Управление реактивным кораблем | ТМ 1939-07/08

Я. ПЕРЕЛЬМАН

Распространено убеждение, что в бездушном пространстве нельзя управлять ракетным кораблём-звездолётом. У водителя такого корабля не может быть никаких средств изменить его курс и заставить повернуться в желаемом направлении. Свободное тело будто бы не может изменить своё положение в пространстве действием одних лишь внутренних сил. Мнение это основано на недостаточном знакомстве с теоретической механикой. Заставить ракетный звездолёт повернуться в пространстве вполне возможно. Как сделать такой поворот, подсказывает теория.

Чтобы в этом вопросе разобраться, нам понадобятся кое-какие простейшие сведения о теоретической механики.

Рассмотрим прежде всего, под действием каких сил свободное тело вообще начинает вращаться. Теория учит, что для приведения свободного тела во вращение на него должны действовать две равные силы — $F$ и $F^{\prime }$, направленные параллельно, но в противоположные стороны. Такие силы не могут быть заменены никакой одной силой и называются в совокупности «парою сил». Итак, пара сил, действуя на свободное тело, заставляет его вращаться вокруг некоторой оси. Как проходит эта ось? Незнакомым с механикой кажется естественным, чтобы ось вращения проходила как бы посредине между точками $A$ и $B$, в которых приложены силы пары (рис. 1). Теория, однако, учит другому: как бы ни была приложена к свободному телу пара сил, ось вращения всегда проходит через центр тяжести тела; это происходит даже в том случае, когда обе силы пары приложены по одну сторону от центра тяжести тела (рис. 2). В теоретической механике утверждение это доказывается вполне строго; мы же ограничимся здесь лишь указанием на то, что две равные противоположно направленные силы не могут вызвать перемещения центра тяжести свободного тела; так что ось вращения должна проходить именно через эту точку.

Рис. 1. Две равные силы, $F$ и $F^{\prime }$, направленные параллельно и в разные стороны, заставляют вращаться тело вокруг некоторой оси.

Рис. 2. Ось вращения всегда проходит через центр тяжести тела, даже в том случае, когда обе силы пары приложены по одну сторону от центра тяжести.

Что же происходит со свободным телом, на которое действует не пара сил, а только одна сила? Если направление этой силы пройдёт через центр тяжести тела, то тело, естественно, будет двигаться вперёд по направлению силы, не вращаясь. Но что получится, когда направление этой одной силы не пройдёт через центр тяжести тела? Этот случай заслуживает особого рассмотрения.

Пусть, например, имеется свободное тело, к которому приложена сила $F$ и направление её не проходит через центр тяжести тела (рис. 3). Чтобы узнать, как при таких условиях будет двигаться тело, мысленно приложим в центре тяжести две силы — $P$ и $Q$, противоположно направленные, но равные и параллельные. Совместное действие двух добавленных сил, конечно, равно нулю: они уравновешивают друг друга. Присоединение их к силе $F$ нисколько не нарушает её действия, зато помогает нам понять, что должно произойти с телом под действием силы $F$.

Рис. 3. Под действием силы $F$, направленной мимо центра тяжести, свободное тело будет двигаться вперед и одновременно вращаться вокруг оси.

В самом деле, из трёх сил — $F$, $P$ и $Q$, действующих сейчас на тело, две силы — $F$ и $P$ — можно рассматривать как пару сил. Пара эта заставит тело вращаться вокруг оси, проходящей через его центр тяжести. Третья же сила — $Q$, приложенная к центру тяжести тела, будет двигать его вперёд. Значит, под действием силы, направленной мимо центра тяжести, тело должно совершить одновременно два движения: перемещаться вперёд и вращаться вокруг центра тяжести.

Теперь мы достаточно вооружены теорией, чтобы решить поставленную задачу о повороте ракеты в мировом пространстве.

Для поворота ракеты достаточно пустить поток отбрасываемых газов так, чтобы направление силы отдачи не проходило через центр тяжести корабля. Добиться же этого можно различными способами. Можно устроить руль в потоке вытекающих газов, как предлагал ещё Циолковский, либо менять положение сопла в корпусе ракеты, либо же пользоваться для поворота вспомогательным боковым соплом. Какой из этих способов практически наиболее удобен и выгоден, разбирать здесь не станем. Для нас важно лишь установить, что пути к разрешению задачи управления ракетой существуют и они подсказываются теоретической механикой.

Таким образом, ракетный корабль будет приходить во вращение довольно легко. Затруднительным окажется скорее избегнуть вращательных движений, чем добиться их. Достаточно ничтожного отклонения силы тяги от прямой, проходящей через ось симметрии корпуса ракеты, чтобы началось вращение звездолёта. Пилот должен будет постоянно бороться с этим нежелательным вращением, которое, разумеется, будет мешать кораблю держаться определённого курса. И здесь опять-таки теория помогает бороться с уклонениями от курса. Какими способами? Пилот может перемещать грузы на корабле и тем изменять положение центра тяжести внутри корпуса звездолёта; или он может вызвать обратное вращение, уничтожающее нежелательное.