Пункт назначения Луна

ПЕРВЫЕ РАЗВЕДКИ ЛУНЫ

Чтобы высадиться на поверхность Луны, необходимо преодолеть 384 403 километра, отделяющих нас от спутника. Само по себе это расстояние не так уж велико — оно всего в 9,5 раза больше протяженности земного экватора. Многие летчики гражданской авиации налетали гораздо больший километраж. Трудности заключаются в том, что Землю и Луну разделяет бездна безвоздушного мирового пространства. Кроме того, для достижения Луны необходимо развить очень большую скорость, не меньшую 11,2 километра в секунду, то есть около 40 000 километров в час.

Первое препятствие вполне преодолимо. Двигатель для полетов в безвоздушном мировом пространстве давно уже найден. На небесные тела и, в частности, на Луну нас перебросит ракета.

Двигаясь за счет только внутренних сил, ракета не нуждается при своем полете в какой-нибудь внешней опоре.

Если бы между Землей и Луной существовала разреженная среда типа воздуха, то, сопротивляясь продвижению ракеты, эта среда только мешала бы полету.

Со вторым препятствием дело обстоит сложнее. Человеку, не осведомленному в вопросах астронавтики, может показаться непонятным, почему на Луну надо лететь непременно с очень большой скоростью. Нельзя ли совершить путешествие на соседнее небесное тело, как говорят железнодорожники, «малой скоростью»?

Давайте разберемся, в чем тут дело.

Представьте себе самолет, летящий в земной атмосфере. Работа, которую совершает его двигатель, идет на преодоление двух сил: притяжения Земли и сопротивления воздуха. Если двигатель остановится, самолет, пропланировав какое-то время в атмосфере, опустится на земную поверхность.

Иначе ведут себя искусственные спутники Земли. Выведенные в безвоздушное пространство за границы атмосферы, они обращаются вокруг Земли без помощи двигателя, исключительно за счет силы собственного веса, или, иначе говоря, силы притяжения Земли.

При горизонтальной скорости около 8 километров в секунду вес тела становится равным центростремительной силе, заставляющей тело обращаться вокруг Земли по круговой орбите, близкой к ее поверхности. Тяготение Земли в данном случае не только не мешает полету, но, наоборот, управляет им. Если орбита спутника целиком находится за границами земной атмосферы, то его полет вокруг Земли может продолжаться неограниченно долгое время.

В будущем, вероятно, будут созданы самолеты, совершающие беспосадочные полеты вокруг земного шара. Но, двигаясь в атмосфере и обладая скоростью, меньшей 8 километров в секунду, они не смогут соперничать в количестве оборотов вокруг земного шара с искусственными спутниками Земли. Ведь двигатели их должны непрерывно работать, растрачивая горючее, и без регулярной заправки «на ходу» такие самолеты смогут облететь Землю весьма ограниченное количество раз.

Теперь должно быть понятным, почему полет на Луну с малой скоростью практически пока невозможен. Ведь при малой скорости (точнее говоря, при скорости, меньшей 11,2 километра в секунду) двигатели космического корабля, борясь с земным тяготением, должны работать непрерывно. Только влетев в ту область пространства, где притяжение Луны будет преобладать над земным тяготением, можно, выключив двигатель, свободно падать на Луну. До этого момента борьба с земным тяготением совершенно необходима, и на эту борьбу пойдет так много горючего, что захватить его с собой в космический корабль, работающий на обычном химическом топливе, не представляется возможным. Рассчитывать же на дозаправку в пути не приходится.

В будущем, когда человек создаст мощные атомные ракеты, ограничения в скорости и в направлении полетов будут сняты. Тогда станут возможны полеты в любом направлении и с любой, даже очень малой скоростью.

А пока, как это ни парадоксально, поездки на Луну в космических экспрессах будут обходиться дешевле, чем преодоление того же пути малой скоростью.

Все дело заключается в том, чтобы тяготение Земли превратить из врага в друга и попытаться использовать его при полете на Луну. Это вполне возможно.

В популярных книгах и статьях о межпланетных путешествиях часто пишут, что для достижения других небесных тел надо якобы преодолеть притяжение Земли. Далее утверждается, что полная победа над земным тяготением одерживается в том случае, когда тело приобретает скорость в 11,2 километра в секунду. «Преодолев» подобным образом земное притяжение и «освободившись» от него, космический корабль, как уверяют такие статьи, устремляется в глубины мироздания.

Все это, конечно, не просто неудачные выражения, а грубые ошибки. «Преодолеть» земное тяготение невозможно, какой бы скорости космический корабль ни достиг. Силу притяжения нельзя побить скоростью. Где бы ни находился космический корабль и как бы он ни двигался, Земля всюду и всегда будет притягивать его с той силой, которая может быть найдена по закону всемирного тяготения.

Секрет здесь в другом. Развив скорость в 11,2 километра в секунду, космический корабль улетает от Земли по параболе, которая, в отличие от эллипса, уходит в бесконечность. При этом наш корабль вовсе не освобождается от притяжения Земли. Наоборот, именно земное тяготение заставляет его лететь по параболе, как вес искусственных спутников заставляет их обращаться вокруг Земли по эллипсам, а вес сорвавшегося с дерева яблока направляет его падение по прямой к центру Земли.

Во всех трех случаях движением тел по разным кривым управляет одна и та же сила — сила земного притяжения. Разница же в траекториях возникает в результате того, что тела начинают свое движение с различной скоростью и в разных направлениях.

Таким образом, можно выбрать для космического корабля такую скорость и такое направление вылета, при которых он полетит по параболе, неограниченно удаляясь от Земли. Для этого при отсутствии сопротивления воздуха нужна горизонтальная скорость именно в 11,2 километра в секунду. Развив такую скорость, космический корабль может далее лететь с выключенным двигателем, не расходуя ни грамма горючего. Притяжение Земли, как это ни парадоксально, уведет его в «бесконечность» от нашей планеты. То же произойдет и при скоростях, превышающих 11,2 километра в секунду, но только в этом случае полет будет совершаться не по параболе, а по одной из гипербол.

Не случайно мы указываем точное значение «скорости отрыва» от Земли — 11,2 километра в секунду. При скорости, даже слегка меньшей (например, 11 километров в секунду), космический корабль останется пленником Земли. Земное тяготение заставит его или упасть на Землю, или (при скоростях больше 7,9 километра в секунду) обращаться вокруг Земли по эллипсу.

Теперь уже практический метод достижения Луны становится более ясным. Путешествие разбивается на три этапа.

Первый этап — отлет с Земли, который должен быть выполнен в определенном, связанном с расположением Луны направлении со скоростью не меньшей 11,2 километра в секунду.

Второй этап — полет к Луне с выключенным двигателем, что составит и по времени и по расстоянию основную часть путешествия.

Третий этап — падение на Луну в той области окружающего ее пространства, где притяжение Луны преобладает над тяготением Земли.

Не уточняя пока вопросы, связанные с безопасностью посадки на Луну и с возвращением космического корабля обратно на Землю, рассмотрим детали намеченного плана.

Осуществление первого этапа вполне реально. Уровень советской реактивной техники столь высок, что сообщение какому-либо небольшому телу скорости в 11–12 километров в секунду вполне возможно, что уже доказано запуском первой советской космической ракеты.

Представьте себе, что это уже сделано, что за пределы земной атмосферы с параболической или гиперболической скоростью вырвалось какое-то тело. Как оно будет двигаться дальше?

Во Вселенной существует не только Земля и притягиваемый ею космический корабль. Ракета, превратившись в самостоятельное небесное тело, будет, строго говоря, притягиваться не только Землей, а всеми телами Вселенной.

Может показаться, что бесчисленное множество сил создаст такой «силовой вихрь», который увлечет космический корабль, как смерч увлекает пылинку! Не затеряется ли наш корабль в бездонных глубинах Космоса, вместо того чтобы попасть на Луну?

К счастью, этого не произойдет. Мы ведь не учли одного важного обстоятельства — величину сил.

Силы тяготения с увеличением расстояния между притягивающимися телами очень быстро ослабевают. Поэтому силы, с которыми далекие от Земли звезды, планеты и даже Солнце притягивают корабль или ракету, летящие на Луну, так малы, что ими вполне можно пренебречь. Мешать полетам на Луну они не будут.

Другое дело — Луна. Не принимать в расчет ее воздействие на космический корабль ни в коем случае нельзя. Значит, при полете на Луну ракета будет «управляться» не только Землей, но и Луной.

В небесной механике давно уже сформулирована так называемая «ограниченная задача трех тел». Представим себе, что в мировом пространстве имеются три притягивающих друг друга тела, из которых одно обладает ничтожно малой массой в сравнении с массами двух других тел. Задача заключается в том, чтобы найти кривые, по которым будут двигаться все три тела.

Неспециалистам трудно себе представить, насколько сложна эта задача. В течение многих десятилетий она исследовалась крупнейшими математиками, но до последнего времени удавалось получить лишь небольшое число ее частных решений.

С изобретением электронно-счетных машин положение изменилось. Значительно облегчая утомительный труд вычислителя, машины позволяют быстро решать сложнейшие задачи, в том числе и «ограниченную задачу трех тел».

Итак, даны три тела: Земля, Луна и ракета. Масса последней ничтожно мала в сравнении с массами Земли и Луны. Известно, как движется Луна относительно Земли. Считая известными скорость и направление вылета ракеты с Земли, надо найти, как будет совершаться полет ракеты к Луне.

Такая задача впервые и с достаточной полнотой была решена в Математическом институте Академии наук СССР советским ученым В. А. Егоровым. В течение двух лет (1953–1955) электронные машины, управляемые человеком, прокладывали возможные пути к Луне. С удивительной легкостью находили они множество решений, из которых затем можно было выбрать самые удобные и практически осуществимые.

И вот главнейшие результаты проделанной В. А. Егоровым работы.

В пространстве, разделяющем Землю и Луну, возможные пути свободного (то есть без работы двигателя) движения весьма разнообразны. Их можно разделить на несколько групп: в каждой будут объединены сходные траектории.

Рассмотрим прежде всего облетные траектории. Двигаясь по ним, ракета совершает облет Луны, не снижаясь на ее поверхность. Вероятно, что первые разведки нашего спутника начнутся именно с таких облетов.

Среди возможных облетных траекторий есть и такие, которые охватывают собой и Луну и Землю. Запущенная по такой траектории ракета превратилась бы одновременно в искусственный спутник Земли и Луны. Было бы, конечно, очень хорошо, если такой спутник «общего пользования» подходил близко к поверхности Земли и Луны. Однако это, как доказал В. А. Егоров, невозможно. Если облетная траектория подходит близко к поверхности Луны, то от Земли она будет отстоять на минимальном расстоянии в 100000 километров! О запуске ракеты с такой высоты пока не может быть и речи. Значит, создать спутник, который бы периодически облетал Землю и Луну, давая с помощью радио и телевизионного устройства информацию о виде Луны с близкого расстояния, нельзя.

Другой вариант разведывательного облета Луны был разработан ленинградским астрономом профессором Г. А. Чеботаревым. Рассчитанная им орбита охватывает только Луну, но двумя своими нижними концами как бы упирается в Землю. Это означает, что ракета, запущенная с Земли по данной траектории, облетит вокруг Луны и, подобно бумерангу, вернется в исходную точку.

Всего 30000 километров будут отделять ракету от Луны в момент наибольшего сближения этих тел. Пять суток потребуется, чтобы долететь до нашего спутника, около двух суток ракета будет находиться вблизи лунной поверхности, а затем через пять суток возвратится на Землю.

Проект профессора Г. А. Чеботарева весьма заманчив. Правда, здесь нельзя забывать о необходимости найти способ затормозить ракету при ее падении на Землю. Это можно сделать, например, с помощью реактивного тормоза, то есть дополнительного реактивного двигателя, установленного на ракете. Включаясь в нужный момент по радиокоманде с Земли, тормоз будет выбрасывать газы в направлении полета ракеты и тем самым замедлит ее движение. Когда скорость ракеты снизится, из нее выбросятся контейнеры. Снижаясь на парашютах к поверхности Земли, эти контейнеры доставят в руки исследователя ценнейшие данные первой разведки Луны — фотографии ее невидимого полушария, крупномасштабные снимки поверхности и многое другое.

Разведку Луны можно произвести и с помощью траекторий, названных В. А. Егоровым долетными. При всем их разнообразии у них есть общая черта: они начинаются с Земли и возвращаются к Земле, пролетев около Луны на близком расстоянии.

Наконец, представляют большой интерес траектории попадания в Луну. Это своеобразная «стрельба по Луне». Весь перелет ракеты от Земли до ее спутника, как показал расчет, займет несколько десятков часов.

Огромные размеры мишени облегчают попадание в цель. Однако если ставится задача попасть ракетой в определенный участок лунной поверхности, то точность «выстрела» должна резко возрасти.

Все сказанное о разных типах траекторий верно, разумеется, только для пассивного, свободного полета, в котором двигатель ракеты не принимает участия. На самом же деле при полетах на Луну и вокруг нее движение ракеты в случае нужды будет исправляться, корректироваться кратковременным включением двигателя. Тогда станет возможным переход с одной траектории на другую, устранение ошибок, допущенных при старте, то есть, короче говоря, активное управление полетом.

Управление космической ракетой на первых порах едва ли будет осуществляться находящимся внутри ее человеком. Большую роль в первых разведках Луны сыграют радиотелеуправляемые ракеты. По радиокомандам, подаваемым с Земли, автоматы ракеты включат в нужный момент ее двигатель и откорректируют полет. Технические трудности, связанные с осуществлением подобных проектов, конечно, огромны, хотя и преодолимы.

Совсем немного времени отделяет нас от момента, когда начнутся первые разведки Луны. Что будет скорее осуществлено — облет Луны или попадание в нее, — сказать трудно. И то и другое представляет для науки огромный интерес.

Облеты вокруг Луны автоматически управляемых ракет раскроют тайны ее невидимой половины. Ракеты-разведчики принесут нам крупномасштабные изображения лунной поверхности. Ведь с ракет можно фотографировать Луну, применяя телеобъективы с очень большим увеличением — в безвоздушном пространстве не может быть атмосферных помех. С помощью телевидения или фотоснимков мы, оставаясь пока в земных лабораториях, увидим такие подробности лунного ландшафта, как если бы наблюдали наш спутник с высоты птичьего полета. Составленные по фотоснимкам подробнейшие карты лунной поверхности помогут наметить маршруты первых лунных экспедиций. Автоматические приборы ракет-разведчиков установят также интенсивность солнечного и космического излучения в окрестностях Луны. Они принесут нам информацию о метеоритной опасности на пути к Луне: чувствительные микрофоны с дополнительным устройством зафиксируют частоту попадания в ракету мелких микрометеоритов. Короче говоря, облетные и долетные ракеты выяснят обстановку на путях к Луне и в ее окрестностях.

После этого (или наряду с этим) будут посланы ракеты и по траекториям попадания. Некоторые из них, возможно, начинят каким-нибудь сильно рассеивающим солнечные лучи порошком. При ударе о лунную поверхность ракета взорвется, как метеорит, а разбросанный при этом порошок создаст блестящее пятно, которое можно будет заметить в сильные телескопы. Таким способом удастся не только убедиться в том, что цель достигнута, но и выяснить точность стрельбы.

По другим проектам, на Луну посылается ракета с находящейся внутри нее атомной или водородной бомбой. Сильнейший взрыв на Луне ученые смогут не только заметить, но и сфотографировать с помощью спектрографов. Спектр первого атомного взрыва на спутнике Земли позволит узнать химический состав поверхностных лунных пород, которые при взрыве превратятся в ярко светящиеся раскаленные газы.

Все это лишь некоторые из возможных вариантов первых разведок Луны. Прежде чем на Луну высадится человек, природа лунного мира должна быть исследована гораздо глубже и полнее, чем она известна теперь.