Космические скорости

Косми́ческие ско́рости, характерные критические скорости движения космических объектов в гравитационных полях небесных тел и их систем. Космические скорости используются для характеристики типа движения космического аппарата (КА) в сфере действия небесных тел: Солнца, Земли и Луны, других планет и их естественных спутников, а также астероидов и комет.

Первая космическая скорость $V_c$ – это минимальная начальная скорость, при достижении которой космический объект может стать искусственным спутником центрального тела. Она зависит от расстояния $r$ до центра притяжения и определяется по формуле $V_c=\sqrt{\mu/r}$, где $\mu=GM$ – т. н. гравитационный параметр, $G$ – универсальная гравитационная постоянная, $M$ – масса центрального тела. Для Земли $\mu_Е=398603\ км^3/с^2$. На поверхности Земли $V_c=7,\!9\ км/с$. Однако в реальности объект может стать спутником Земли лишь при условии, что высота его апогея в момент выхода на орбиту превышает 160 км. В противном случае аэродинамическое сопротивление воздуха слишком велико и спутник сгорает в плотных слоях земной атмосферы. Для указанной высоты $V_c$ составляет около 7,8 км/с. Это минимальная скорость, необходимая для того, чтобы космический объект стал спутником Земли. В астрономии и небесной механике $V_c$ называется также круговой скоростью, т. к. с этой скоростью происходит движение по круговой орбите в рамках задачи Кеплера (о движении двух тел, взаимодействующих согласно закону всемирного тяготения). Если скорость КА в момент вывода на орбиту превышает круговую, его орбитой будет эллипс с фокусом в центре притяжения.

Второй космической скоростью $V_p$ называется минимальная начальная скорость космического объекта, необходимая для преодоления им силы притяжения центрального тела. Величина $V_p$ зависит от расстояния $r$ до центра притяжения и определяется формулой $V_p=\sqrt{\mu/r}=\sqrt2\,V_c$. Квадрат второй космической скорости вдвое больше квадрата первой космической скорости. На поверхности Земли приближённое значение $V_p$ равно 11,2 км/с. В астрономии и небесной механике $V_p$ называют также параболической скоростью, т. к. при такой начальной скорости относительная орбита КА будет иметь форму параболы с фокусом в центре притяжения. Соответственно, КА, движущийся по этой орбите, может удалиться на бесконечно большое расстояние от центрального тела. Применительно к движению отдельных объектов в составе звёздных скоплений, скоплений и сверхскоплений галактик $V_p$ называют также скоростью освобождения, скоростью убегания и скоростью ускользания. Относительные скорости КА, меньшие параболической, называются эллиптическими, а бóльшие параболической – гиперболическими. Движение с такими начальными скоростями в рамках задачи Кеплера происходит соответственно по эллиптическим или гиперболическим орбитам.

Третья космическая скорость определяется из следующего условия: на границе сферы земного притяжения (на расстоянии около 930 тыс. км от Земли) скорость космического объекта в момент выхода на орбиту равняется параболической скорости относительно Солнца. Для этого при запуске с высоты 200 км над поверхностью Земли скорость КА должна составлять около 16,6 км/с. КА, начальная скорость которого не меньше третьей космической скорости, в состоянии преодолеть притяжение Солнца и навсегда покинуть пределы Солнечной системы. Только на космических кораблях, которым доступны такие скорости, принципиально могут быть осуществлены пилотируемые межзвёздные перелёты к планетным системам других звёзд.

Космические скорости могут быть рассчитаны для любого удаления от центра Земли. В космонавтике часто используются величины, рассчитанные для поверхности шаровой однородной модели Земли радиусом 6371 км. В этом случае каждая космическая скорость имеет единственное значение: первая космическая скорость равна 7,910 км/с, вторая – 11,186 км/с, третья – 16,67 км/с.