Космические скорости

• История астрономии

Почему камень падает обратно на Землю, а спутник или космическая станция остаются в небе годами? Ответ прост — всё дело в скорости. Скорость, с которой тело движется относительно планеты или звезды, определяет его дальнейшую судьбу: будет ли оно искусственным спутником, космическим путешественником вне системы или даже покинет Галактику.

Эти скорости называются космическими, и их можно разделить на четыре основные категории:

• Первая космическая скорость — чтобы выйти на орбиту;
• Вторая космическая скорость — чтобы покинуть планету;
• Третья космическая скорость — чтобы уйти из Солнечной системы;
• Четвёртая космическая скорость — чтобы выйти за пределы нашей Галактики.

Первая космическая скорость

Это минимальная скорость, при которой объект, запущенный горизонтально с поверхности планеты, не упадёт на неё, а начнёт двигаться по круговой орбите.

Для Земли:

• 7,9 км/с
• Эта скорость позволяет преодолеть силу притяжения, но не выйти за её пределы.
• При такой скорости спутник находится под действием гравитации, но движение по орбите компенсирует её.

Формула:
v1​=RGM​​,
где G — гравитационная постоянная, M — масса Земли, R — радиус планеты.

Если бы мы запустили спутник медленнее этой скорости, он не смог бы удержаться на орбите и начал бы падать обратно на Землю.

Вторая космическая скорость

Это минимальная скорость, необходимая для того, чтобы покинуть гравитационное поле планеты. Она ещё называется скоростью убегания.

Для Земли:

• 11,2 км/с
• Это позволяет объекту стать спутником Солнца, а не только Земли
• Такую скорость имеют аппараты типа «Вояджер» и «Новые Горизонты»

Формула:
v2​=R2GM​​

Интересный факт: если направить эту энергию верно, то можно добраться до других планет, используя тягу самого Солнца и гравитацию планет.

Третья космическая скорость

Это уже скорость, позволяющая покинуть всю Солнечную систему. То есть не просто оторваться от Земли, но преодолеть притяжение Солнца.

Для Земли:

• Около 16,7 км/с, если стартовать против движения планеты
• Но если использовать движение Земли вокруг Солнца, достаточно 11,2 км/с

Аппараты, достигшие третьей космической скорости:

• «Вояджер-1» и «Вояджер-2»
• «Пионер-10» и «Пионер-11»
• «Новые Горизонты»

Эти корабли теперь находятся в межзвёздном пространстве, и продолжают свой путь сквозь мрак космоса.

Четвёртая космическая скорость

Это теоретическая скорость, которая позволяет покинуть нашу галактику Млечный Путь. Для этого нужно преодолеть гравитацию всей Галактики.

Для Земли (в районе Солнца):

• Примерно 550 км/с
• Однако точное значение зависит от расстояния до центра Галактики и плотности материи в том регионе.

Центральным объектом, который создаёт большую часть гравитационного поля Галактики, является чёрная дыра Стрелец A. И чем ближе к ней, тем выше должна быть четвёртая космическая скорость.

Современные технологии пока не позволяют достичь таких скоростей, поэтому никакой земной аппарат не покидал Галактику.

Пятая космическая скорость

Хотя это понятие используется редко, оно тоже существует. Пятая космическая скорость — это скорость, нужная для того, чтобы добраться до другой планеты вне зависимости от ориентации её орбиты.

Например:

• Чтобы отправить аппарат к планете, лежащей под прямым углом к плоскости эклиптики, нужна пятая космическая скорость.
• Для Земли она составляет 43,6 км/с, чтобы выйти на перпендикулярную траекторию.

Как эти скорости зависят от высоты?

Космические скорости не постоянны. Они меняются в зависимости от:

• Расстояния до центра планеты или звезды
• Массы объекта
• Гравитационного влияния других тел

Поэтому:

• На высоте 300–400 км (где летает МКС), первая космическая скорость чуть ниже — около 7,7 км/с
• На высоте геостационарной орбиты (36 000 км) — всего 3 км/с

Почему важны космические скорости?

Они определяют:

• Возможность вывода спутников на орбиту
• Скорость, нужная для высадки на Луну или Марс
• Необходимый разгон для межзвёздных перелётов
• Условия, при которых объект может быть удержан или потерян.

Без знания этих параметров невозможны ни современные, ни будущие миссии. Именно благодаря этим скоростям люди могут:

• Создавать орбитальные станции
• Отправлять роботов к другим планетам
• Разрабатывать проекты звездолётов будущего

Интересные факты

• Луна имеет первую космическую скорость около 1,7 км/с, вторую — 2,4 км/с
• Юпитер — самая массивная планета, его вторая космическая скорость — 59,5 км/с
• Солнце требует 617,7 км/с, чтобы покинуть его окрестности
• Земля сама по себе движется вокруг Солнца со скоростью 29,8 км/с
• Скорость Солнца в Галактике — 250 км/с, что намного больше, чем любая из космических скоростей для Земли