Где начинается космос

"Линия Кармана" или неуловимая граница космоса

Полетом ученые считают любое перемещение тела в газообразной среде или вакууме. Даже подпрыгивая на месте, формально вы совершаете полет. Но где атмосферный (воздушный) полет переходит в космический? По-видимому там, где кончается атмосфера. И тут начинаются горячие споры...

Впервые дискуссия о том, где заканчивается воздушное пространство, принадлежащее конкретным государствам, и начинается космос, доступный для всего международного сообщества, развернулась во второй половине 1950-х в связи с предстоящим запуском искусственных спутников. Совершая полёт в космосе, последние не должны были подвергаться угрозе со стороны недружественных стран, способных «реализовать свои суверенные права и принять законные контрмеры в связи с международно-противоправным деянием, заключающемся в факте нарушения их государственных границ».

НаукаАстрофизики рассчитали вероятность существования внеземного разума

НаукаНа «близких» расстояниях теория относительности Эйнштейна перестает работать

Тогда возникла юридическая коллизия: как определить порог атмосферы? Где он находится? Вспомнили про условную линию, названную именем Теодора фон Кармана – американского учёного в области физики и механики, одного из основоположников ракетостроения, сверхзвуковой авиации и космонавтики. Он рассчитал высоту, на которой атмосфера становится настолько разрежённой, что летательный аппарат с аэродинамическими поверхностями (крыльями, хвостовым оперением) сможет удерживаться в состоянии полета за счёт подъёмной силы лишь развивая скорость выше первой космической, и наоборот – ниже этой высоты аппарат без несущих плоскостей не сможет совершать полёт, даже обладая первой космической скоростью, поскольку за счёт аэродинамического торможения неизбежно «зароется» в атмосферу и упадёт.

Казалось, именно на «линии Кармана» земная воздушная оболочка переходит в космическое пространство. Эта невидимая граница на высоте примерно 100 километров над поверхностью Земли устроила почти всех. Её даже официально признала Международная авиационная федерация (FAI): примерно в 1960 году она решила установить границу космоса именно на высоте 100 километров, и сделано это было просто для фиксации рекордов – то есть, любой полёт на большей высоте стал считаться космическим. Но тут в дело вмешалась политика, поскольку первенство в космических полетах пришлось бы отдать... германским нацистам. Ракета А-4 («Фау-2») с бортовым номером MW 18014, запущенная 20 июня 1944 года с армейского испытательного полигона в Пенемюнде, поднялась на высоту 176 (по другим данным 188) километров.

Тем не менее, у 100-километровой границы космоса оставалось множество сторонников. С предложением об официальном признании высоты в 100 километров границей начала безвоздушного пространства в 1962 году выступили члены комитета ООН по мирному использованию космоса. Однако прийти к единому мнению по этому вопросу не удалось: американские военные посчитали, что документы FAI (по их мнению, это лишь одна из многих спортивных организаций, да ещё и со штаб-квартирой в какой-то Лозанне) не указ, и самостоятельно определили предельную высоту атмосферы в 82 километра, где «давление на крыло летательного аппарата составляет 1 фунт на 1 квадратный фут». Интересно, для какой скорости верно это утверждение?

В настоящее время прочертить "космическую линию" ещё труднее, чем шестьдесят лет назад. Находятся люди, которые вообще считают, что лимита нет, и все мы живём в космосе: ведь Земля несётся по своей орбите вокруг Солнца – в космосе. А само наше светило вместе со своими планетами – также в космосе – обращается вокруг центра Галактики. Но этот подход скорее, философский, а не технический.

Для многих ученых и инженеров граница космоса, определяемая высотой над поверхностью Земли, вообще не имеет никакого значения.

Многие специалисты сегодня не признают космонавтами ни американца Алана Шепарда, достигшего на своем корабле 5 мая 1961 года в суборбитальном прыжке высоты свыше 180 км, ни тем более восьмерых пилотов-испытателей экспериментального гиперзвукового ракетоплана Х-15, которым ВВС США в 1960-х выдали почётный знак «крылья астронавтов» за полет на высоту свыше 80,5 км.

"Суборбитальщики" понизили границу космоса

Тем не менее, споры не утихают. Сторонники "линии Кармана" предъявляют свой главный аргумент: 6 декабря 1958 года с космодрома на мысе Канаверал стартовал автоматический лунный зонд Pioneer-3. Мало того, что при запуске он сильно превысил первую космическую скорость и недобрал совсем чуть-чуть до второй, так он поднялся до высоты более 100 тысяч километров! Луны зонд не достиг, на замкнутую орбиту не вышел, то есть совершил банальный суборбитальный полёт, который по критериям «орбитальщиков» космическим не являлся. Но, позвольте: этот «недополёт» длился больше суток! С точки зрения здравого смысла – это полноценный, хотя и специфический, космический полёт, но, как видим, не все с этим согласны.

Предположим, нам удалось изготовить маленькую стрелку из какого-либо очень плотного материала – например, платины, иридия или осмия – и придать ей горизонтальную скорость, соответствующую первой космической, но на высоте ниже «линии Кармана» (скажем, 90-95 километров). В теории она сможет совершить один виток вокруг Земли (или даже больше). Но каким будет этот полет – аэродинамическим или космическим? Атмосфера затормозит стрелку не сразу.

Жаркие дебаты ограничивались профильными интернет-площадками, пока в 2021 году в США не начались первые коммерческие полёты на суборбитальных кораблях New Shepard (компании Blue Origin) и SpaceShipTwo (Virgin Galactic). Первая транспортная система представлена одноступенчатой многоразовой ракетой, а вторая – связкой сверхзвукового ракетоплана и дозвукового самолёта-носителя. И если New Shepard систематически преодолевал "линию Кармана", то SpaceShipTwo не дотягивал и до высоты в 90 км. Но при этом клиенты Virgin Galactic на несколько минут оказывались в невесомости. Разбиравшаяся в вопросе публика вдруг поняла, что с "линией Кармана" её «надули». Расчёты аэродинамики уточнили и  оказалось, что граница космоса располагается на высоте чуть ниже 84 километров над поверхностью Земли. Вот за эту границу и «прыгают» пассажиры SpaceShipTwo. То есть космотуристов надо признавать космонавтами. Кстати, коммерсанты выдают им знаки отличия собственного дизайна. 

Четыре типа космических полетов

Так, где же начинается космос, и всякий ли полёт, проходящий выше уточненной "линии Кармана", является космическим? Проблема однозначного определения вожделенной границы упирается в то, что газовая оболочка Земли не очерчена чётко – её следы простираются на тысячи километров от поверхности. Даже пилотируемые корабли и орбитальные станции, а также многие спутники с формальной точки зрения совершают полёт в термосфере – слое атмосферы, простирающемся с высоты 80-90 до примерно 700 километров. Однако сопротивление здесь уже ничтожно мало, и многовитковый орбитальный полёт способны совершать не только стрелы из платины или осмия.

Попробуем предложить своё видение проблемы границы космоса. Очевидно, что космическим полётом можно назвать движение искусственного тела, происходящее, как ни банально это звучит, в космосе – то есть в среде, имеющей заметные отличия от земной атмосферы. Это окружение характерно целым рядом факторов, воздействующих на тело. В первую очередь – это высокий вакуум, то есть очень сильно разреженная среда, в которой плотность воздуха на многие порядки меньше, чем даже на высоте 10-20 километров от поверхности Земли. Вследствие этого аэродинамический полёт здесь невозможен. Второй фактор – космические лучи, от которого уже не защищает воздушная оболочка. Третий фактор – невесомость, или, как её называют специалисты, микрогравитация. Это состояние возможно и на Земле, но очень кратковременно – секунды – всё из-за того же торможения атмосферы. В космосе невесомость может длиться от нескольких минут (для суборбитального полёта) до практически неограниченного времени (для орбитальных, межпланетных или межзвёздных полётов).

Все эти условия выполняются начиная с высот 80-100 километров над поверхностью Земли. Соответственно, полёт, совершаемый выше, может считаться космическим. Но тут к определению космического полета необходимо кое-что добавить.

1. Движение по баллистической незамкнутой траектории на высоту более 80 км уместно назвать суборбитальным космическим полётом;
2. Движение по замкнутой траектории – орбите – вокруг Земли можно считать орбитальным космическим полётом;
3. Полёт, сопряжённый с набором второй космической скорости и выходом за пределы сферы действия Земли (радиус этой сферы около 1 миллиона километров) классифицируется как межпланетный космический полёт. Путешествие на Луну или на окололунную орбиту под это определение не подходит – орбита нашего естественного спутника целиком лежит в сфере действия Земли. Заметим, что к межпланетным можно отнести и миссии, непосредственно не связанные с достижением каких-либо планет, а выполняемые по гелиоцентрической орбите для изучения межпланетной среды, Солнца и Галактики. К этому классу относятся и полёты аппаратов, расположенных в одной из точек Лагранжа системы «Солнце-Земля» (например, космического телескопа имени Джеймса Уэбба, запущенного в 2021 году).
4. Можно также ввести определения межзвёздного космического полёта для экспедиций, выполняемых земными космическими аппаратами в межзвёздную среду или в системы других звёзд. Первыми аппаратами совершающими межзвездный полет стали американские «Вояджеры», запущенные в 1977 году.

Иными словами, космическим может считаться любой полёт, выполняемый летательным аппаратом за пределами земной атмосферы. Но главное, как всегда - в нюансах.