Дальнейший орбитальный полет (неважно — в течение одного ли витка, нескольких суток, месяцев или лет) происходит уже без участия двигателей носителя. Более того, корабль отделяется от носителя и совершает полет самостоятельно.
Хотя по времени и протяженности путь корабля на орбиту во много раз меньше самого орбитального полета, именно он самый решающий. Ракета-носитель с космическим аппаратом взлетает всегда строго вертикально, чтобы быстрее пройти плотные слои атмосферы. (Впрочем, при излишне высокой скорости сопротивление атмосферы станет очень большим и взлет окажется энергетически невыгоден.)
Пройдя плотные слои атмосферы, ракета постепенно поворачивается все более наклонно, приближаясь к горизонтальному направлению своего полета. И вот здесь-то и набирается первая космическая скорость. (Эту скорость, которой должен обладать предмет, чтобы стать искусственным спутником планеты и двигаться вокруг нее по круговой орбите, называют также круговой скоростью.)
Физический смысл этого явления можно, несколько упрощая, пояснить так: если при движении тела по окружности возникающая центробежная сила будет равна силе притяжения Земли, то такое тело обладает первой космической скоростью. Естественно, что центробежная сила растет по мере увеличения скорости. При скорости примерно 5 километров в секунду она уравновесит около 40 процентов веса тела. На ракету, поднявшуюся на 200 километров и летящую там вокруг Земли со скоростью 7,75 километра в секунду, действует центробежная сила, равная 99 процентам ее веса; при скорости 7,791 километра в секунду она станет равной весу ракеты. Для высоты в 200 километров это и будет первая космическая, или круговая, скорость.
Орбиты всех космических аппаратов и искусственных спутников Земли лежат на высотах, как правило, более 180–200 километров: двигаться с космическими скоростями можно только за пределами атмосферы, иначе немыслимо было бы преодолеть сопротивление воздуха. На высоте 30 километров, где плотность воздуха почти в сто раз меньше, чем у самой поверхности Земли, сопротивление небольшому спутнику будет исчисляться десятками тонн, и даже на высоте 100 километров, где сила торможения упадет до килограммов, только за один виток скорость спутника уменьшится примерно на 50 метров в секунду. 180–200 километров — такова минимальная высота орбиты, по которой возможно движение с космическими скоростями. Так получалось из расчетов. Это же подтвердили и наши первые спутники Земли.
Максимальная же орбита в принципе может быть любой, но для пилотируемых кораблей, вращающихся вокруг Земли, не выше 500–600 километров; дальше — радиационные пояса, окружающие Землю и опасные для здоровья космонавта.
Итак, орбита полета будет круговой с высотой 200 километров. При этом спутник, двигаясь по ней со скоростью 7,791 километра в секунду, облетит земной шар за 88 минут 25 секунд. Это время, которое нетрудно подсчитать, и есть период обращения, хорошо знакомый каждому по сообщениям ТАСС о запуске очередного спутника.
Одним из параметров орбиты является наклонение (то есть угол наклона плоскости орбиты к плоскости экватора). Отсчитывается оно всегда от плоскости экватора. Если в полете спутник будет все время лететь над экватором, то его орбита называется экваториальной и имеет наклонение, равное 0 градусов. Орбита, проходящая над полюсами, — полярной, с наклонением 90 градусов.
Взлетев с территории Советского Союза и выйдя на околоземную окружность, спутник вначале достигнет и «коснется» в северном полушарии той параллели, которая соответствует наклонению его орбиты, затем, перейдя через экватор, дойдет до соответствующей параллели в южном полушарии, опять, пересекая экватор, войдет в северное полушарие и т. д.
Все эти данные необходимы проектанту при разработке программы.
Выберем для рассуждений наклонение, равное 65 градусам — именно так запускался «Восток». Время старта зависит от нескольких факторов, однако чтобы не усложнять рассказ, выберем его, исходя только из одного требования. Предположим, что на корабле применена система ориентации продольной его оси по направлению полета. Это необходимо для торможения перед спуском. Ведь тормозной двигатель должен быть направлен своим соплом под точно рассчитанным углом к направлению полета, и корабль перед «финишем» обязан повернуться и занять в пространстве строго определенное положение. Но положение это определят, например, солнечные датчики системы ориентации только в том случае, если в нужный момент само Солнце будет находиться перед кораблем. Датчики должны «увидеть» Солнце при выходе из-за горизонта в строго расчетный момент (плоскость орбиты при этом обязана совпадать с направлением на Солнце). Если полет планируется на строго определенное количество витков, то и Солнце должно оказаться в нужном положении тоже в определенное время. Отсюда, конечно, следует, что и старт корабля должен быть произведен в строго определенный час, минуту и секунду выбранных суток. Только в этом случае, пролетев заданное количество витков, корабль встретит Солнце в нужное время и в нужном месте.