и сохраняет ли он герметичность. Самый первый спутник поэтому был гораздо интереснее простого металлического шара с радиомаяком. Даже его простота была инженерной: минимум систем, каждая из которых решала сразу несколько задач.

Чтобы понять полет «Спутника-1», не обязательно начинать со сложных формул. За ним стоят явления, с которыми мы сталкиваемся постоянно: инерция, падение тела под действием гравитации, сопротивление среды, давление газа, распространение радиоволн.

Точно так же базовую физику можно разбирать не только по учебнику, а через наблюдаемый эксперимент. На фестивале WOW! HOW? «Как увидеть невидимое», который пройдет 17 октября в Московском дворце пионеров, привычные физические процессы специально переводят в форму, которую можно увидеть или измерить. На девяти мастер-классах гости будут работать с вакуумом, инфракрасным излучением, светом в различных диапазонах, а в мини-шоу звук заставят создавать видимые геометрические узоры.

В большом шоу «Видимо-невидимо: наука за пределами наших чувств» с помощью камер, лазеров, ультрафиолета и других приборов становятся заметными воздушные потоки, волны, поля и свет за пределами видимого диапазона. Это, по сути, тот же прием, который позволяет разобраться со «Спутником-1»: то, что сначала кажется абстрактным — давление, волна, сопротивление среды или движение под действием силы, — становится понятнее, когда его удается наблюдать в эксперименте.

А главный парадокс первого спутника после этого перестает быть парадоксом. 4 октября 1957 года человечество не придумало способ победить земное притяжение. Наоборот, инженеры научились использовать его. «Спутник-1» оставался в космосе именно потому, что Земля непрерывно тянула его к себе — а ракета успела разогнать аппарат настолько, чтобы это падение превратилось в орбиту.