Путешествие к далеким мирам

Что же мешает нам осуществить межпланетное путешествие? В чем его главные трудности? Чем отличается, в конце концов, такое путешествие от путешествия по земле? Может быть, только тем, что это путешествие на гораздо большие расстояния?

Или тем, что оно должно протекать в безвоздушном пространстве?

Или, наконец, просто тем, что такое путешествие еще ни разу не было совершено и может таить в себе всяческие неожиданности?

Да, этим, но не только этим. Есть одно обстоятельство, которое делает любое межпланетное путешествие, пусть самое короткое, принципиально отличным от любого земного путешествия, хотя бы даже кругосветного. В этом же обстоятельстве заключается и главная трудность в совершении межпланетного путешествия — оно и мешает нам осуществить такое путешествие.

Вы знаете, конечно, о чем идет речь: о силе тяжести. Именно она — главное препятствие на пути совершения межпланетного полета.[5]

Сила тяжести (или сила тяготения, как ее иногда называют) — это сила взаимного притяжения частиц массы, вещества, одна из наиболее важных сил природы. Наука еще не сумела пока до конца выяснить причину возникновения этой силы, ее происхождение, ее природу.[6] Но характер проявления и величина силы тяжести изучены очень хорошо.

Сила тяжести проявляется всюду, где есть по крайней мере два тела или две частицы вещества; она действует между любыми такими частицами повсюду во Вселенной — это абсолютно всеобщий закон. Поэтому открытый Ньютоном закон тяготения и называют законом всемирного тяготения. Любые два тела, любые две частицы притягиваются друг к другу с силой, зависящей от массы этих частиц и расстояния между ними. Чем больше масса и чем меньше расстояние, тем сила притяжения больше.

Мы повседневно встречаемся с проявлениями силы тяжести. Наш вес — это сила, с которой нас притягивает Земля. Все предметы на Земле имеют вес. Яблоко, оторвавшись от ветки дерева, не устремляется в небо, а падает на Землю под действием силы притяжения к ней.

Впрочем, последнее объяснение не является бесспорным. Если бы, кроме яблока и Земли, во Вселенной не было других тел, то для яблока существовал бы только один путь — на Землю. Однако в действительности яблоко притягивается не только Землей, но и Солнцем, Луной и другими небесными телами. Если оно падает все же именно на Землю, то только потому, что притяжение к ней неизмеримо сильнее, чем к любому другому небесному телу, — ведь Земля гораздо ближе. Точно так же и во многих других случаях можно рассматривать только два взаимно притягивающихся тела, подобно Земле и яблоку, пренебрегая влиянием остальных.

Кстати сказать, теорию движения небесных тел в нашей солнечной системе удалось построить только в виде решения такой «проблемы двух тел». Даже для «проблемы трех тел», не говоря уже о большем их числе, как это обычно бывает в действительности, получить общее решение пока не удалось из-за математических трудностей. Поэтому приходится учитывать влияние остальных тел в виде искажений, или так называемых возмущений которые эти тела вносят в траектории движения, рассчитанные для двух тел.

Не следует думать, однако, что мы пренебрегаем у себя на Земле притяжением Солнца или Луны потому, что оно мало по абсолютной величине. Как известно, действием этого притяжения объясняются такие грозные природные явления, как приливы и отливы, когда в движение приводятся миллиарды тонн океанской воды. В будущем энергия этой воды заставит работать мощнейшие «приливные» гидроэлектростанции. Даже далекий от нас Нептун, одна из внешних планет солнечной системы, находящийся на расстоянии более 4 миллиардов километров от Земли, действует на нее с силой 18 миллионов тонн.

Сила тяжести играет огромную и, конечно, положительную роль в природе. Если бы не существовало силы тяжести, то Вселенная не имела бы того высокоорганизованного вида, который она имеет в настоящее время. Не существовало бы, конечно, солнечной системы; не существовали бы и мы с вами. Впрочем, если бы даже и существовали, то удержаться на Земле нам бы не удалось — достаточно было бы легкого толчка, для того чтобы навсегда распроститься с родными местами и отправиться блуждать по просторам Вселенной.

Однако совсем другую роль играет сила тяжести, когда мы рассматриваем возможность межпланетного полета. Действительно, когда мы путешествуем по земной поверхности, то почти не замечаем действия силы тяжести, если только не совершаем какого-нибудь альпинистского восхождения. Другое дело — межпланетный полет. Совершая такой полет, мы должны все время удаляться от Земли и, значит, преодолевать силу тяжести. Сила притяжения к Земле, защищающая нас от опасности случайно улететь с Земли, не позволяет нам расстаться с ней и тогда, когда мы этого хотим. Так этот «союз» с Землей становится пленом.

Как же можно разбить мощные цепи тяготения, превращающие нас в «узников» Земли, как преодолеть это главное препятствие на пути к осуществлению межпланетного полета?

Само собой разумеется, что хорошо известные средства, с помощью которых люди с давних пор штурмовали небо, преодолевая силу тяжести, — воздушный шар, дирижабль и самолеты самых разнообразных конструкций, — для осуществления межпланетного полета не годятся.

Для полета они нуждаются в воздухе, которого нет в мировом пространстве.

Однако наука нашла по крайней мере одно действенное средство. Им является скорость, которую нужно сообщить межпланетному кораблю.[7]

Чтобы сообщить какому-нибудь предмету, например простому камню, некоторую скорость, мы должны его бросить, толкнуть. Чем больше сила толчка, тем больше и скорость. Конечно, сила человеческих мышц невелика — чемпион мира советский спортсмен Юрий Степанов прыгает через планку, установленную на высоте 2 метров 16 сантиметров. Камень, брошенный самой сильной рукой, поднимается вверх на 2–3 десятка метров. Но вот на помощь силе приходит разум. Стрела, выпущенная из тугого лука, летит на десятки и даже сотни метров; пуля из винтовки уносится на километры; снаряд из дальнобойного орудия поднимается ввысь на 40 километров.

Все выше и все дальше… А нельзя ли так размахнуться камнем, чтобы забросить его… на Луну? Принципиально можно, только очень уж сильно надо будет его для этого бросить.

Чем больше сила, с которой мы бросаем камень, тем больше его начальная скорость, а чем больше эта скорость, тем выше залетает камень. Брошенный вверх с определенной начальной скоростью, камень летит постепенно все медленнее и медленнее, пока не останавливается на мгновение совсем и затем начинает все быстрее падать обратно на Землю. Что замедляет полет камня вверх и снова ускоряет его при падении? Сила тяжести. Если бы воздух, в котором совершает свой полет камень, не оказывал ему сопротивления, уменьшая скорость, то при ударе о Землю камень обладал бы как раз той же скоростью, которая была ему сообщена при броске.

Это позволяет найти скорость, которая должна быть сообщена камню, чтобы он достиг, допустим, орбиты Луны или Марса. Брошенный с этой скоростью камень достигнет заданной орбиты, а затем все быстрее начнет падать обратно на Землю.

А можно ли сообщить камню такую скорость, чтобы он вовсе не возвратился на Землю, продолжая бесконечно долго удаляться от нее в мировое пространство? Оказывается, можно, по крайней мере теоретически. Эта скорость должна равняться той скорости, которую камень имел бы при падении на Землю «из бесконечности», как говорят математики.[8] Бесконечность здесь означает просто «очень-очень далеко», настолько далеко, что даже значительное увеличение расстояния уже не меняет скорости, с которой камень падает на Землю. Так, если один камень падает на Землю с высоты 10 миллионов километров, а другой — с высоты 20 миллионов километров, то разница в скоростях обоих камней будет совершенно ничтожной.

Скорость, которая должна быть сообщена камню (или любому другому телу), чтобы он улетел вовсе от Земли и не возвратился обратно, продолжая удаляться от нее, называется обычно скоростью отрыва.

Когда мы сообщаем камню такую скорость, это не значит, конечно, как иногда считают, что камень улетает так далеко от Земли, что сила ее притяжения перестает сказываться и камень перестает притягиваться Землей. Такой точки в мировом пространстве, в которой перестала бы действовать сила тяжести, в том числе и сила притяжения к Земле, конечно, не существует. Сила притяжения к Земле действует всюду, только величина ее может стать ничтожно малой, если камень находится далеко от Земли. Эта величина изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли: когда расстояние увеличивается вдвое, сила притяжения уменьшается в 4 раза; когда оно увеличивается в 3 раза, то сила уменьшается в 9 раз, и т. д.

Собственно говоря, именно эта особенность закона всемирного тяготения и делает возможным межпланетный полет. Если бы сила притяжения к Земле оставалась с высотой постоянной, а не уменьшалась так быстро, то мы не могли бы даже надеяться совершить путешествие в мировое пространство, разве только уж в очень отдаленном будущем.

В этом легко убедиться. Чтобы порвать цепи земного тяготения, нужно, естественно, совершить определенную работу. Как найти величину этой работы? Когда мы поднимаем какой-нибудь груз, скажем, в 1 килограмм на высоту 1 метра, то при этом совершаем работу, равную, как известно, 1 килограммометру. Если же мы решили поднять этот груз на высоту 384 миллионов метров, то есть забросить его на Луну, то нам пришлось бы при неизменной силе тяжести и работу совершить в 384 миллиона раз большую. Это такая работа, которую производит за час двигатель мощностью около 1500 лошадиных сил. Но самый легкий межпланетный корабль должен весить десятки, если не сотни тонн. Поэтому потребная мощность двигателя корабля и расход топлива на полет должны быть в этом случае такими огромными, что решить эту задачу не под силу современной технике. Но так было бы, к счастью, только при постоянной, не меняющейся с высотой силе тяжести. В действительности же сила тяжести, как указывалось выше, быстро уменьшается по мере удаления от Земли. Чем дальше от Земли, тем легче преодолевать притяжение к ней. Поэтому работа, которую нужно совершить, чтобы забросить килограммовую гирю на Луну, на самом деле оказывается примерно в 60 раз меньшей — она равна приблизительно 6,3 миллиона килограммометров. Такую работу совершит подъемный кран, переместив 630 тонн кирпича на высоту 10 метров. И эта работа очень велика, но современная техника в состоянии решить задачу осуществления межпланетного полета, как об этом будет рассказано позже. Вот что означает уменьшение силы тяжести с высотой.

Скорость отрыва — это та наименьшая скорость, при которой камень, улетая от Земли, уже не возвратится на нее, а будет все время удаляться. Если скорость камня меньше, то он рано или поздно обязательно упадет снова на Землю.[9] При большей скорости, чем скорость отрыва, камень, конечно, на Землю не вернется, но эта избыточная скорость будет уже излишней.

Чему же равна скорость отрыва?

Определить величину этой скорости удается только с помощью высшей математики. Ее величина определяется тем, что кинетическая энергия, которую приобретает камень, когда ему сообщают такую скорость, должна быть равной указанной выше работе преодоления земного тяготения. Она оказывается равной примерно 11,2 километра в секунду, или 40 тысячам километров в час. Вот какую скорость мы должны сообщить межпланетному кораблю, чтобы он смог пробить невидимый «панцирь тяготения», по образному выражению Циолковского, и совершить полет на Луну или планеты солнечной системы.

Когда тяжести противопоставили скорость, то этим был сделан первый шаг на пути перехода от фантазии к науке, но все же наука о межпланетном полете еще создана не была. Для создания такой науки требовалось еще ответить на вопрос о том, как достичь нужной огромной скорости.

Вообще говоря, эта задача может быть решена различными способами. Принципиально возможно, например, построить гигантский лук или такую же гигантскую рогатку, чтобы использовать для посылки межпланетного снаряда силу упругости. Можно воспользоваться также пращой или метательной машиной, подобной применявшимся в средние века для осады крепостей. Но одно дело — принципиальная возможность, а другое — техническая осуществимость. Практически, конечно, ни одно из этих средств не годится: подобные сооружения нельзя будет сделать достаточно прочными.

Нельзя ли воспользоваться для посылки межпланетного снаряда пушкой? Эта мысль, естественно, приходит в голову, ибо известно, что снаряд, вылетающий из дальнобойного артиллерийского орудия, обладает скоростью в 1,5–2,0 километра в секунду. Это еще, конечно, гораздо меньше, чем нужные нам 11 километров, но все же получающиеся величины достаточно близки, чтобы заинтересоваться пушкой как средством осуществления межпланетного путешествия.

Вероятно, все помнят, что именно эта идея положена в основу научно-фантастического романа Жюля Верна «Из пушки на Луну». Жюль Верн описывает гигантскую пушку, отлитую прямо в земле в виде глубокого, более 270 метров глубиной, вертикального колодца. Снаряд, выстреленный из этой пушки, по расчетам Жюля Верна, должен был достичь Луны. Внутрь же снаряда Жюль Верн поместил своих путешественников.

Однако совершить межпланетное путешествие по способу Жюля Верна не удастся. Причем главное здесь не в том, что Жюль Верн сильно ошибся в своих расчетах и снаряд, выстреленный из его пушки, не только не достиг бы Луны, но не вылетел бы даже за пределы земной атмосферы: он описал бы в ней сравнительно небольшую дугу и шлепнулся на Землю. Это можно было бы поправить и если не построить, то хоть рассчитать пушку так, чтобы ее снаряд достиг Луны; впрочем, с помощью тех порохов, которыми сейчас пользуется артиллерия, этого добиться нельзя. Можно было бы, может быть, простить Жюлю Верну и принципиальный недостаток его предложения, заключающийся в том, что такое путешествие было бы односторонним, безвозвратным — ведь на Луне-то нет другой пушки для посылки снаряда обратно на Землю!

Главное, что мешает послать человека на Луну в снаряде, заключается в другом. И здесь мы впервые сталкиваемся с обстоятельством, которое наряду со скоростью играет исключительно большую роль в проблеме межпланетного полета. Это обстоятельство — ускорения, возникающие в таком полете.

Величина ускорения показывает, как быстро изменяется скорость полета, то есть как быстро она увеличивается при разгоне и уменьшается при торможении корабля. Необходимую скорость отрыва можно сообщить межпланетному кораблю постепенно, в течение длительного времени — тогда разгон корабля будет плавным, ускорение будет небольшим. Но можно разогнать корабль до необходимой скорости за короткое время, резко — тогда ускорение будет большим. То же самое относится и к посадке корабля — его торможение при этом может быть резким или плавным, вследствие чего ускорение будет соответственно большим или малым.

Легко понять, что это вовсе не безразлично для пассажиров корабля, да и для самого корабля тоже. Каждый по своему опыту знает, как неприятны большие ускорения. Стоит вспомнить наши ощущения в те моменты, когда трамвай или автомобиль, в котором мы едем, вдруг резко трогает с места, резко тормозит или круто поворачивает. Особенно знакомы подобные ощущения летчикам, совершающим на самолете фигуры высшего пилотажа: петлю Нестерова, бочку, вираж. Какая-то могучая сила вжимает их при этом в сиденье или, наоборот, отрывает от него. Откуда появляется эта сила?

Пока скорость остается постоянной — как бы велика она ни была, мы ее вовсе не ощущаем и можем даже не догадываться, что находимся в движении. Разве люди думают о том, что мы все непрерывно мчимся вместе с Землей вокруг Солнца, пролетая каждую секунду в мировом пространстве по 30 километров? Нет, конечно. Другое дело, если бы эта скорость движения Земли вдруг резко изменилась — увеличилась или уменьшилась. Впрочем, лучше не будем расписывать всех неприятностей, которые постигли бы в этом случае обитателей Земли в результате появления все той же могучей силы.

Эта сила, появляющаяся всегда, когда возникает ускорение, называется силой инерции.

Когда лифт начинает свой подъем, приобретая ускорение, пассажиры в лифте чувствуют, как какая-то тяжесть прижимает их к полу, как бы увеличивая их вес. Это пол лифта давит на пассажиров, преодолевает их инерцию, их стремление сохранить состояние покоя. Чем больше ускорение лифта, чем быстрее он набирает скорость, тем больше сила инерции, тем больше этот увеличенный вес пассажиров. Сила инерции прямо пропорциональна ускорению. Когда лифт неподвижен, пассажиров прижимает к полу лифта только сила притяжения к Земле, то есть их собственный вес. Как известно, эта сила при падении в пустоте вызывает ускорение, равное примерно 10 метрам в секунду за каждую секунду падения, точнее — 9,81 метра, то есть скорость падающего тела увеличивается при этом каждую секунду на 10 метров в секунду. Это так называемое ускорение свободного падения, или ускорение земного тяготения. Если же лифт тронется вверх, причем так, что ему будет сообщено как раз такое же ускорение, то есть его скорость будет увеличиваться каждую секунду на 10 метров в секунду, то пассажиров будет прижимать к полу лифта не только сила их веса, но еще как раз такая же по величине сила инерции — вес пассажиров как бы удвоится. Конечно, такая «поправка в весе» мало приятна.

В жюль-верновском снаряде на пассажиров, заключенных в этом своеобразном лифте, будут действовать огромные силы инерции. Ведь скорость снаряда должна возрасти за время его движения в стволе пушки от нуля в начале движения до скорости 16 километров в секунду[10] в конце его. Ускорение движения при этом будет огромным. Расчет показывает, что оно будет примерно в 60 тысяч раз больше, чем ускорение земного тяготения. Но это значит, что и вес пассажиров в снаряде будет при этом во столько же раз больше их обычного веса — пассажиры будут весить по 3–4 тысячи тонн! Этот многократно увеличенный вес мгновенно раздавил бы горе-путешественников, и они буквально расплылись бы тонкой пленкой по дну снаряда. С точки зрения здоровья пассажиров, по существу дела, все равно, где поместить их при выстреле — внутри снаряда или непосредственно перед ним.

Инерционные перегрузки, связанные с ускорениями в полете, вредно действуют, конечно, не только на пассажиров корабля, но и на сам корабль. Бывали ведь случаи, когда при выходе самолета из крутого пикирования дело заканчивалось катастрофой. Если летчик после стремительного снижения слишком резко направлял самолет снова вверх, то крылья самолета не выдерживали и ломались под действием перегрузки, вызванной силой инерции. Уже давно прошло время, когда о самолете говорили, что он «не машина, рассчитать его нельзя». Наука расчета самолетов на прочность достигла в настоящее время высокого совершенства. Естественно, что расчет ведется на строго определенные инерционные перегрузки. Конечно, так будут рассчитываться и межпланетные корабли.

Итак, мы видим, что мало сообщить межпланетному кораблю нужную огромную скорость, ее надо еще при этом сообщить постепенно, плавно, не допуская больших ускорений. Мы скажем ниже (в главе 17} о том, каковы могут быть эти ускорения. Сейчас нам ясно лишь, что пушка Жюля Верна не отвечает этому требованию. Впрочем, и любая другая пушка будет страдать тем же недостатком.

Использовать пушки или какие-нибудь другие метательные машины для отправки межпланетных кораблей нецелесообразно не только из-за недопустимых ускорений, которые при этом развиваются. Даже если бы удалось обойти как-нибудь эту главную трудность, что мало вероятно, то сохранились бы другие недостатки этого метода. Один недостаток совершенно очевиден — снаряд летит по заранее заданному пути, и возможности управления им в полете весьма ограниченны. Это вряд ли будет по душе командиру межпланетного корабля. Ведь вот и у Жюля Верна снаряд не попал в цель, что, впрочем, на этот раз оказалось спасительным, иначе как могли бы узнать читатели книги о приключениях ее героев?

Еще более серьезная проблема — посадка такого корабля на планету. Вряд ли эту посадку можно мыслить себе, как столкновение снаряда с мишенью.

Наконец, хоть и менее очевиден, но тоже весьма существен недостаток подобного корабля, связанный с особенностями атмосферы, окружающей нашу Землю. Эти особенности мы ниже (в главе 9) рассмотрим подробнее, ибо, кроме «панциря тяготения», как говорил Циолковский, межпланетному кораблю придется пробить и «панцирь атмосферы», отделяющий нас от мирового пространства. Все же одна такая особенность совершенно очевидна — с увеличением высоты над Землей плотность атмосферы быстро уменьшается.

Наиболее плотные слои атмосферы непосредственно прилегают к земной поверхности. В таком наиболее плотном воздухе корабль пролетит первые десятки километров своего длинного пути. И вот это начало пути кораблю следовало бы пролететь с малой скоростью, что значительно уменьшило бы потери скорости корабля из-за сопротивления воздуха, то есть, иными словами, уменьшило бы затрату энергии на преодоление сопротивления атмосферы. Кроме того, это устранило бы опасность сильного разогрева поверхности корабля, который неизбежен при полете с большой скоростью в плотной атмосфере. И о сопротивлении воздуха и о нагреве корабля нам, конечно, придется потом (в главе 17) говорить подробнее, но сразу ясно, что целесообразно так организовать полет межпланетного корабля, чтобы его скорость стала космической лишь на почтительном расстоянии от Земли, в разреженной атмосфере.

Вот, оказывается, как не просто организовать полет межпланетного корабля: необходимая скорость такого полета должна во много раз превышать максимальную скорость, когда-либо достигнутую человеком; при разгоне корабля до этой скорости ускорения должны быть очень небольшими, разгон должен быть плавным; на малых высотах в плотном воздухе, скорость полета должна быть относительно небольшой; корабль должен обладать способностью управления в полете; должна быть обеспечена возможность плавной посадки корабля у места назначения.

И только тот, кто нашел бы средство решить все эти на первый взгляд неразрешимые проблемы, мог бы по праву считаться создателем науки о межпланетных сообщениях — астронавтики. Такой человек был бы гордостью не только своего народа, но и всего человечества. Мы знаем имя этого человека, мы гордимся тем, что он сын нашего народа, что он сделал нашу страну родиной астронавтики. Это имя — Константин Эдуардович Циолковский — навсегда останется в сердцах людей примером смелости научной мысли, образцом творческого дерзания. Наш народ с благодарностью хранит память и об ученых других стран — пионерах астронавтики: французе Эно Пельтри, американце Годдарде, румыне Оберте, немце Валье и многих других.

Еще в конце прошлого века Циолковский, тогда скромный провинциальный учитель, занялся проблемой межпланетного полета. Он был первым человеком, осветившим эту проблему мощным прожектором научных знаний. Циолковскому удалось разрешить многие вопросы теории межпланетного полета, создать, по существу, новую отрасль знания, проложить новые, неизведанные пути в науке.

Ученый, исследователь, новатор в науке, Циолковский проявил себя и смелым новатором в технике, замечательным изобретателем и инженером. Он изобрел чудесный двигатель, без которого невозможно осуществление межпланетного полета; разработал ряд проектов межпланетных кораблей; ответил на многие практические вопросы, связанные с проблемой межпланетного путешествия.

Нет ни одной серьезной проблемы космического полета, которую не видел бы Циолковский, которую он не сформулировал бы на годы и десятилетия раньше, чем это сделали ученые в любых других странах мира.[11] Нет ни одной проблемы межпланетных сообщений, для которой Циолковский не предложил бы смелого и оригинального решения.

В царской России замечательные работы Циолковского не находили поддержки со стороны бюрократического, консервативного правительства. Несмотря на высокую оценку, которую тогда же дали этим работам такие всемирно известные ученые, как Д. И. Менделеев, А. Г. Столетов, М. А. Рыкачев, Н. Е. Жуковский и другие, за 40 с лишним лет своей научной и изобретательской деятельности до революции Циолковский получил один-единственный раз материальную поддержку от Российской академии наук в сумме… 470 рублей.

Получавший ничтожную плату как учитель в городе Боровске, а потом в Калуге, почти глухой в результате перенесенной еще в детстве болезни, Циолковский все свои личные средства затрачивал на постановку увлекавших его опытов. Он строил модели, приборы, установки, он построил, кстати сказать, и первую в мире аэродинамическую трубу. Обыватели считали Циолковского чудаком, беспочвенным мечтателем.

Только народ, взявший в свои руки вместе с властью и судьбы нашей науки, оказал поддержку ученому. После революции развернулась бурная творческая деятельность Циолковского, который стал идейным вдохновителем и руководителем целой школы талантливых советских ученых, исследователей и инженеров, развивавших идеи своего учителя. За годы советской власти Циолковским было написано и напечатано в четыре с лишним раза больше работ, чем до революции, — 550 работ из общего числа 675.

Вот почему в письме, написанном в 1935 году, за несколько дней до смерти, Циолковский с полным правом писал:

«Всю свою жизнь я мечтал своими трудами хоть немного продвинуть человечество вперед. До революции моя мечта не могла осуществиться. Лишь Октябрь принес признание трудам самоучки».

В этом же письме престарелый ученый говорил о том, что он все свои многочисленные труды по авиации, ракетоплаванию и межпланетным сообщениям передает «партии большевиков и советской власти, подлинным руководителям прогресса человеческой культуры».

Имя Циолковского навсегда вошло в число бессмертных имен, составляющих гордость и славу русской науки, русского народа.

Мысль о возможности использовать реактивные двигатели на транспортных экипажах для передвижения по земле, а потом и по воздуху появилась в давние времена.

Неоднократно обращались взоры изобретателей к реактивному двигателю, когда начиналось покорение воздушного океана. Это было связано с тем, что развитие воздухоплавания, а затем и авиации задерживалось тогда из-за отсутствия достаточно легкого, мощного и надежного двигателя для дирижаблей и самолетов.

Идея использования реактивного принципа в воздухоплавании высказывалась русскими изобретателями Третесским и Соковниным. Третесский в 1849 году предложил свой проект аэростата, передвигающегося под действием силы реакции струи пара или газа, вытекающего под давлением из отверстия в корме аэростата. Несколько более совершенный проект подобного же рода разработал в 1866 году Соковнин, писавший в пояснительной записке к своему проекту, что «воздушный корабль должен лететь способом, подобным тому, как летит ракета».

Мысль о создании летательного аппарата тяжелее воздуха с реактивным двигателем принадлежит нашему соотечественнику — Николаю Ивановичу Кибальчичу. Имя Кибальчича известно и дорого советскому народу как имя революционера, человека, отдавшего свою жизнь за дело революции. Как известно, Кибальчич вместе с другими народовольцами был казнен царским правительством за участие в покушении на царя Александра II 1 марта 1881 года. Кибальчич ведал лабораторией народовольцев, он изготовил бомбу, которой был убит царь.

Вероятнее в процессе работы над этой бомбой, а может быть и раньше, Кибальчичу пришли в голову мысли, которые он затем, уже сидя в камере смертников, за несколько дней до казни, изложил в докладной записке на имя царского правительства. Кибальчич предлагал построить летательный аппарат тяжелее воздуха с пороховым ракетным двигателем разработанной им конструкции. Эта идея 27-летнего революционера намного опережала свою эпоху, однако царское правительство, как и можно было ожидать, не стало рассматривать его предложение. Если судить по резолюции на докладной записке Кибальчича, царское правительство считало нежелательным привлекать внимание к участи осужденного народовольца, хотя Кибальчич в своей записке вовсе не просил о помиловании или даже об отсрочке казни — он хотел только встретиться с учеными, чтобы рассказать им о своей идее. Кибальчич был казнен, и только через 36 лет после этого, в августе 1917 года, в архивах полиции была обнаружена его докладная записка.

Попытки установить пороховые ракеты на автомобиле, глиссере, мотоцикле, планере и других средствах передвижения в начале нашего века были довольно частыми. Первые такие попытки должны были доказать правильность самого принципа реактивного движения, да и в дальнейшем многие из них неплохо содействовали популяризации этой новой тогда идеи, но в основном эти попытки носили рекламный или спортивный характер. Никакого практического значения они не имели, так как нельзя было избежать основного порока порохового ракетного двигателя — ничтожной продолжительности его работы.

Этот порок органически присущ пороховому двигателю, так как в таком двигателе весь запас топлива — пороха — должен заранее находиться в камере сгорания, что сильно ограничивает величину этого запаса. Подача новых порций твердого топлива в камеру сгорания связана с исключительными трудностями и, несмотря на ряд изобретательских предложений этого рода, в частности того же Кибальчича, до сих пор не была осуществлена.

Между тем по мере развития авиации все сильнее стала ощущаться необходимость в новом двигателе для самолетов, который мог бы обеспечить достижение еще невиданных скоростей полета.

Увеличение скорости полета — это одна из важнейших задач, неизменно стоящих перед авиацией. В авиации не зря говорят, что «кто быстрее в воздухе, тот и сильнее в воздухе». Начиная с первого полета самолета Можайского и до наших дней во всем мире ведется настойчивая борьба за увеличение скорости полета. И если первые самолеты летали со скоростью 40–45 километров в час, то к началу минувшей войны скорость достигла уже 700–750 километров в час. Огромный прогресс!

И все эти годы авиации надежно служил поршневой авиационный двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение воздушный винт. Это был единственный тип двигателя, нашедший применение в авиации. Со времени полета первых самолетов этот двигатель прошел огромный путь развития. Его мощность выросла от нескольких десятков до нескольких тысяч лошадиных сил. Конструкция двигателя усовершенствовалась — он стал очень компактным и легким. Экономичность двигателя значительно улучшилась — он стал расходовать в несколько раз меньше топлива на каждую лошадиную силу. Надежность двигателя стала необычайной — он приобрел способность работать без перерыва многие сотни часов подряд.

Поршневой авиационный двигатель стал высокосовершенной машиной, одним из замечательных достижений техники, человеческого гения. Кто не знает блестящих побед авиации, достигнутых с помощью этого двигателя, — исторических перелетов Чкалова и Громова через Северный полюс, высотных полетов Коккинаки и многих других!

И, несмотря на это, к концу второй мировой войны слава поршневого двигателя начала меркнуть: все сильнее стало ощущаться, что этот двигатель становится тормозом на пути дальнейшего развития авиации. Несмотря на несомненные достоинства поршневого двигателя, уже отчетливо стал выявляться и его главный недостаток — он оказался непригодным для полетов с теми скоростями, которые требовались теперь от авиации. Никакие конструктивные усовершенствования не могли уже исправить дело. Этот двигатель пасовал перед новыми скоростями. Замена его двигателем другой системы стала неизбежной.

Когда самолет летит со все большей скоростью, ему приходится преодолевать все большее сопротивление воздуха. Но это значит, что и двигатель самолета должен развивать при этом все большую мощность, ибо работа, совершаемая двигателем, и затрачивается на преодоление сопротивления воздуха. К сожалению, поршневой авиационный двигатель развивает практически одну и ту же мощность вне зависимости от скорости полета. Если на аэродроме двигатель в состоянии развивать, скажем, 2000 лошадиных сил, то практически те же 2000 сил он будет развивать и в полете, когда самолет мчится со скоростью 600 или 700 километров в час. Если же установить более мощный двигатель, то он будет и более тяжелым, а это увеличит размеры самолета и, следовательно, снова повысит требования к мощности двигателя. Заколдованный круг, из которого выхода для поршневого двигателя нет!

Кроме того, стал еще подводить и неизменный товарищ поршневого двигателя — воздушный винт. С увеличением скорости полета концы лопастей винта, вращающегося с очень большим числом оборотов, начинают двигаться в воздухе с такой огромной скоростью, что это делает работу винта малоэффективной. Все большая часть мощности двигателя тратится при этом винтом бесполезно из-за увеличения потерь, связанных со сжимаемостью воздуха, и все меньшая часть затрачивается на полезную работу продвижения самолета в воздухе. А ведь потребность в этой работе с ростом скорости полета все возрастает!

Наконец, обнаружилась и еще одна преграда, окончательно доконавшая поршневой двигатель. На пути увеличения скорости полета самолетов грозной невидимой стеной стал «звуковой барьер». Этот таинственный «порог» взволновал умы авиационников; ему посвящалось все большее число статей в специальных журналах, все большее количество научных исследований. Выяснилось, что по мере увеличения скорости полета, как это показали опыты в аэродинамических трубах, сопротивление, которое оказывает воздух летящему самолету начинает вдруг резко увеличиваться. Как будто какая-то незримая рука внезапно упирается в нос летящего самолета и мешает ему лететь с большей скоростью, тормозит его. Чем больше скорость полета, тем сильнее эта рука, и тем больше должна быть мощность самолетного двигателя, чтобы преодолеть ее тормозящее усилие. И без того мощность поршневого двигателя уже недостаточна, а тут еще такая напасть…

Как это неоднократно бывало и в других случаях, оказалось, что причины такого внезапного увеличения сопротивления воздуха с ростом скорости полета не только были предсказаны задолго до того, как самолеты стали его ощущать в полете, но и были подвергнуты весьма тщательному теоретическому исследованию.

Еще в прошлом веке ученый-артиллерист профессор Артиллерийской академии Н. В. Маиевский первым в мире указал на связь этого внезапного увеличения сопротивления со скоростью звука в воздухе, то есть с той скоростью, с которой распространяются в воздухе звуковые волны. В 1902 году вышло в свет блестящее научное исследование тогда еще молодого ученого Сергея Алексеевича Чаплыгина — будущего академика, ученика и друга Николая Егоровича Жуковского. Это исследование заложило основы теории полета со скоростями, приближающимися к скорости звука. Более трети века этот выдающийся труд Чаплыгина оставался, по существу, незамеченным и рассматривался лишь как оригинальное математическое исследование, пока развитие авиации не поставило перед наукой проблемы, оказавшиеся во многом уже решенными этой работой русского ученого.

Теперь уже хорошо известно, что по мере приближения скорости полета самолета к скорости звука в воздухе, равной примерно 340 метрам в секунду, или 1225 километрам в час,[15] сопротивление воздуха резко увеличивается. Чем ближе скорость полета к скорости звука, тем больше это дополнительное, так называемое волновое, сопротивление. При этом сам полет становится неустойчивым, самолет начинает вибрировать, управление им нарушается.

Немало пришлось потрудиться советским ученым-аэродинамикам, опиравшимся на идеи Чаплыгина, пока им удалось найти средства уменьшения неприятностей, связанных с полетом, скорость которого приближается к скорости звука. Результатами этих трудов являются и непривычно тонкие крылья скоростных самолетов,[16] и необычная форма этих крыльев, придающая современному скоростному самолету вид стремительно летящей стрелы, и многие другие особенности этих машин.

Стало окончательно ясно, что перешагнуть через скорость звука, пробить звуковой барьер с обычным поршневым двигателем не удастся, об этом нечего и мечтать. Авиация обратилась за помощью к реактивной технике.

Это был естественный и логичный шаг, ибо реактивные двигатели наиболее выгодны именно для высоких скоростей полета. В этом легко убедиться на примере хотя бы той же пороховой ракеты.

Представьте себе испытание такой ракеты на стенде. Двигатель работает, порох сгорает; из сопла ракеты с огромной скоростью вырываются раскаленные пороховые газы, но… все это напрасно, никакой полезной работы при этом двигатель не совершает. Действительно, ведь работа есть действие силы на некотором пути, а в данном случае сила имеется: это сила реакции струи вытекающих газов, но путь-то отсутствует — ракета неподвижна. Это все равно, как если бы, скажем, вам было велено передвинуть тяжелый ящик в сторону, метра на два. Сколько бы вы ни трудились, пытаясь сдвинуть этот ящик, вы бы еще полезной работы не совершили. Вот если бы ящик сдвинулся со своего места, то работа была бы совершена, именно работа, равная произведению вашего усилия на пройденный ящиком путь. Пока ящик неподвижен, затрачиваемая вами энергия теряется бесполезно.

Но вот ракета полетела и мчится со все большей скоростью. Теперь уже работа ракеты совершается, она равна силе реакции струи газов, помноженной на пройденный ракетой путь.

Чем больше скорость полета, тем больше эта полезная работа. Легко сообразить, когда энергия газов будет полностью использована для совершения полезной работы — продвижения ракеты в окружающей среде.

Очевидно, как раз тогда, когда скорость полета ракеты станет в точности равной скорости истечения газов. Действительно, в этом случае газы, вытекающие из ракеты с огромной скоростью, будут относительно окружающего их воздуха совершенно неподвижными. Это и значит, что всю свою кинетическую энергию газы потеряли — она перешла в полезную работу движения ракеты. Правда, чтобы наступил такой момент, пороховая ракета должна лететь с очень большой скоростью — примерно 6–7 тысяч километров в час, но чем ближе скорость полета к этой наивыгоднейшей скорости, тем более эффективной становится работа реактивного двигателя.

Мы видим, что реактивные двигатели действительно рождены для высоких скоростей. Именно поэтому реактивные двигатели, вероятно, никогда не найдут широкого применения в наземном или водном транспорте — на железных дорогах, автомобилях, судах. При относительно малых скоростях передвижения, возможных в этих случаях, реактивные двигатели невыгодны и уступают тому же поршневому двигателю внутреннего сгорания. Другое дело в воздухе, где возможны огромные скорости, — в авиации и артиллерии. Здесь реактивные двигатели не имеют себе равных. Что же говорить о безвоздушном межпланетном пространстве?.. Кстати сказать, этот вывод о выгодности использования реактивных двигателей при больших скоростях полета был впервые в мире также получен Циолковским.

Пока скорость полета самолетов была относительно небольшой, авиацию вполне устраивал поршневой двигатель, а применение реактивных было бы невыгодным. Но вот скорость сильно выросла, поршневой двигатель стал сдавать — и все взоры обратились к двигателю реактивному.

Но авиационный реактивный двигатель должен, очевидно, во многом отличаться от двигателей реактивной артиллерии, и в первую очередь тем, что он должен обеспечивать длительный полет. Уже не секундами, как у пороховых реактивных двигателей, а часами должна измеряться продолжительность работы реактивного двигателя самолета. В этом случае все топливо нельзя разместить в камере сгорания, как в пороховом двигателе, а его нужно подавать туда небольшими порциями. Следовательно, топливо для авиационного двигателя не должно быть твердым. Но это еще не все, — такой двигатель должен расходовать мало топлива, то есть быть экономичным, чтобы обычных запасов топлива на самолете было достаточно для сравнительно продолжительного полета.

Двигатели, удовлетворяющие этим требованиям, известны. Это так называемые воздушно-реактивные двигатели. Они работают не на твердом, а на жидком топливе и используют для сжигания его кислород из атмосферы. В результате этого продолжительность их работы неизмеримо больше, чем пороховых двигателей.

Первые проекты воздушно-реактивных двигателей появились в ряде стран, в том числе и в нашей, еще в прошлом веке.

В 1867 году русский изобретатель Н. Телешов запатентовал воздушно-реактивный двигатель с компрессором для сжатия воздуха. Этот двигатель он назвал теплородным духометом. Аналогичные двигатели были предложены за рубежом почти на полвека позже.

В мае 1884 года изобретатель Якубинский доложил на заседании воздухоплавательного отдела Русского технического общества свой первый в мире проект воздушно-реактивного двигателя, специально предназначенного для летательных аппаратов.

Талантливый инженер и изобретатель Кузьминский еще в 1897 году построил и испытал на катере, на Неве, первый в мире газотурбинный двигатель, весьма похожий по конструктивной схеме на двигатели современных реактивных самолетов.

Интересные проекты воздушно-реактивных двигателей разработали в начале XX века изобретатели Караводин, Антонович, Горохов и Никольский.

Конструктор Базаров в 1924 году получил авторское свидетельство на схему так называемого турбовинтового двигателя для самолетов, в котором тяга создается как винтом, приводимым в движение турбиной, так и реакцией струи вытекающих газов. Двигатели современных реактивных самолетов во многих основных элементах конструкции повторяют это предложение.

В 1932 году Циолковский, работавший и над проблемой применения реактивных двигателей в авиации, предложил так называемый двухконтурный турбореактивный двигатель. Конструкция такого двигателя была разработана в 1937 году инженером Люлька.

Это показывает, что многие типы воздушно-реактивных двигателей были созданы в нашей стране. У нас же были разработаны основы теории и расчета этих двигателей.

Еще в конце прошлого века Николай Егорович Жуковский в своих знаменитых работах «О силе реакции вытекающей и втекающей жидкости» (1882 и 1886 гг.) дал формулу для определения силы тяги, которой пользуются в настоящее время во всем мире. Ученик Жуковского академик Б. С. Стечкин в 1929 году опубликовал разработанную им впервые в мире теорию воздушно-реактивных двигателей.

Работники нашей реактивной техники гордятся этим первенством нашей страны в создании авиационных реактивных двигателей. Своим настойчивым и упорным трудом они завоевывают и в настоящее время качественное превосходство отечественной реактивной авиации над зарубежной. Двигатели, которые разрабатываются и строятся дружными коллективами советских ученых, конструкторов инженеров и рабочих, не имеют равных себе в мире. И в полной мере достойны этих двигателей наши замечательные реактивные самолеты, создаваемые прославленными авиационными конструкторами Туполевым, Микояном, Ильюшиным, Мясищевым, Яковлевым, Лавочкиным, Сухим, Антоновым и другими. Родина авиации и реактивной техники имеет могучую реактивную авиацию, охраняющую мирный труд нашего великого советского народа.

Если пороховой реактивный двигатель поражает своей простотой и не имеет ни одной движущейся части, то турбореактивный двигатель современного реактивного самолета представляет уже довольно сложную машину. Однако оба эти двигателя имеют одну и ту же задачу — развивать реактивную тягу, создаваемую струей вытекающих из двигателя газов.

Воздух, попадающий в турбореактивный двигатель через специальные воздухозаборные отверстия, сжимается в нем до давления в несколько атмосфер. Для этого служит специальная машина — компрессор. Это может быть центробежный компрессор, представляющий собой крыльчатку большого диаметра, вращающуюся с большим числом оборотов, либо осевой компрессор. Осевым он называется потому, что при сжатии в этом компрессоре воздух течет параллельно его оси, а не по радиусам от центра к периферии, как в центробежном компрессоре. Осевой компрессор представляет собой ряд колес с лопатками на ободе, вращающихся между рядами неподвижных лопаток.

В сжатый воздух в камере сгорания двигателя впрыскивается топливо, которым чаще всего является обычный керосин. Продукты сгорания топлива — раскаленные газы — поступают в газовую турбину и расширяются в ней, передавая лопаткам турбины часть своей энергии. Вследствие этого турбина вращается, развивая мощность, необходимую для приведения в действие компрессора. Именно для этой цели и предназначена турбина в двигателе, и поэтому она связывается с компрессором прочным стальным валом. Этот вал действительно должен быть прочным, так как мощность турбины и практически равная ей мощность компрессора в турбореактивных двигателях превышает иной раз 50 тысяч лошадиных сил.

Вытекающие из двигателя через реактивное сопло газы обладают значительной скоростью, намного превышающей скорость полета. Эта разница в скоростях и приводит к возникновению силы реакции, представляющей собой реактивную тягу двигателя. Сила реакции струи вытекающих из двигателя газов — вот та сила, которая заставляет лететь с большой скоростью реактивный самолет.

Турбореактивные двигатели, применяемые на современных самолетах, развивают тягу 5–7 тонн и более (по данным журнала «Интеравиа» № 10, 1958 г., и др.). Легко подсчитать, какую мощность развивает в полете двигатель подобной тяги. Так, мощность двигателя тягой 6000 килограммов при скорости полета 400 метров в секунду, что соответствует 1440 километрам в час, равна 32 тысячам лошадиных сил.

И это в то время, как наиболее мощные поршневые авиационные двигатели развивают по крайней мере в 8 раз меньшую мощность. А ведь поршневые двигатели имеют более чем полувековую историю развития.

Мало того: примерно четверть всей мощности, развиваемой поршневым двигателем, теряется бесполезно винтом, так что при мощности двигателя в 4000 лошадиных сил его полезная мощность составит примерно 3000 лошадиных сил. И вместе с тем такой двигатель будет иметь больший вес и большие размеры, чем турбореактивный двигатель, во много раз более мощный. Вот в чем секрет успеха реактивных двигателей в авиации.

А успех этот, кстати сказать, поистине необычайный. За несколько послевоенных лет вся скоростная авиация мира стала авиацией реактивной. Можно смело говорить о технической революции, вызванной в авиации применением реактивных двигателей.

Когда мы об этом говорим, то не можем не вспомнить с законной гордостью пророческие слова Циолковского, сказанные им еще тогда, когда к самой мысли о создании реактивных самолетов относились как к безудержной фантазии: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных». Эти вещие слова, сказанные четверть века назад, сбылись. Мы живем с вами в самом расцвете эры реактивной авиации.[17]

Достижения реактивной авиации поразительны. Ее возраст еще только немногим больше десятилетия, и все же «таинственный» звуковой барьер уже преодолен! И, как и следовало ожидать, ничего таинственного по ту сторону этого барьера не оказалось, по авторитетному свидетельству многократно побывавших там летчиков. Сейчас уже реактивные самолеты летают со скоростью, превышающей скорость звука в 2,5 и более раз.

Покоривший весь мир красавец реактивный пассажирский самолет «ТУ-104» за 3 часа переносит десятки пассажиров из Москвы в Лондон, за 11 часов — в далекий Владивосток. Пассажир, вылетевший утром из Петропавловска-Камчатского, в тот же день вечером слушает оперу в Большом театре в Москве — кто мог поверить в это еще несколько лет назад!

Новые пассажирские реактивные самолеты, выходящие сейчас на авиалинии, будут перевозить не десятки, а сотни пассажиров. Кто мог ждать что так скоро работникам нашей гражданской авиации придется задуматься над несколько необычной для них задачей — как поскорее довезти пассажиров до… аэродрома. Ведь уже сейчас иной раз пассажиры затрачивают больше времени на поездку из города на аэродром, чем на перелет за сотни километров!

Но эти успехи воздушно-реактивных двигателей в авиации — только первые шаги. Впереди их ждут еще более блестящее будущее, еще большие скорости полета: 3-4-5 тысяч километров в час. И очень интересно, что при таких больших скоростях полета двигатель не только не станет более сложным, но, наоборот, предельно упростится.

Сложность турбореактивного двигателя связана главным образом с его движущимися, вращающимися частями: компрессором и турбиной. Именно они, с одной стороны, уменьшают надежность двигателя, а с другой — ограничивают возможность дальнейшего увеличения его тяги, а значит, и возможность дальнейшего увеличения скорости полета. Но, к сожалению, без компрессора, а следовательно, и без турбины обойтись пока нельзя: для того чтобы двигатель мог работать, развивая большую тягу и расходуя мало топлива, нужно сжимать воздух, увеличивать его давление в камере сгорания. И вот оказывается, что при полете со скоростью, в 3–4 раза превышающей скорость звука, компрессор становится лишним: удается получить нужное высокое давление воздуха в двигателе и без его помощи.

Секрет здесь прост. Почему, когда высовываешься из окна вагона быстро мчащегося поезда, спускаешься на лыжах с крутой горы или с разбегу прыгаешь с высокого трамплина, воздух становится таким упругим? Отчего перехватывает в этих случаях дыхание, какая сила бьет с размаху в грудь и лицо? Почему таким страшным становится обыкновенный ветерок, когда он с силой урагана набрасывается на деревья, строения, людей, срывая крыши с домов, опрокидывая железнодорожные вагоны?

Эта сила рождается, когда стремительно мчащийся воздух задерживается неожиданным препятствием, внезапно и резко останавливается, прерывая свой бешеный бег. Вся мощь, вся кинетическая энергия воздуха затрачивается в этих случаях на его сжатие, на увеличение давления, создавая так называемый скоростной напор. Он-то и валит с ног людей и ломает деревья.

Что же происходит, когда в воздухе мчится с огромной скоростью, быстрее любого урагана, реактивный самолет? Воздух, врывающийся с этой скоростью в двигатель, почти останавливается внутри него. Легко представить себе, каким большим оказывается при этом скоростной напор воздуха. И все же при тех скоростях, с которыми летают современные реактивные самолеты, этот скоростной напор еще не в состоянии создать нужного давления в двигателе, он только помогает компрессору.

Но когда скорость полета начинает значительно превышать скорость звука, то только в результате использования этого скоростного напора давление в двигателе может быть доведено до многих атмосфер и даже до десятков атмосфер.

Тогда в компрессоре, а следовательно, и в турбине не будет никакой надобности. Турбореактивный двигатель превратится, по существу, в одну, летящую с огромной скоростью топку, в летающую трубу, вовсе не имеющую движущихся частей. И, несмотря на эту свою простоту, такой прямоточный воздушно-реактивный двигатель будет при этих больших скоростях полета развивать при тех же размерах и гораздо меньшем весе, чем у современных турбореактивных двигателей, в десятки раз большую тягу и расходовать во много раз меньше топлива.[18] Неудивительно поэтому то внимание, которое уделяется прямоточным двигателям уже сейчас, для того чтобы эти двигатели стали широко применяться в сверхскоростной авиации завтрашнего дня.

Развитие авиационной реактивной техники уже привело к созданию воздушно-реактивных двигателей, способных работать сотни часов подряд, мощных, экономичных, легких. Это были бы замечательные двигатели для межпланетного корабля, если бы… если бы они вообще годились для него. Но они, конечно, не годятся, ибо нуждаются для своей работы (для сгорания топлива) в воздухе, а именно его-то и нет в мировом пространстве.

Значит, для межпланетного корабля нужен реактивный двигатель, сочетающий способность порохового (работать без воздуха) со способностью воздушно-реактивного (работать продолжительное время). Такой двигатель и был изобретен Циолковским.[19]

Циолковский начал интересоваться проблемой межпланетного полета и, в связи с ней, реактивным движением в конце прошлого века. В архиве ученого обнаружена не опубликованная им статья «Свободное пространство», написанная в 1883 году. В этой статье рассматриваются принципы реактивного полета в мировом пространстве.

В 1895 году Циолковский начал работать над повестью «Вне Земли», в которой в качестве межпланетного корабля описывается ракета.

В 1903 году появилась первая печатная работа Циолковского о ракетах как средстве осуществления межпланетных полетов. Это была статья «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованная в журнале «Научное обозрение» № 5 за 1903 год. Появление этой статьи означало официальное рождение новой науки — ракетной астронавтики. При дальнейших многократных переизданиях статьи, начиная с 1924 года, она получила название «Ракета в космическое пространство».

Циолковский в этой классической статье наряду с разработкой теории межпланетных полетов изложил проект межпланетного корабля с изобретенным им жидкостным ракетным двигателем. Именно этому двигателю суждено решить проблему космического полета, ибо только он счастливо сочетает в себе возможности удовлетворения всех противоречивых требований, предъявляемых к двигателю межпланетных кораблей. Одного этого изобретения было бы достаточно, чтобы обессмертить имя Циолковского.

Жидкостный ракетный двигатель, как и пороховой, не нуждается в воздухе для своей работы и, следовательно, может работать и в безвоздушном пространстве даже с большим успехом, чем в атмосфере. Вместе с тем он обладает гораздо большей продолжительностью работы, чем пороховой, ибо он работает, как показывает и само название двигателя, не на твердом, а на жидком топливе, которое можно постепенно подавать из баков в камеру сгорания. Именно в этой высказанной Циолковским идее использования в ракетном двигателе жидкого топлива и заключается замечательная суть его изобретения. Эта идея широко используется не только в жидкостных ракетных двигателях, но и в воздушно-реактивных двигателях, о чем было рассказано в предыдущей главе.

Однако топливо для жидкостных ракетных двигателей представляет собой не одну какую-нибудь жидкость, как, например, бензин для поршневых и керосин для турбореактивных двигателей, а обычно состоит из двух различных жидкостей. Каждая из них хранится в особом баке или отсеке корабля, как это показано на схеме Циолковского, и только обе вместе они составляют топливо.

Одна из этих жидкостей — это так называемое горючее. Как видите, в данном случае горючее и топливо — не одно и то же; горючее — это только часть топлива.

Роль горючего и в этом случае такова же, как всегда, — при его сгорании должно выделяться тепло, необходимое для работы жидкостного ракетного двигателя. В качестве горючих применяются обычные нефтяные горючие — бензин, керосин, а также спирт, анилин и другие вещества (на схеме корабля Циолковского на отсеке с горючим написано «углеводород»).

Легко сообразить, какая жидкость должна заполнять второй бак. Ведь для сгорания горючего необходим кислород. Где же взять его, если нельзя заимствовать из окружающей атмосферы? Очевидно, во втором баке должна находиться жидкость, содержащая в себе в достаточном количестве кислород, или так называемый окислитель. В качестве окислителя применяются такие жидкости, как крепкая азотная кислота, перекись водорода высокой концентрации и другие вещества. Широко применяется также предложенный Циолковским чистый кислород, только, конечно, не газообразный (его вошло бы в бак очень мало, да и бак пришлось бы делать очень прочным), а жидкий. Для сжижения, как известно, кислород приходится охлаждать до температуры минус 183°.

Обе части топлива — горючее и окислитель — подаются под высоким давлением в камеру сгорания двигателя. Давление, достигающее десятков атмосфер, может создаваться, например, каким-либо газом, вытекающим в баки с топливом из баллона высокого давления, где он содержится. Подача топлива может осуществляться также с помощью специальных насосов, как это показано на схеме Циолковского.

В камере сгорания происходит встреча составных частей топлива, заканчивающаяся химической реакцией сгорания. При этом выделяется большое количество тепла, так что температура в камере сгорания оказывается очень высокой — она превышает в некоторых случаях 3000°. Раскаленные газы, продукты этого сгорания, вытекают из двигателя через сопло наружу с огромной скоростью, достигающей 2,5 километра в секунду и даже больше.

Естественно, что сила реакции струи вытекающих газов, представляющая собой реактивную тягу двигателя, оказывается очень большой: ведь эта сила прямо пропорциональна скорости истечения газов из двигателя. Реактивная тяга и должна сообщить межпланетному кораблю необходимую большую скорость.

За полвека, прошедшие со времени изобретения Циолковским жидкостного ракетного двигателя, он прошел большой путь развития. Первые десятилетия характеризовались в этом отношении главным образом настойчивым трудом отдельных изобретателей-энтузиастов, их скромными попытками построить жидкостный ракетный двигатель и использовать его для полета ракеты. В настоящее время созданы уже многие проверенные, надежные конструкции таких двигателей. Они устанавливаются на различных самолетах и ракетах, используются для самых разнообразных целей. Над этой проблемой работают научно-исследовательские институты и конструкторские коллективы. Выросла новая, стремительно развивающаяся отрасль промышленности по производству жидкостных ракетных двигателей и реактивных летательных аппаратов.

Как и в других отраслях реактивной техники, не только первое слово, но и дальнейшие заслуги в развитии жидкостных ракетных двигателей принадлежат во многом нашей стране.

Несколько позже Циолковского и независимо от него начал работать над проблемой межпланетных полетов и, в этой связи, реактивной техникой талантливый исследователь и изобретатель-самоучка Ю. В. Кондратюк. Наряду с теорией межпланетных полетов, которую рассматривал в своих работах Кондратюк, он высказал ряд оригинальных мыслей в отношении совершенствования жидкостных ракетных двигателей. В частности, им было высказано независимо от Циолковского, первым выдвинувшего эту идею, предложение об использовании в качестве окислителя озона вместо кислорода, что является перспективным и в настоящее время.

Много сделал для развития жидкостных ракетных двигателей последователь и продолжатель идей Циолковского — Ф. А. Цандер. Это был первый инженер в нашей стране, который посвятил себя работе в области межпланетного полета и ракетной техники. Цандеру принадлежит ряд идей, способствующих успешному решению задачи межпланетного полета. Он осуществил исследования многих вопросов развития и совершенствования двигателей для межпланетных кораблей.

Еще в 1920 году, когда наша страна только выходила из пламени гражданской войны и перед ней стояли тяжелые задачи восстановления разрушенного войной народного хозяйства, Цандер выступал на Московской конференции изобретателей с докладом о проекте своего межпланетного корабля и двигателя для него. Владимир Ильич Ленин обещал тогда изобретателю поддержку в его дальнейшей работе. Это явилось ярким свидетельством того повседневного внимания, которым окружено в нашей стране смелое творчество и дерзание в науке.

В 1930 году Цандер построил свой первый двигатель, работавший на бензине и газообразном воздухе. Этот двигатель представлял собой, по существу, только модель другого, большего двигателя, развивавшего тягу до 50 килограммов и работавшего на бензине и жидком кислороде, который был построен Цандером в 1932 году. Он проходил испытания уже после преждевременной смерти Цандера в 1933 году. Это был один из первых жидкостных ракетных двигателей в мире. Цандер высказал мысль об использовании некоторых металлов в качестве горючего для жидкостных ракетных двигателей (независимо от Цандера эта мысль была высказана также Кондратюком). Это позволяет, в частности, сжигать части конструкции самого межпланетного корабля, становящиеся ненужными в процессе полета: опустошившиеся баки и т. п. Цандер разработал также методику расчета жидкостных ракетных двигателей.

Первый у нас в стране жидкостный ракетный двигатель был создан коллективом советских ученых, конструкторов, инженеров и рабочих в 1930 году. Этот двигатель, получивший название ОРМ-1 («Опытный реактивный мотор — первый»), был для того времени весьма совершенным по своей конструкции. Он состоял из 93 деталей, имел цилиндрическую стальную камеру сгорания и набор сменных стальных сопел. Двигатель работал на топливе, состоявшем из четырехокиси азота — в качестве окислителя и толуола — в качестве горючего. Три форсунки служили для подачи окислителя и три — для подачи горючего. При испытании двигатель развивал тягу до 20 килограммов.

Тогда же были осуществлены важные исследования в области теории жидкостных ракетных двигателей, предложен ряд топлив для них, в том числе нашедшие широкое применение азотная кислота и перекись водорода, и некоторые перспективные топлива, а также создано большое число жидкостных ракетных двигателей различного назначения. Так, двигатель ОРМ-50 тягой 150 килограммов, работавший на азотной кислоте и керосине, был предназначен для установки на отечественной экспериментальной ракете. Кстати сказать, 17 августа 1933 года состоялся первый запуск этой ракеты, вслед за которым были совершены и многие другие полеты, в том числе и на значительные высоты.

Одним из наиболее совершенных жидкостных ракетных двигателей того времени был двигатель ОРМ-65 тягой 175 килограммов, созданный в 1936 году для установки на новых видах летательных аппаратов — «воздушной торпеде» и ракетоплане.

«Воздушная торпеда» представляла собой первую из ракет такого рода — беспилотную крылатую ракету с автоматическим управлением. Дальность полета торпеды должна была составлять по проекту 50 километров. Торпеда успешно прошла летные испытания в 1939 году (29 января и 8 марта). Ракетоплан представлял собой экспериментальный самолет-моноплан небольшого размера, предназначенный для установки на нем жидкостного ракетного двигателя, — это был первый не только у нас в стране, но и во всем мире летательный аппарат подобного типа. Он был создан путем переоборудования двухместного планера, успешно летавшего начиная с 1935 года. Во время наземных испытаний двигателя на ракетоплане он проработал (в марте 1938 года) непрерывно 230 секунд, что было большим достижением для того времени.

Крупнейшим успехом в развитии жидкостных ракетных двигателей был ознаменован 1940 год: в этом году совершен первый полет человека на самолете с жидкостным ракетным двигателем. 28 февраля 1940 года с одного из подмосковных аэродромов взлетел самолет, на буксире у которого находился упомянутый выше ракетоплан (с другим ракетным двигателем). В воздухе летчик В. П. Федоров, пилотировавший ракетоплан, перевел его на самостоятельный полет и включил двигатель. Так был совершен этот исторический полет человека на самолете с жидкостным ракетным двигателем. Началась новая страница в развитии реактивной техники.

Через два с небольшим года, 15 мая 1942 года, капитан Г. Я. Бахчиванджи совершил первый полет уже на специально спроектированном самолете с жидкостным ракетным двигателем. Первый раз в истории такой самолет поднял человека в воздух.

Жидкостные ракетные двигатели применяются сейчас в авиации для различных целей.

В ряде случаев они используются для облегчения взлета тяжелых самолетов. Иногда эти двигатели устанавливаются на самолетах в дополнение к основному двигателю другого типа, например турбореактивному, с целью увеличения скорости полета в нужный момент — при наборе высоты, в воздушном бою и т. д. Такая установка применялась в нашем Военно-Воздушном Флоте еще в годы минувшей войны; в частности, жидкостный ракетный двигатель РД-1 был установлен в хвосте известного пикирующего бомбардировщика «ПЕ-2» конструкции В. М. Петлякова.

Устанавливаются жидкостные ракетные двигатели на самолетах и в качестве основного и единственного двигателя. Самолеты с этими двигателями предназначаются обычно для исследовательских целей — изучения особенностей полета на очень больших, сверхзвуковых скоростях. С их помощью удается достигать наибольших, доступных пока, скоростей полета. Имеются и военные самолеты с такими двигателями — так называемые истребители обороны, или истребители-перехватчики, задачей которых является борьба с бомбардировщиками врага.

Однако самолеты с жидкостным ракетным двигателем обладают и одним очень серьезным недостатком по сравнению с другими самолетами — они могут находиться в полете гораздо меньшее время. Это объясняется тем, что жидкостные ракетные двигатели обладают исключительной «прожорливостью» — они расходуют в 15–20 раз больше топлива, чем турбореактивные двигатели такой же тяги. Это не удивительно. Ведь турбореактивные двигатели современных самолетов, хотя бы нашего хорошо всем известного авиалайнера ТУ-104, помимо топлива, находящегося в баках самолета, используют для своей работы атмосферный воздух, точнее — кислород из этого воздуха. Таким образом, вся окружающая нас атмосфера служит для этого двигателя как бы вторым огромным «топливным» баком. Иначе обстоит дело в случае жидкостного ракетного двигателя. Как уже было отмечено в начале этой главы, на самолете с таким двигателем, помимо бака с горючим, должен иметься и бак с окислителем — допустим, тем же кислородом, но только жидким. Понятно, что общий расход топлива, то есть горючего вместе с окислителем, получается значительно большим, чем расход топлива в турбореактивном двигателе. Вот почему при непрерывной работе жидкостного ракетного двигателя на полной мощности запаса топлива на истребителе-перехватчике хватает лишь на 3–5 минут! Чередуя разгон самолета при работающем двигателе с последующим планированием, когда двигатель выключен, летчик такого самолета может довести общую продолжительность полета до 20–30 минут. Этого только-только хватает для того, чтобы взлететь, навязать бой противнику в районе своего аэродрома и сесть с пустыми баками. Поэтому жидкостные ракетные двигатели применяются пока только на единственном типе самолетов — истребителях-перехватчиках, да и то вдобавок к другому двигателю.

Главное использование жидкостных ракетных двигателей связано, однако, в настоящее время не с авиацией, а с различного рода ракетами. Это и тяжелые снаряды противовоздушной обороны, и ракетные авиабомбы, и снаряды дальнего действия, и высотные ракеты.

Применение тяжелых ракет с жидкостным ракетным двигателем с каждым днем все расширяется, и некоторые из таких ракет начинают уже сильно походить на небольшие межпланетные корабли, как их обычно рисуют в книжках…

Вот одна из таких ракет, применявшаяся в минувшую войну в качестве тяжелого дальнобойного реактивного снаряда. Боевая головка этого снаряда заключала в себе ¾ тонны взрывчатого вещества, и снаряд пролетал расстояние около 300 километров. Конечно, ни одна самая тяжелая и дальнобойная пушка такими тяжелыми снарядами и так далеко не стреляла. На этом снаряде был установлен мощный жидкостный ракетный двигатель.

Ракета имела длину около 14 метров, диаметр — 1,7 метра, а сзади, по хвостовому оперению, — даже 3,6 метра. Поневоле поражаешься размерам этой ракеты, когда сравниваешь ее с фигурами стоящих рядом людей. Ну, и вес ракеты тоже внушительный — примерно 13 тонн, так что вес «полезной нагрузки» — взрывчатки — составляет только небольшую часть, несколько процентов от общего веса ракеты.

Двигатель установлен в «корме» ракеты, как это будет, очевидно, и на межпланетном корабле. Работает он на топливе, состоящем из двух жидкостей. Вот почему на этой ракете, в ее средней части, установлены два гигантских бака.

В переднем баке находится горючее, которым в данном случае служит этиловый, то есть винный, спирт (крепкий, не менее 75°). Задний бак служит для хранения окислителя — чистого жидкого кислорода, как это и предлагал в свое время Циолковский. Запас топлива на ракете равен примерно 9 тоннам. Вот что составляет большую часть, примерно ⅔, общего веса ракеты. Из этих 9 тонн около 4 тонн — спирт, остальное — жидкий кислород.

Для выстрела, то есть запуска, ракета устанавливается в вертикальном положении, в котором она поддерживается с помощью специального легкого станка-люльки. Почти как межпланетный корабль, приготовившийся к прыжку в мировое пространство! В таком положении заполняются топливом гигантские баки ракеты — ракета заправляется. Для этой цели служат мощные автозаправщики, но какими игрушечными они кажутся рядом с устремленной ввысь ракетой!

Но вот заправка кончена, ракету можно запускать. Открываются топливные краны, спирт и кислород поступают в камеру сгорания двигателя. Там происходит воспламенение топлива, и образовавшиеся в результате сгорания раскаленные газы с большой скоростью начинают вытекать из двигателя через сопло в атмосферу.

Сила реакции струи вытекающих из двигателя газов направлена вверх; она стремится поднять ракету, оторвать ее от земли.

Сделать это, правда, не так просто, ведь ракета весит 13 тонн! Однако, оказывается, при нормальной своей работе двигатель ракеты развивает тягу, вдвое превосходящую вес ракеты, — тягу в 25–26 тонн. Это тяга современных мощных паровозов, водящих тяжеловесные поезда. И вот с такой огромной силой газы, вырывающиеся из ракеты вниз, толкают ее вверх. На этот режим полной тяги двигатель выходит только через несколько секунд после его запуска (вначале устанавливается так называемый предварительный режим — с тягой 8 тонн). Быстро увеличиваясь, тяга выравнивается с весом ракеты, потом становится больше этого веса — ракета вздрагивает, медленно, как бы нехотя, отрывается от земли, а затем все быстрее и быстрее взмывает кверху, очень скоро исчезая из глаз наблюдателя.

Весь дальнейший полет ракеты осуществляется автоматически. Он управляется приборами, стоящими на самой же ракете, в специальном приборном отсеке, за боевой головкой. Повлиять на полет ракеты с земли после того, как она уже взлетела, невозможно. Ракета взлетает, а потом, подчиняясь команде приборов, установленных на ней, мчится к цели, находящейся на расстоянии 300 километров от места взлета.

Первые 10–11 секунд после старта ракета летит прямо вверх, в небо. Затем приборы управления полетом ракеты отклоняют ее рули, расположенные сзади. Вследствие этого ракета перестает подниматься вертикально и начинает полет по сложной криволинейной траектории, впрочем близкой к дуге круга. Летя таким образом, ракета достигает весьма большой высоты — примерно 40 километров. На этой высоте двигатель ракеты выключается, останавливается. К этому моменту он успевает выработать все топливо, запасенное на ракете в гигантских баках, — все 9 тонн.

Через сколько же времени это происходит после взлета ракеты? Оказывается, через минуту. За эту одну-единственную минуту ракета уносится на высоту 40 километров, а ее двигатель одним, поистине гигантским, глотком проглатывает 9 тонн топлива.

Однако это топливо двигатель расходует не напрасно, ибо он развивает в полете действительно колоссальную мощность.

Если судить по энергии вытекающей из двигателя струи газов, то его мощность достигает почти 400 тысяч лошадиных сил. Еще больше полезная мощность, соответствующая работе продвижения ракеты в окружающей среде. Эта мощность непрерывно увеличивается с ростом скорости полета, так как она равна произведению тяги на скорость. Перед остановкой двигателя ракета летит со скоростью около 5500 километров в час, или 1,5 километра в секунду. При этом полезная мощность превышает полмиллиона лошадиных сил, приближаясь к мощности Днепрогэса.

После остановки двигателя ракета продолжает полет за счет накопленной ранее скорости, как снаряд, вылетевший из ствола артиллерийского орудия. Правда, такую пушку в данном случае надо было бы поместить на высоте 40 километров. Летя таким образом, ракета забирается еще выше и достигает максимальной высоты — примерно 100 километров.

Но и 100 километров — это совсем не предел, достигнутый современной реактивной техникой, как не предел и достигнутая скорость полета в 1,5 километра в секунду. Использование идей Циолковского позволило добиться уже значительно больших успехов в том замечательном штурме мирового пространства, который ведет реактивная техника.

Какие же это идеи?

Раз известно, какую скорость нужно сообщить межпланетному кораблю, и найден двигатель для него, то не должно быть ничего трудного в том, чтобы рассчитать межпланетный корабль — определить нужный запас топлива, общий вес корабля, траекторию полета. Однако первые же попытки Циолковского решить сначала более простые задачи — например, определить, как далеко залетит какая-нибудь ракета или как высоко она поднимется, — натолкнулись на несколько неожиданное препятствие. Оказалось, что подобных задач до Циолковского еще никто не решал. Выяснилось также, что это не такие уж простые задачи.

Известно, что законы движения различных тел изучает наука о движении — механика, созданная Ньютоном. Естественно, что в поисках нужного ему решения Циолковский обратился за помощью к механике. Однако в то время эта наука оказалась бессильной помочь Циолковскому.

До Циолковского механика имела дело всегда с телом определенной массы. И это всех устраивало, ибо на практике только такие случаи и встречались. Трудно было себе представить, например, задачу о падении какого-нибудь камня, который бы в полете «худел», теряя массу.

Но перед Циолковским стояли, увы, именно такие задачи. Масса ракеты в полете сильно изменяется, так как часть массы ей приходится отбрасывать в виде продуктов сгорания топлива. Поэтому ракета, пока работает ее двигатель, не похожа на обычные снаряды. Это какой-то особый, быстро «тающий» в полете снаряд. Вспомните, например, ракету, описанную в предыдущей главе. За одну минуту полета с работающим двигателем ее вес уменьшается с 13 до 4 тонн. Поистине катастрофическое «похудание»…

Чтобы научиться рассчитывать полет ракет, нужно было сначала разработать новую главу механики — механику тел переменной массы. Без этого нельзя было создать и науку о движении ракет — ракетодинамику.

Честь решения этих задач принадлежит Циолковскому. И в этом — одна из наибольших его заслуг перед человечеством, перед наукой. Разработанная Циолковским механика тел переменной массы позволяет решать множество важных технических задач; она лежит и в основе теории межпланетного полета.

Интересно, что практически одновременно с Циолковским и независимо от него разработкой механики тел переменной массы занимался крупный русский ученый — профессор И. В. Мещерский, которому принадлежит решение ряда важных проблем в этой области.

И в наши дни ведущая роль в разработке вопросов ракетодинамики принадлежит советским учёным, ученикам Циолковского и Мещерского.

Чтобы изучить законы движения ракет, Циолковский рассмотрел простейший случай полета ракеты — полет ее в таком пространстве, в котором нет сопротивления воздуха и отсутствует сила тяжести. Циолковский назвал это условное пространство свободным. В таких примерно условиях будет находиться межпланетный корабль при полете в межзвездном мировом пространстве — воздуха там нет, а силой тяжести в первом приближении можно пренебречь, если корабль не находится непосредственно вблизи тяжелых небесных тел.

Главная задача, которая стояла перед Циолковским, заключалась в том, чтобы научиться определять конечную скорость ракеты, то есть ту скорость, которую ракета приобретает, когда ее двигатель останавливается из-за выработки всего топлива.

Решение этой задачи было получено впервые Циолковским и опубликовано им в 1903 году. Полученная Циолковским формула, позволяющая определить конечную скорость ракеты, имеет важнейшее значение в теории ракет и, значит, в теории межпланетного полета. Во всем мире эту формулу, так называемую формулу ракеты, знают как закон Циолковского, как формулу Циолковского.[20]

Формула Циолковского позволяет ответить на очень важный вопрос — от чего, в конце концов, зависит конечная скорость ракеты. Оказывается, эта скорость не зависит ни от того, мала ракета или велика, ни от того, сколько килограммов или тонн топлива запасено на ракете, ни от того, наконец, сколько времени работает двигатель ракеты. Она зависит только от двух условий: с какой скоростью газы вытекают из сопла ракеты и каков относительный запас топлива на ракете, то есть какая часть общего веса ракеты при взлете приходится на долю топлива.

Конечная скорость ракеты будет тем больше, чем больше скорость истечения газов и чем больше относительный запас топлива.

Для современных жидкостных ракетных двигателей скорость истечения равна примерно 2500 метрам в секунду, редко превышая эту величину.

Чему же равняется величина относительного запаса топлива для современных ракет?

Для тяжелой ракеты, описанной в предыдущей главе, вес топлива при взлете составляет 9 тонн при общем весе 13 тонн. Следовательно, в этом случае относительный запас топлива равен 9:13, или примерно 0,7. Формула Циолковского показывает, что увеличение относительного запаса топлива на этой ракете с 0,7 до 0,8 увеличило бы скорость ее полета в свободном пространстве на 34 процента, а дальнейшее увеличение с 0,8 до 0,9 — на 43 процента. Если бы можно было построить ракету с относительным запасом топлива 0,9, то скорость полета ракеты, по формуле Циолковского, равнялась бы 5750 метров в секунду. Для того чтобы достичь скорости отрыва, то есть примерно 11 километров в секунду, вес запаса топлива на ракете должен составлять 99 процентов от взлетного веса ракеты. Вес самой ракеты двигателя, полезной нагрузки должен в этом случае составлять только 1 процент от взлетного веса ракеты.

Однако создать такую ракету практически невозможно. Да и вообще увеличение относительного запаса топлива на ракете наталкивается в настоящее время на все большие конструктивные трудности. Вероятно, величина относительного запаса топлива около 90 процентов является практически достижимым пределом. Очевидно, решить задачу межпланетного полета путем увеличения относительного запаса топлива вряд ли удастся. Наилучшие сорта топлива, которые могут быть созданы в будущем, даже при наибольших возможных значениях относительного запаса топлива на ракете, могут обеспечить скорость полета, не превышающую примерно 9 километров в секунду. И это даже без учета различных потерь.

И все же изобретательский гений Циолковского подсказал ему замечательное решение этой задачи. Высказанная им идея coставных ракет, или, как говорил Циолковский, «ракетных поездов», заключается в том, чтобы уже в полете освобождаться от тех частей ракеты, которые стали ненужными. Как всякая выдающаяся идея, это предложение Циолковского сочетает в себе исключительную простоту с необычайной плодотворностью результата.

По идее Циолковского,[21] ракета в этом случае должна состоять из ряда самостоятельных, автономных отсеков, то есть, по существу, из ряда связанных друг с другом отдельных ракет. Представьте себе такую цепочку ракет, напоминающую обычный поезд, состоящий из железнодорожных вагонов, только установленный вертикально.

Этот ракетный поезд должен лететь следующим образом. При взлете работает двигатель самой задней ракеты,[22] который уносит весь поезд на большую высоту и сообщает ему значительную скорость. Когда все топливо на этой ракете будет израсходовано, она автоматически отделяется от поезда и падает на землю или опускается на парашюте. В то же мгновение включается двигатель следующей, второй ракеты, который продолжает увеличивать скорость всего поезда, пока и здесь не кончится топливо. После этого она также отделяется от поезда. Тогда запускается двигатель следующей ракеты и т. д.

Таким образом, этот поезд является очень своеобразным и сильно отличается от обычных поездов: он постепенно «тает» в полете. В подобном поезде все пассажиры должны находиться в самом переднем «вагоне», иначе они рискуют не добраться до цели…

Легко видеть, что скорость самой последней, передней ракеты получается значительно большей, чем была бы скорость всего поезда при выработке такого же количества топлива. Ведь в этом случае не приходится тащить с собой мертвый груз в виде отработавших и ставших бесполезными ракет.

Выгода получается тем большей, чем больше число ступеней ракеты (расчет может определить наивыгоднейшее число ступеней[23]). Так, например, чтобы ракета с полезной нагрузкой 5 килограммов приобрела скорость отрыва, она может быть пятиступенчатой и ее взлетный вес должен равняться тогда 375 тоннам. Если же увеличить число ступеней ракеты до 10, то общий вес поезда при взлете уменьшится в 6 с лишним раз и составит только 60 тонн.

Однако создание ракетных поездов с очень большим числом ступеней дает, как это установил еще Циолковский, малый выигрыш и вместе с тем наталкивается на серьезные конструктивные трудности. Достаточно указать, например, что поезд, составленный из 5 ракет, обеспечил бы в 5 раз большую скорость, чем одна ракета, но зато полезный груз при этом уменьшился бы в 10 тысяч раз и на каждую тонну веса исходной ступени пришлось бы всего… 10 граммов полезного веса.

Можно считать, что практически будет вряд ли целесообразно строить ракетные поезда с числом ступеней больше 5–6. В своей работе «Космические ракетные поезда», выпущенной в 1929 году, Циолковский подробно рассмотрел различные возможные типы поездов.

Идея создания составных ракет, предложенная Циолковским, нашла уже широкое применение в боевых ракетах. В частности, в минувшую войну немецко-фашистскими захватчиками широко применялись двухступенчатые ракеты. Применялись и более сложные составные ракеты, например боевая пороховая ракета, имевшая четыре ступени.

Ракетный поезд был не единственным типом составной ракеты, предложенным Циолковским. Он предложил и другой тип такой ракеты, названный им «ракетой с переливкой топлива». В этом случае ракета тоже состоит из нескольких ступеней, но ступени эти делаются совершенно одинаковыми и, кроме того, выстраиваются не в затылок друг другу, как в обычном ракетном поезде, а рядом. Вся эта связка ракет взлетает одновременно, причем работают двигатели всех ракет. Но когда половина топлива, запасенного на каждой ракете, вырабатывается, то связка уменьшается ровно вдвое — топливо из одной половины ракет переливается в баки другой половины и опустошившиеся ракеты отделяются от связки. Затем все повторяется сначала до тех пор, пока изо всей связки не останется одна-единственная ракета, отправляющаяся в свой далекий полет с необходимой космической скоростью.

Идея такой составной ракеты, как видно, остается той же — опустошившиеся ракеты отделяются и тем самым уменьшается масса ракеты, получающая ускорение. Но если в случае обычного ракетного поезда последняя ракета получает как бы по эстафете скорость, накопленную всеми предшествующими ракетами, то в связке ракет последняя ракета точно так же по эстафете получает топливо из этих ракет, что позволяет ее двигателю развить необходимую большую скорость.

До настоящего времени идея переливки топлива не получила широкого применения из-за ряда трудностей. Однако это вовсе ие означает, что она не будет использована и в дальнейшем. Наоборот, она обладает кое-какими преимуществами перед «поездом» и не удивительно, что некоторыми учеными серьезно рассматривается как возможная будущая конструктивная схема межпланетного корабля.

Дальнейшее развитие идеи Циолковского о составных ракетах осуществлено советским инженером Ф. А. Цандером. Очевидно, если бы можно было использовать ненужные, отбрасываемые части конструкции ракеты в качестве топлива для жидкостного ракетного двигателя, то конечная скорость ракеты при этом увеличилась бы. Именно это и является содержанием предложения Цандера. Он разработал ряд проектов межпланетных многоступенчатых ракет, в которых металлические части конструкции, становящиеся ненужными в полете — опустошившиеся баки, крылья и проч., расплавляются и подаются в камеру сгорания жидкостного ракетного двигателя. Цандеру принадлежит, как указывалось в предыдущей главе, и сама идея использования ряда металлов — алюминия и других — в качестве топлива для жидкостных ракетных двигателей. Он же провел и опыты по сжиганию такого металлического горючего.

Разрабатывая ракетодинамику, Циолковский не ограничился простейшим случаем полета в свободном пространстве. Им были рассмотрены многие другие важнейшие задачи теории межпланетного полета и получены формулы, лежащие в основе астронавтики. Постепенно усложняя задачу, Циолковский рассмотрел полет ракеты в поле тяжести, то есть в таком пространстве, где действует сила тяготения. Им было исследовано влияние сопротивления воздуха, то есть рассмотрен полет ракеты в земной атмосфере, как это бывает при взлете и посадке межпланетного корабля. Циолковский установил наивыгоднейшие методы взлета межпланетного корабля, рассчитал запас топлива, необходимый для совершения различных межпланетных полетов. Эти и другие ценные результаты исследований теории межпланетного полета, полученные Циолковским, заложили прочную теоретическую основу астронавтики.

На какие же перспективы развития реактивной техники может рассчитывать астронавтика, строя свои планы постепенного завоевания безграничных далей мирового пространства?

Десятилетия, прошедшие с тех пор, как Циолковский создал астронавтику, показали всю правильность разработанного им стратегического плана борьбы за покорение мирового пространства.

Циолковский считал, что путь в мировое пространство совпадает со столбовой дорогой развития авиации и реактивной техники. Сначала все более высотные полеты самолетов с обычными поршневыми двигателями. Затем создание «стратопланов полуреактивных» (так называл Циолковский самолеты с воздушно-реактивными двигателями за много лет до того, как такие самолеты появились в действительности). Все большая скорость и высота полета этих самолетов. Наконец, переход к ракетным самолетам с жидкостными ракетными двигателями, способными летать в самых верхних слоях атмосферы с недосягаемыми для других самолетов скоростями. Далее, с постепенным ростом скорости, высоты и дальности полета и уменьшением поверхности несущих крыльев — к космической ракете.

Многие ученые на Западе смотрели на дело иначе. Они писали, что астронавтика будет развиваться вне связи с авиацией, своей особой дорогой. Выходило так, что астронавтика закладывается на чистом месте, что создание космического корабля — задача, которая должна решаться с самого начала как целиком новая, что опыт авиации ничем здесь помочь не может.

Теперь уже можно говорить о том, что история опровергла эти утверждения. Нет сомнений, что весь ход развития авиации и реактивной техники подготавливает почву для решения задач астронавтики. Без опыта, накопленного за все эти годы авиацией и реактивной техникой, создание космического корабля было бы невозможным. Авиация и реактивная техника являются техническим фундаментом астронавтики. Именно поэтому с каждым годом возможность осуществления полетов в мировое пространство делается все более реальной и вековая мечта человечества — все более осуществимой.

Развитие реактивной техники вскрыло еще одну весьма интересную особенность, по существу предсказанную Циолковским. Две бывшие до сих пор самостоятельными ветви реактивной техники — авиация и артиллерия — постепенно сближаются. Конструктивные формы самолетов и ракет становятся все более сходными, и в них начинают угадываться будущие очертания космических кораблей. Самолеты постепенно теряют очертания, характерные для обычной винтовой авиации: нос фюзеляжа становится заостренным, как у снаряда; крылья уменьшаются в размерах, приобретают стреловидные очертания; дужка крыла вместо каплевидной формы получает заостренную переднюю кромку. С другой стороны, тяжелые реактивные снаряды приобретают небольшие крылышки и становятся очень похожими на некоторые новые, реактивные самолеты.

Сама механика полета самолетов может стать в будущем очень непохожей на принятую в настоящее время и приблизиться к артиллерийской. В настоящее время двигатель самолета, как известно, работает в течение всего времени полета, тогда как двигатель реактивного снаряда работает лишь в течение короткого промежутка времени — при запуске-выстреле. Установка на самолете ракетного двигателя, имеющего большую тягу, позволяет осуществить полет самолета по образцу полета снаряда. В этом случае двигатель самолета работает лишь короткое время при взлете, осуществляя разгон самолета до очень большой скорости и забрасывая его, подобно снаряду, на огромную высоту. Дальнейший полет самолета осуществляется с остановленным двигателем, так что топливо не расходуется, причем самолет совершает длительный планирующий полет с постепенным снижением. Расчет показывает, что самолет в состоянии пролететь при этом гораздо большее расстояние и совершить такой полет в значительно меньшее время, чем существующие сейчас самолеты любых типов.

Несомненно, именно так будут совершаться в будущем сверхдальние и сверхскоростные перелеты на Земле. Например, полет Владивосток — Москва можно будет совершить таким образом примерно за один час, обгоняя видимое движение Солнца. Так что, поужинав во Владивостоке, можно будет в тот же день… позавтракать в Москве! Такие полеты сближают авиацию с астронавтикой, ибо при их выполнении самолеты должны залетать, по существу, уже в преддверие мирового пространства. Техника полета межпланетного корабля будет также основана на коротком разгоне вначале и последующем длительном полете с остановленным двигателем. В главе 10 возможность таких астронавтических перелетов на Земле будет рассмотрена подробнее.

Формула Циолковского, о которой шла речь в предыдущей главе, показывает, в каком направлении должна развиваться реактивная техника, чтобы решить задачи астронавтики. Реактивные летательные аппараты должны совершенствоваться так, чтобы: а) на аппарате данного веса можно было разместить возможно большее весовое количество топлива; б) жидкостные ракетные двигатели обеспечивали максимально возможную скорость истечения газов.

Каковы же перспективы развития реактивной техники в обоих этих направлениях?

Возможности дальнейшего увеличения относительного запаса топлива на ракете в настоящее время весьма ограниченны. Вспомните дальнюю ракету, описанную в главе 6. Вес топлива на этой ракете превышал вес пустой ракеты (без полезного груза) примерно в 3 раза. В лучших образцах построенных одноступенчатых ракет это соотношение значительно больше, что является замечательным достижением. Ведь обыкновенный легкий алюминиевый бачок вместимостью 10 килограммов бензина весит примерно 1 килограмм. Значит, уже сейчас по весу ракеты на 1 килограмм запасенного на ней топлива она всего раза в полтора тяжелее такого бачка. Но ракета рассчитана на полет при огромных скоростях, она должна выдерживать большие инерционные перегрузки, возникающие в таком полете. Кроме того, на ракете установлены двигатели, сложное приборное оборудование, система управления в полете. Все это значительно увеличивает ее вес.

Конечно, ракета имеет гораздо большие размеры, что позволяет создать относительно более легкую конструкцию; в ней могут быть применены и специальные прочные и легкие материалы. Однако только при использовании предложенных Циолковским составных ракет можно добиться того, чтобы на 1 килограмм веса ракеты, который она будет иметь после выработки всего топлива, приходились многие десятки килограммов веса топлива при взлете, что необходимо для осуществления космического полета. А идея Цандера использовать части конструкции ракеты в качестве топлива может увеличить это отношение еще во много раз.

Вот почему астронавтику интересует больше всего то направление развития реактивных летательных аппаратов, которое связано с совершенствованием конструкции составных ракет, накоплением опыта их эксплуатации, осуществлением все более высотных и дальних полетов этих ракет, сначала без людей, а потом с людьми.

Одной из важнейших проблем является создание новых материалов, из которых будут строиться межпланетные корабли. Материалы должны быть прочными, легкими, жаростойкими. Вряд ли для этой цели пригодятся алюминиевые и магниевые сплавы, являющиеся в настоящее время основными конструкционными материалами в авиации. Если эти сплавы и найдут применение на межпланетном корабле, то только для различных вспомогательных целей. Основными материалами будут, по-видимому, новые сплавы, созданные металлургами, и новые пластмассы, созданные химиками. Вероятно, на межпланетном корабле найдут широкое применение специальные высокожаропрочные стали, новые керамические материальна также комбинации тех и других — для участков корабля, которые, будут подвергаться особенно сильному нагреву в полете.

Каковы возможности применения на межпланетном корабле новых, необычных еще сегодня материалов, можно видеть хотя бы на примере стекла. Не исключено, что многие части космических кораблей и даже вся его обшивка будут изготовлены именно из стекла. Конечно, это будет не обычное, всем хорошо известное стекло. В последние годы созданы замечательные сорта стекла, обладающие многими ценными качествами для астронавтики. Так, например, в США создано стекло, имеющее в отличие от обычного кристаллическую структуру. Это стекло тверже стали, легче алюминия, в 15 раз прочнее обычного стекла, причем эту свою твердость оно не теряет даже при нагреве до 700 °C; его температура плавления близка к температуре плавления железа. Из такого стекла можно изготовить даже такие детали, как лопатки турбин. Новое стекло может быть сделано как прозрачным, так и непрозрачным. Вот почему можно представить целиком стеклянный космический корабль будущего с прозрачными стенками пассажирской кабины…

Конечно, почетное место в конструкция межпланетного корабля займут металлы. Так, несомненно, будут использованы титановые сплавы, получающие все большее применение в современной авиации. Большое будущее принадлежит, вероятно, сплавам бериллия — исключительно легкого материала (почти вдвое более легкого, чем алюминий: его удельный вес равен всего 1,83) и в то же время очень прочного, выносящего высокие температуры. Большую роль может сыграть и литий — самый легкий металл, вдвое более легкий, чем вода. Будут служить астронавтике и многие редкие металлы — такие, как цирконий, гафний, ниобий и другие. Создание новых жаропрочных и легких материалов для астронавтики — сложнейшая научная и инженерная задача, требующая длительных и упорных исследований. Можно не сомневаться, что она будет решена — наука дает металлургам все большие возможности переходить от поисков на ощупь, наугад, по интуиции, которые были характерны для недалекого прошлого, к уверенному инженерному «проектированию» новых конструкционных материалов с заданными, иной раз самыми необычными, свойствами.

Не менее сложна и трудна задача увеличения скорости истечения газов из жидкостного ракетного двигателя. В настоящее время эта скорость не превышает 2500–3000 метров в секунду. Увеличение скорости истечения газов происходит очень медленно и достигается ценой больших усилий. Для того чтобы добиться увеличения скорости истечения газов, приходится решать сразу две самостоятельные задачи — искать более калорийные топлива, то есть топлива, выделяющие при сгорании больше тепла, и обеспечивать работоспособность двигателя на этих топливах. Чем больше тепла выделяет топливо при сгорании в двигателе, тем больше при прочих равных условиях скорость истечения газов из двигателя.

Наибольшие скорости истечения достигаются в настоящее время обычно при использовании в качестве окислителя жидкого кислорода, а в качестве горючих — нефтепродуктов (бензин, керосин). Наименьшие — в случаях, когда окислителем служит перекись водорода или азотная кислота.

Каковы возможности увеличения скорости истечения при использовании наилучших комбинаций окислителей и горючих, которые могут быть составлены из имеющихся химических элементов?

Исследования советских и зарубежных ученых показывают, что эти возможности, в общем, весьма ограниченны. В числе перспективных топлив можно назвать, например, предложенные Кондратюком соединения фосфора и соединения кремния; предложенные Цандером и Кондратюком металлы и соединения металлов, в частности соединения металла бора с водородом, так называемые бораны, металла лития и другие — в качестве горючих; предложенный Циолковским озон, соединения фтора и некоторые другие — в качестве окислителей.

Изучение ряда новых топлив производится и в настоящее время. Они, конечно, будут применяться в будущем во многих случаях вместо современных топлив. Однако скорость истечения газов при этих топливах не будет, вероятно, превышать 4500 метров в секунду.

Мы видим, что химия бессильна решить задачу значительного увеличения скорости истечения газов из жидкостного ракетного двигателя, ибо освобождаемая при сгорании топлив химическая энергия оказывается для этого недостаточной.

Правда, чтобы не быть несправедливым по отношению к химии, надо указать на одну возможность, хотя в настоящее время еще неизвестно, удастся ли когда-нибудь ее реализовать. Зато уж очень заманчивые перспективы сулит она астронавтике!

Эта возможность связана с так называемым атомарным топливом. Оказывается, существуют такие химические реакции, которые приводят к выделению необычайно больших количеств тепла — это реакции образования некоторых молекул из отдельных атомов. Можно представить себе, например, двигатель, в камере сгорания которого вместо обычного горения происходит реакция образования молекул водорода из его атомов. Это был бы замечательный двигатель! Во-первых, для него не нужно было бы двух различных веществ — горючего и окислителя, достаточно одного вещества — водорода. Во-вторых, скорость истечения газов из подобного двигателя могла бы превысить… 10 километров в секунду! Вот с какой огромной скоростью молекулы водорода, образовавшиеся в двигателе из атомов, вытекали бы из сопла двигателя в атмосферу. Не нужно было бы и никакой системы зажигания для такого двигателя — атомы водорода обладают, как говорят, огромной химической активностью, они стремятся слиться по два, то есть образовать молекулы.

Именно эта необычная химическая активность атомов водорода и других атомов, выделяющих при соединении в молекулы много тепла, мешает создать двигатели, работающие на атомарном топливе. Свободные атомы водорода могут существовать ничтожные доли секунды — они практически мгновенно соединяются друг с другом, образуя молекулы.

Обычно атомарный водород получают путем пропускания струи водорода через мощный электрический разряд. При этом электрическая энергия затрачивается на расщепление молекул водорода на атомы. Но как только атомы водорода покидают электрическую дугу, они немедленно образуют снова молекулы, выделяя полученную ими ранее электрическую энергию уже в виде тепла. Вот если бы можно было найти способ предотвратить это обратное воссоединение атомов в молекулы, если бы можно было научиться хранить водород в атомарном состоянии! Тогда достаточно было впустить струю атомарного водорода в камеру двигателя, чтобы в ней произошла, как говорят, рекомбинация молекул водорода и раскаленная струя вытекающего газа создала бы огромную силу тяги. С таким двигателем можно было бы добиться немалых побед в борьбе за покорение мирового пространства.

Но, увы, пока это только мечта. До последнего времени даже теоретически не было известно ни одного метода, с помощью которого можно было бы научиться хранить атомарные газы. Лишь в 1956 году появились какие-то проблески надежды: исследователи научились сохранять активные химические частицы в течение нескольких часов.[24] Для этого полученные атомарные газы сразу же подвергаются очень сильному, или, как говорят, глубокому, охлаждению. Температура их резко снижается до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Удастся ли использовать этот принцип для хранения атомарного топлива ракетных двигателей, покажет будущее.

Но и, помимо атомарного топлива, далеко не все еще ресурсы химии, не все возможности химических топлив уже использованы. Дальнейшие исследования по подбору новых, более эффективных топлив способны увеличить скорость истечения, достигнутую в настоящее время, примерно на 50 процентов. Это значительно увеличило бы скорость и дальность полета ракет, было бы крупнейшим шагом вперед в развитии реактивной техники, а значит, и важной победой в борьбе за покорение мирового пространства.

Однако, чтобы сделать такой шаг, одержать такую победу, мало найти новые, более эффективные топлива. Нужно обеспечить надежную работу двигателя на этих топливах.

Жидкостные ракетные двигатели работают в значительно более тяжелых условиях, чем любые другие двигатели: авиационные, автомобильные, судовые и проч. Поэтому жидкостные ракетные двигатели обладают меньшей надежностью, меньшей продолжительностью работы, меньшим сроком жизни. Эти тяжелые условия работы жидкостных ракетных двигателей связаны с тем, что рабочие газы в них имеют высокое давление, необычайно высокую температуру и движутся с колоссальной скоростью.

Такие условия работы жидкостных ракетных двигателей делают исключительно важной и сложной проблему их охлаждения. Газы, заполняющие двигатель при давлении в десятки атмосфер и температуре 3000° и даже больше, движутся относительно стенок двигателя, со скоростью, во много раз превышающей в некоторых частях двигателя, например в сопле, скорость звука. Естественно, что стенкам двигателя каждую секунду передается огромное количество тепла. Если это тепло не отводить от стенок двигателя, то они очень быстро прогорят и двигатель моментально выйдет из строя. Ведь не известен ни один материал, который мог бы выдержать такие температуры при подобных давлениях. Вот почему для жидкостных ракетных двигателей важнейшим условием их надежности является хорошая система охлаждения.

Уже сейчас некоторые более калорийные сорта топлива не удается применять из-за трудностей, связанных с охлаждением двигателей. Это объясняется тем, что при использовании более калорийных топлив увеличивается и температура газов в камере сгорания. Именно поэтому, например, двигатель дальней ракеты, описанной в главе 6, работает не на чистом спирте, а на спирте с добавкой 25 процентов воды. Эта добавка снижает температуру газов и облегчает охлаждение, хотя она ухудшает характеристики двигателя, уменьшая его тягу почти на 20 процентов — на 5 тонн.

Понятно, что применение новых, гораздо более калорийных топлив, необходимых для космических кораблей, требует существенного усовершенствования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей.

Одним из перспективных методов охлаждения является так называемое проникающее охлаждение, или «охлаждение выпотеванием», как его иногда называют. В этом случае стенки жидкостного ракетного двигателя изготовляются пористыми, с бесчисленным множеством крохотных отверстий диаметром в тысячные доли миллиметра. Через эти отверстия внутрь двигателя проходит специальная охлаждающая жидкость. При таком методе охлаждения внутренняя поверхность стенок, соприкасающихся с раскаленными газами, покрывается сплошным тонким слоем охлаждающей жидкости, защищающим стенку от перегрева. Стенки как бы «потеют», откуда и произошло название этой системы охлаждения. Возможно, что наиболее горячие части двигателей космических кораблей будут иметь именно такое охлаждение.

Исследования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей ведутся в настоящее время весьма интенсивно. Можно надеяться, что двигатели межпланетных кораблей будут вполне надежно работать в течение нескольких минут или, самое большое, нескольких десятков минут (больше заведомо не потребуется) и на более калорийных топливах будущего.

Конечно, для этого, кроме проблемы охлаждения, придется решить немало других сложных инженерных и научных проблем. Достаточно упомянуть, например, о такой задаче, волнующей в настоящее время ученых и конструкторов жидкостных ракетных двигателей, как обеспечение устойчивого горения, борьба с так называемым пульсационным, или вибрационным, сгоранием. При подобном сгорании в камере двигателя возникают сильные, иногда быстрые, а иногда сравнительно медленные, колебания давления горящих газов. Даже за очень короткое время это может вызвать прогорание стенок камеры, разрушение топливной системы двигателя, полный выход его из строя, не говоря уже о том, что такое сгорание приводит к резкому снижению развиваемой двигателем тяги. К сожалению, изучение явлений, происходящих в двигателе при неустойчивом сгорании, представляет собой исключительно сложную теоретическую и экспериментальную задачу, а ведь без такого изучения невозможно и создание надежного двигателя. Неудивительно, что известнейшие ученые в области автоматического регулирования, сгорания, теории движения газов с огромными скоростями, математики, физики, как и лучшие конструкторы и инженеры, трудятся над решением этой и других задач, связанных с созданием двигателя для межпланетных кораблей будущего.

Так как обычные химические топлива содержат в себе недостаточно энергии для того, чтобы обеспечить скорость истечения газов, необходимую для совершения космических полетов, то понятен интерес, который проявляется учеными, работающими в области астронавтики, к другим возможным источникам энергии, помимо химической. И, конечно, на первом плане стоит проблема использования атомной энергии.

Но вовсе нет нужды ждать, пока будет создан атомный двигатель, пока астронавтикой будет освоено использование атомной энергии, чтобы начать штурм мирового пространства.

Все, что мы знаем о современной реактивной технике, свидетельствует о наличии уже сейчас реальных возможностей для начала такого штурма.

Первым результатам этого штурма и планам дальнейших атак посвящена третья часть нашей книги.

Мечтая о завоевании людьми мирового пространства и разрабатывая планы этого завоевания, Циолковский намечал постепенные этапы решения этой небывалой задачи. Он понимал, что только шаг за шагом — по мере совершенствования реактивной техники, увеличения наших знаний о мировом пространстве, расширения научной и экспериментальной базы астронавтики — может вестись штурм мирового пространства. Сначала всё более высотные полеты в атмосфере, затем прыжки за атмосферу, в преддверие мирового пространства; все более глубокая разведка этого пространства, полеты вокруг Луны, посадка на Луну; потом полеты вокруг планет, посадка на них, постепенное освоение мирового пространства — вот очевидные вехи на пути к осуществлению заветной мечты человечества.

Прошло полвека с того времени, как Циолковский начал набрасывать схему сражения за мировое пространство. Эти десятилетия не пропали даром. Сам Циолковский был свидетелем только первых, робких шагов по намеченному им пути: первых теоретических работ по астронавтике, первых попыток изобретателей-энтузиастов создать жидкостные ракетные двигатели, первых запусков таких ракет. После смерти Циолковского, и в особенности за последнее десятилетие, началось бурное развитие реактивной техники, являющейся технической основой астронавтики. Это позволило достичь серьезных успехов в борьбе за скорость полета, позволило начать тот штурм мирового пространства, о котором мечтал Циолковский.

Каких же успехов в этом штурме уже удалось добиться с помощью реактивной техники?

Современные реактивные самолеты свободно летают в стратосфере со сверхзвуковыми скоростями.

14 июля 1959 года советский летчик В. Ильюшин на самолете Т-431 с двумя турбореактивными двигателями установил новый мировой рекорд высоты полета — 28 852 метра. 31 октября 1959 года другой советский летчик — Г. Мосолов на самолете Е-66 с одним турбореактивным двигателем установил новый мировой рекорд скорости полета: он пролетел базу, то есть мерный участок пути в 15–25 километров, на высоте 13 500 метров со средней скоростью 2388 километров в час, а в одном из заходов достиг скорости 2504 километра в час!

Еще большие высоты и скорости полета достигнуты с помощью экспериментальных ракетных самолетов с жидкостными ракетными двигателями. Так как запаса топлива на подобных самолетах хватает только на несколько минут полета (жидкостные ракетные двигатели расходуют очень много топлива), то часто эти самолеты поднимают на большую высоту с помощью тяжелых самолетов-носителей. Легкий и небольшой ракетный самолет обычно подвешивается под таким носителем и освобождается от него, переходя на самостоятельный полет, лишь на большой высоте. Благодаря этому экономится топливо, которое в ином случае пришлось бы израсходовать на взлет и набор высоты (не правда ли, это похоже на составную ракету).

В подобных полетах удавалось достигать таких высот и скоростей полета, которые, вероятно, являются рекордными для полета человека. Так, по данным печати, в США была достигнута скорость полета порядка 3500 километров в час и высота примерно 38 километров. Летчик в этих случаях находился в условиях, очень напоминающих полет в мировом пространстве. Конечно, кабина такого самолета, как и других высотных самолетов, в том числе и пассажирских, сделана герметичной. Это значит, что она полностью изолирована от окружающей атмосферы, в ней поддерживается давление, близкое к давлению атмосферы на уровне моря, обеспечивается нужная температура и влажность воздуха, снабжение кислородом и удаление продуктов дыхания, то есть так называемое кондиционирование воздуха. Значит, и в этом отношении летчик подобного самолета находился в условиях, очень похожих на условия полета в межпланетном корабле.

Однако достижения реактивной авиации вовсе не исчерпывают успехов, достигнутых современной техникой в штурме мирового пространства. Реактивная техника позволила осуществить полет, правда пока еще без человека, на таких скоростях и высотах, которые оставляют далеко позади рекорды ракетных самолетов. Этот полет осуществлен с помощью тяжелых, управляемых в полете ракет. Именно такие ракеты ведут в настоящее время успешный штурм мирового пространства, намеченный Циолковским.

Уже ракеты, применявшиеся во время минувшей войны в качестве сверхдальнобойных снарядов, достигали высот до 100 километров и скорости полета до 5500 километров в час. После окончания войны подобные же ракеты стали применяться для высотных полетов с различными исследовательскими целями, чаще всего геофизическими и метеорологическими, то есть интересующими науку об атмосфере и службу погоды.

Неудивительно, что в таких полетах ракеты залетали на еще большие высоты. Ведь в этих случаях ракета летит только вверх, да и взрывчатку не приходится с собой возить. Кроме того, время шло — и ракеты, как и их двигатели, становились более совершенными. Эти стратосферные исследовательские ракеты достигали высот 150, 200 и даже 250 километров, то есть забирались далеко в ионосферу. А в рекордном полете мощной советской геофизической ракеты, осуществленном 21 февраля 1958 года, была достигнута высота 473 километра! Вес только одной научной аппаратуры на этой ракете составлял 1520 килограммов.

С помощью приборов, установленных на ракетах, удалось получить много новых научных сведений самого различного характера, в том числе и данные исключительной ценности. Ведь это пока единственный способ, с помощью которого ученый может поднять свои приборы на огромную высоту, вынести их, по существу, за пределы атмосферы, в непосредственное соседство с мировым пространством, а затем получить эти приборы обратно.

Представляют интерес фотоснимки Земли, сделанные с большой высоты (более 200 километров) с помощью фотоаппаратов, установленных на ракетах. Конечно, на этих снимках Земля наша не похожа на ту Землю, которую мы видим не только из окна железнодорожного вагона, но даже из окна высоко летящего самолета. Никаких деталей земной поверхности на снимках разглядеть нельзя, зато на них много другого, очень интересного. Ведь фотоаппарату удается зафиксировать территорию протяженностью до 5 тысяч километров, а это открывает совершенно новые возможности в отношении картографирования, изучения движения облаков и проч. Кстати сказать, на таких снимках уже совершенно отчетливо заметна шарообразная форма Земли. Рекордные достижения современной реактивной техники в отношении высоты и скорости полета удалось получить путем использования идеи Циолковского о составных ракетах, или «ракетных поездах». Для рекордных полетов вначале была использована двухступенчатая ракета. Первая, задняя, ступень представляла собой примерно такую же тяжелую ракету, которая была описана выше, в главе 6. Передняя ракета (меньшая) была установлена на задней вместо ее боевой головки и весила примерно полтонны. Когда двигатель задней ракеты останавливался из-за выработки всего топлива, запасенного на этой ракете, она отделялась от передней. В то же мгновение автоматически запускался двигатель передней ракеты, и она продолжала свой вертикальный взлет. Понятно, что передняя ракета залетала выше и приобретала большую скорость, чем одна большая задняя ракета. Таким способом еще в 1949 году была достигнута высота примерно 400 километров[32] и скорость полета около 8300 километров в час, то есть приблизительно 2,3 километра в секунду.

Однако эти рекордные достижения двухступенчатых ракет намного превзойдены даже новейшими одноступенчатыми ракетами, как это указывалось выше, и в особенности, конечно, многоступенчатыми ракетами. Так, с помощью многоступенчатых ракет неоднократно достигались высоты, превосходящие 1000 километров, и скорости более 5 километров в секунду. Еще значительнее результаты, достигнутые при запуске с помощью многоступенчатых ракет первых искусственных спутников Земли. При этом скорость ракет превысила 8 километров в секунду и высота достигла примерно 1900 километров, а при запуске одного из миниатюрных американских спутников — даже около 4000 километров. При неудачных запусках ракет на Луну, произведенных в США в конце 1958 года, ракеты залетали на расстояние примерно 120 000 километров от Земли. Но, конечно, рекордным во всех отношениях является замечательный полет советской многоступенчатой космической ракеты, запущенной 2 января 1959 года. Ведь скорость этой ракеты превысила скорость отрыва, то есть 11,2 километра в секунду, и ракета удалилась в глубины Космоса на расстояния в миллионы километров от Земли, на которую никогда более не возвратится.[33]

Достигнутые успехи в развитии тяжелых высотных ракет открывают совершенно новые возможности в области сверхскоростных дальних перелетов на Земле. Для этого нужно снабдить ракету крыльями.

Идея крылатой ракеты принадлежит Цандеру. Он предложил снабжать ракету крыльями, подъемная сила которых могла бы быть использована как при взлете, так и при посадке космического корабля.

Уже простое добавление крыльев к ракете, описанной в главе 6, может существенно увеличить дальность ее полета. Эта ракета залетала на расстояние около 300 километров, причем ее полет длился примерно 5 минут. Такая же, но крылатая ракета совершала бы втрое более продолжительный полет, до 15 минут, и залетала бы почти вдвое дальше, на расстояние 550–560 километров. Вот какую роль играет подъемная сила крыла!

Если же сочетать идею Цандера о крылатой ракете с предложенной Циолковским идеей ракетного поезда, то это может дать замечательные результаты. Представим себе простейший ракетный поезд, состоящий из двух ракет: задней — обычной, бескрылой, и передней — крылатой. Если передняя ступень — это все та же, уже известная нам дальняя ракета, но только с крыльями, то задняя, бескрылая, ракета должна быть гораздо больше по размерам и ее двигатель должен обладать, естественно, большей тягой. По одному из подобных проектов тяга задней ракеты должна составлять примерно 180 тонн, общий вес поезда при взлете — почти 100 тонн (из них около ⅔ — топливо), длина поезда — более 30 метров.

В зависимости от назначения будет изменяться и характер полета такого поезда. Сначала задняя ракета уносит весь поезд на высоту примерно 25 километров, на которой двигатель этой ракеты останавливается из-за выработки всего топлива, и она автоматически отделяется, опускаясь с помощью парашюта на землю. Теперь вторая ракета может лететь на этой постоянной высоте в горизонтальном полете со скоростью 2600 километров в час, пока и ее двигатель не выработает всего топлива. В этом случае общая продолжительность полета составит примерно 70 минут, в течение которых ракета покроет расстояние около 2500 километров. Значит, за час с небольшим — из Москвы в Караганду!

Оказывается, можно значительно увеличить дальность этого полета и вместе с тем сократить его продолжительность. Гораздо дальше, но… гораздо быстрее! Звучит парадоксально, однако это строгий научный расчет, основанный на использовании замечательных свойств несущего крыла и особенностей земной атмосферы. Если после отделения задней ракеты передняя продолжает вертикальный взлет, то она в состоянии достичь высоты около 300 километров, а затем совершить пологий планирующий полет с использованием подъемной силы крыла. Общая дальность такого полета составит около 5000 километров, при продолжительности всего в 45 минут. За ¾ часа из Москвы до Якутска! Скорость полета при этом будет большей, чем когда-либо достигнутая человеком, — до 12 тысяч километров в час (3⅓ километра в секунду).

Исследования показали, что сочетание огромной скорости полета с подъемной силой крыла позволяет осуществить и гораздо более эффективный полет. Современный уровень развития реактивной техники дает принципиальные возможности создания сверхдальнего ракетного самолета, способного совершить беспосадочный кругосветный перелет за очень короткое время.[34]

Создание сверхдальнего ракетного самолета возможно только благодаря тому, что жидкостный ракетный двигатель в состоянии обеспечить огромную высоту и скорость полета. Ведь такой двигатель работает считанные минуты, в течение которых он расходует все топливо, запасенное на самолете. Конечно, за эти несколько минут полета с работающим двигателем самолет не в состоянии совершить дальний полет. Однако мощный жидкостный ракетный двигатель заносит самолет на большую высоту и сообщает ему огромную скорость. Планирующий полет самолета с остановленным двигателем, совершенный с этой высоты, может быть очень продолжительным и дальним.

Кругосветный полет самолета с жидкостным ракетным двигателем можно представить себе следующим образом. Мощный двигатель за несколько минут своей работы забрасывает самолет на высоту 300–400 километров и сообщает ему скорость не менее 4 километров в секунду, то есть примерно 14 тысяч километров в час. Для этого, правда, двигатель должен работать на новых, более совершенных топливах, обеспечивающих большую скорость истечения газов, чем в настоящее время.

Двигатель работает только в течение первых минут полета, затем он останавливается и во всем остальном полете не расходует ни капли топлива. Самолет летит вперед за счет накопленной при разгоне кинетической энергии. В этом отношении такой полет очень напоминает полет в мировом пространстве.

С огромной высоты самолет начинает пологий планирующий полет вокруг Земли. На первый взгляд кажется, что ни о каком планировании на таких больших высотах не может быть и речи. Ведь при планировании вес самолета должен быть лишь немногим больше подъемной силы его крыла, а на высотах в сотни километров подъемная сила крыла практически отсутствует просто потому, что там и воздух почти отсутствует. Значит, самолет будет не постепенно снижаться, а камнем падать с той высоты, на которую его забросит двигатель.

Это верно — самолет будет падать камнем. И он, конечно, очень скоро упал бы, если бы был неподвижен. Однако, падая камнем на Землю, самолет вместе с тем с огромной скоростью мчится вокруг нее. Это не изменило бы дела, если бы Земля была плоской. Но она — шар, и это приводит к тому, что, непрерывно падая на Землю, самолет, летящий вокруг нее с огромной скоростью, успевает пролететь большое расстояние — 6000–7000 километров. Но мало этого: когда самолет, снижаясь таким образом, врывается в нижние, более плотные, слои атмосферы, то вступает в действие подъемная сила его крыльев. Он как бы отражается от этих плотных слоев атмосферы, рикошетирует, как плоский камень от поверхности воды, и снова взмывает вверх. Прежней высоты он, естественно, не достигает, так как скорость его уже уменьшилась, но все же он снова может забраться на высоту 200 и более километров.

Совершая такие, как бы постепенно затухающие волнообразные движения с заключительным пологим планированием в плотных слоях атмосферы, самолет способен, как показывают расчеты, совершить посадку на том же аэродроме, откуда он взлетел. Весь такой кругосветный полет займет не более нескольких часов, причем самолету не придется даже разворачиваться, чтобы сесть против ветра, как это обычно делается, — он будет садиться в том же направлении, в каком и взлетел.

Поистине замечательные результаты дает сочетание огромной начальной скорости разгона, этой характерной черты полета всякого снаряда (то есть так называемого баллистического полета), с подъемной силой крыла, являющейся основой аэродинамики.

Но, оказывается, баллистика вовсе не нуждается для совершения дальних полетов в помощи аэродинамики. И бескрылая ракета может совершить полет практически любой дальности, и даже за гораздо более короткое время, чем крылатая ракета. Но для этого она должна обладать еще большей начальной скоростью: эта увеличенная скорость разгона — плата за отсутствие помогающей подъемной силы.

При совершении баллистического полета ракета во время разгона получает большую начальную скорость и оказывается в состоянии вырваться за пределы плотной атмосферы. Летя с огромной скоростью там, где практически отсутствует всякое лобовое сопротивление, ракета может покрыть колоссальные расстояния. Если, например, ее начальная скорость в момент выключения двигателя равна 5 километрам в секунду, то ракета может пролететь свыше 3000 километров за 14–15 минут, забравшись при этом на огромную высоту. Конечно, подобная ракета должна иметь очень большие размеры, несравненно большие, чем размеры ракетных снарядов, которыми вели огонь «катюши». Когда такие ракеты устанавливаются в вертикальное положение, они оказываются иной раз в уровень с крышей довольно-таки высокого здания! Но еще более замечателен полет боевой ракеты, созданной пока только в Советском Союзе и являющейся венцом боевой ракетной техники. Речь идет о межконтинентальной баллистической ракете. Как показывает само название этой ракеты, она в состоянии совершить сверхдальний полет, полет с континента на континент через разделяющие их океаны, на расстояния в 8000 километров и даже более. Такая ракета приобретает к моменту остановки двигателя скорость 6–7 километров в секунду и забирается на огромную высоту, более тысячи километров. Оттуда она может точно попасть в заданную цель — любую цель на земном шаре.

Но, конечно, такие сверхдальние ракеты могут использоваться не только в военных целях. Вот так же, вероятно, будут совершаться в будущем и курьерские перелеты через океаны и континенты. Какой-нибудь прославленный московский тенор сможет при желании вылететь утром, например, в Нью-Йорк, через час после вылета уже петь перед американскими зрителями, благо там будет как раз вечер, и вечером того же дня снова выступать на сцене Большого театра.

Дальнейшее, сравнительно небольшое увеличение начальной скорости ракеты сможет заставить ее совершить кругосветный полет с посадкой на месте старта.

А если еще увеличить скорость?

Если при достаточно большой начальной скорости ракета способна облететь вокруг Земли с посадкой на месте старта, то при еще большей скорости она сможет, вероятно, облететь вокруг Земли дважды, трижды…

А нельзя ли заставить ее обращаться вокруг Земли бесконечно долго? Ведь обращаются же так Луна вокруг Земли и Земля вокруг Солнца? Вероятно, можно создать с помощью подобной ракеты и «искусственную Луну», искусственный спутник Земли?

Конечно. Однако для этого должны быть выполнены определенные условия.

Прежде всего, ракета должна летать вокруг Земли на очень большой высоте, чтобы сопротивление воздуха практически не сказывалось на скорости полета, не уменьшало ее. Ведь двигатель ракеты в таком полете работать не должен, за исключением начального периода разгона, в противном случае полет этот очень быстро закончится из-за выработки всего топлива, запасенного на ракете. Если бы Луна совершала свой полет вокруг Земли в атмосфере, то мы бы не только давно лишились очарования лунных ночей, но и сама Земля, вероятно, уже давно перестала бы существовать в результате катастрофы при неизбежном падении Луны на Землю.

Конечно, идеальным был бы полет в мировом пространстве, на расстоянии в тысячи и десятки тысяч километров от Земли. Однако необходимости в таком углублении в мировое пространство нет. Даже и на гораздо меньших высотах полет становится уже вполне возможным. Траектория полета в верхних слоях атмосферы будет, конечно, не круговой, а спиральной, с постепенным снижением, вызываемым сопротивлением воздуха, но снижение это будет небольшим — тем меньшим, чем больше высота полета.

Практически можно считать, что ракета, летящая вокруг Земли на высоте примерно 200 километров, будет описывать почти точный круг. Может быть, лишь время от времени — раз в 2–3 дня — придется включать на короткое время двигатель, чтобы восстановить высоту. Итак, первое условие — высота полета не меньше 200 километров.[35]

Второе очевидное условие — это достаточная скорость полета. Легко видеть, что скорость должна быть строго определенной: если она уменьшится, ракета начнет, терять высоту; если увеличится, ракета будет удаляться от Земли. Чему же равна так называемая круговая (иногда ее называют циркуляционной, или первой космической) скорость, при которой высота полета над Землей будет оставаться постоянной?

Оказывается, круговая скорость равна примерно 7,91 километра в секунду.[36] Вот с какой скоростью должна мчаться ракета, чтобы она бесконечно долго обращалась вокруг Земли с остановленным двигателем, превратившись в искусственного спутника Земли.

Итак, при скорости 7,91 километра в секунду ракета станет спутником Земли, а при скорости отрыва, равной 11,2 километра в секунду, навсегда покинет ее. Что же произойдет с ракетой, имеющей скорость больше круговой, но меньше скорости отрыва — например, 9 или 10 километров в секунду? При такой скорости она тоже станет спутником Земли и будет бесконечно обращаться вокруг нее. Но только обращаться она будет не по круговой орбите, а по эллиптической, тем более вытянутой, чем ближе скорость ракеты к скорости отрыва.

Наконец, существует еще одно — третье — условие для того, чтобы ракета стала спутником Земли. Свой полет вокруг Земли такая ракета должна совершать в плоскости большого круга, то есть в одной из плоскостей, проходящих через центр земного шара.

Понятно, что чем выше летит ракета над Землей, тем с меньшей круговой скоростью она должна лететь, ибо при этом она все медленнее падает на Землю. Если бы ракета летела на таком же расстоянии от Земли, на каком находится от нее Луна, то ее скорость равнялась бы скорости движения Луны вокруг Земли, то есть примерно 1 километру в секунду.[37]

Легко подсчитать, за сколько времени ракета, летящая с круговой скоростью, совершит один оборот вокруг Земли, то есть каков будет период обращения вокруг Земли этого нового спутника.

Так, например, при полете у самой Земли период его обращения будет равен примерно 5070 секундам, или 1 часу 24 минутам. Меньше чем за 1½ часа вокруг света!

С увеличением высоты полета период обращения будет увеличиваться. На высоте, равной земному радиусу, то есть 6378 километрам, период обращения будет равен уже примерно 14 200 секундам, или почти 4 часам.

Очень интересной оказывается такая высота полета, на которой период обращения ракеты вокруг Земли будет в точности равен 24 часам, то есть периоду одного оборота Земли вокруг своей оси. Эту высоту легко определить — она равна 5,64 земного радиуса, или примерно 35 800 километрам.[38] Если ракета будет мчаться вокруг Земли в плоскости экватора в том же направлении, в котором вращается Земля, то есть с запада на восток, со скоростью, равной круговой скорости на этой высоте (примерно 3080 метров в секунду), то она будет как бы висеть неподвижно над одной и той же точкой земной поверхности. Ракета будет напоминать вертолет, парящий неподвижно над Землей, хотя вместе с тем она будет с головокружительной скоростью мчаться вокруг нее. Если бы высота не была столь большой, то с такого космического корабля можно было бы спуститься по веревочной лестнице с таким же успехом, с каким это сделал летчик, доставивший с вертолета, парившего над стадионом «Динамо» в Москве, букет цветов футбольной команде, выигравшей первенство СССР по футболу.

Своеобразной особенностью обладает и орбита, радиус которой на 58 тысяч километров меньше радиуса лунной орбиты, равного, как известно, примерно 380 тысячам километров. Спутник, вращающийся по такой орбите, может находиться все время на прямой, соединяющей центры Земли и Луны, — он будет неизменно виден на фоне лунного диска.

При этом спутник окажется в так называемой точке либрации. Существуют и другие точки либрации (всего их 5), характеризующиеся тем, что в каждой из них спутник будет неподвижным относительно Земли и Луны. Эти точки найдены французским ученым Лагранжем в результате исследования проблемы «трех тел».[39]

Циолковский первый в мире понял (независимо от него позже эта идея была высказана зарубежными учеными Обертом в Германии и Годдардом в США), какое огромное значение могут иметь искусственные спутники Земли для решения проблемы межпланетного полета, да и для многих других научных целей. Теперь уже эта роль спутников является общепризнанной — именно с запуска спутников начинается космическая эра в истории человечества.

Вот почему с таким восторгом была воспринята всей мировой наукой весть о запуске первого искусственного спутника Земли в Советском Союзе 4 октября 1957 года. Впервые в истории человек разорвал путы земного тяготения и вырвался на просторы мирового пространства. Эта замечательная победа человеческого гения открыла путь в Космос.

Первые советские искусственные спутники были созданы в связи с работами, выполнявшимися по программе Международного геофизического года, который начался 1 июля 1957 года и должен был закончиться 31 декабря 1958 года, но затем продлен еще на год — до 31 декабря 1959 года. Исследования, проводимые с помощью искусственных спутников, оказались, пожалуй, самым важным отличием этого геофизического года от двух предыдущих (они назывались полярными). Недаром даже официальной эмблемой геофизического года является изображение земного шара с мчащимся вокруг него искусственным спутником!

Конечно, запуск искусственного спутника — сложнейшее техническое мероприятие, задача, посильная лишь для стран с передовой индустрией, высокоразвитой наукой, мощной реактивной техникой. Неудивительно, что во время геофизического года только две страны включили в план своих научных исследований запуск искусственных спутников — Советский Союз и США. Решить же эту задачу первому удалось Советскому Союзу — стране победившего социализма, родине реактивной техники.

Главная трудность создания искусственного спутника Земли связана с тем, что спутник должен двигаться на огромной высоте с колоссальной скоростью. Как же можно этого достичь?

Для того чтобы ракета, стоящая на Земле, превратилась в искусственный спутник, необходимо затратить какую-то энергию. Эта энергия будет израсходована на то, чтобы поднять ракету на высоту ее орбиты, сообщить ей нужную круговую скорость по орбите, пробить «панцирь» атмосферы, то есть преодолеть сопротивление воздуха, возместить различные другие потери энергии, неизбежные в таком полете. Необходимая для всех этих целей энергия должна быть заключена в топливе, запасенном на ракете. Какова же должна быть величина этой энергии?

Если бы ракета летела в свободном пространстве, где нет ни воздуха, ни силы тяжести, то вся энергия топлива, запасенного на ракете, расходовалась бы только на разгон ракеты, на увеличение скорости ее полета. В таком случае конечная скорость ракеты была бы, очевидно, гораздо большей, чем скорость ракеты, взлетающей с Земли. Неудивительно, что эту скорость часто называют идеальной, чтобы показать, что в действительности достичь ее нельзя.

Обычно в астронавтике запас топлива на ракете, необходимый для совершения какого-нибудь межпланетного полета, оценивают именно величиной идеальной скорости.[40] Чем сложнее и труднее полет, чем больше энергии нужно затратить на его осуществление, тем больше топлива нужно запасти на ракете, и, значит, тем больше должна быть идеальная скорость ракеты.

Если ракета должна стать искусственным спутником Земли, то величина необходимой идеальной скорости ракеты будет зависеть главным образом от высоты ее орбиты над Землей. Расчеты показывают, что эта скорость растет от 8 до примерно 13 километров в секунду, когда высота орбиты растет от нуля до 35 тысяч километров.

Методы, которыми можно воспользоваться для достижения необходимой скорости, известны, они определяются формулой Циолковского, — это увеличение скорости истечения газов из двигателя и увеличение относительного запаса топлива на ракете.

Вспомните еще раз дальнюю ракету, описанную в главе 6. Отношение взлетной и конечной масс этой ракеты равно 3,25, а скорость истечения — примерно 2100 метрам в секунду. Формула Циолковского показывает, что ракета, которая могла бы стать спутником, обращающимся вокруг Земли на высоте до 500 километров, должна иметь при указанном отношении масс скорость истечения газов порядка 7000 метров в секунду, что недостижимо для современной реактивной техники. При сохранении величины скорости истечения, равной 2100 метрам в секунду, соотношение масс должно равняться примерно 60, что может быть, хоть и не без труда, осуществлено с помощью трех- или четырехступенчатой ракеты.

Если же учесть, что в настоящее время достигнуты и большие значения скорости истечения, и большие величины относительного запаса топлива, характеризующего конструктивное совершенство ракеты, то станет очевидно, что принципиально запуск искусственных спутников Земли вполне возможен при современном уровне развития ракетной техники. Для этого нужно воспользоваться «ракетным поездом» — ракетой, состоящей из ряда ступеней.

Но ведь такие многоступенчатые ракеты уже имеются, за чем же тогда дело стало?

Оказывается, наибольшим препятствием на пути создания искусственного спутника являются его размеры. С возрастанием размеров искусственного спутника трудности его запуска быстро увеличиваются. Эти трудности связаны с взлетным весом «ракетного поезда», то есть весом всей составной ракеты при взлете с Земли.

О том, каковы эти трудности, можно судить, например, по сообщениям американских ученых, сделанным ими, в частности, на Международном астронавтическом конгрессе в Риме в сентябре 1956 года, относительно разработанного в США проекта запуска искусственного спутника «Авангард». По этому проекту спутник должен представлять собой небольшой шар диаметром от трети метра до полуметра и весом около 10 килограммов. Запуск же такого спутника осуществляется с помощью трехступенчатой ракеты взлетным весом примерно 10 тонн. Это значит, что на 1 килограмм веса спутника приходится 1 тонна взлетного веса ракеты — в тысячу раз больше! А ведь эта ракета, длина которой равна примерно 22 метрам, а наибольший диаметр — 114 сантиметрам, весьма совершенна по своей конструкции: из общего ее веса 10 тонн на долю самой конструкции ракеты приходится не более 1,5 тонны.

Это отношение 1000: 1 выглядит весьма обескураживающим. Легко видеть, насколько важно добиваться его уменьшения, стремиться к лучшим весовым соотношениям. И, конечно, усилия ученых и конструкторов в этом направлении будут не только не ослабевать в связи с успешным запуском первых спутников, но непрерывно возрастать. Можно предполагать, что совершенствование конструкции ракет и двигателей, применение новых, более тепло-производительных топлив, развитие приборной техники и радиоэлектроники (в особенности здесь важно применение полупроводниковых приборов, сочетающих большую надежность и простоту с ничтожными по сравнению с обычными электронными лампами размерами и весом и расходующих несравненно меньше электроэнергии) позволят уменьшить это соотношение до 200, а может быть, даже до 100. Подобное соотношение было бы замечательной победой науки и техники, значительно расширило бы возможности научного использования искусственных спутников. Вместе с тем, конечно, оно облегчило бы и путь в мировое пространство, путь к далеким мирам…

Неудивительно, что при проектировании спутника борьба ведется в буквальном смысле за каждый грамм. Так, тот же американский спутник представляет собой магниевый шар со стенками толщиной всего 0,8 миллиметра; при общем весе спутника 10 килограммов вес этого шара равен всего 1,8 килограмма.

Несмотря на такую экономию в весе, этот спутник далеко не сразу удалось запустить из-за трудностей, возникших при создании ракеты.[41] В основном эти трудности связаны с двигателями, в особенности с двигателем первой ступени, который должен быть весьма мощным.

Тем более ошеломляющим для всей мировой науки было сообщение об успешном запуске первого советского искусственного спутника, также имеющего форму шара диаметром 58 сантиметров, но весящего 83,6 килограмма! По расчетам, опубликованным в иностранной печати, вес ракеты, с помощью которой был запущен этот спутник, должен составлять не менее 80-100 тонн.

Что же говорить о втором искусственном спутнике, запущенном в Советском Союзе 3 ноября 1957 года, и, в особенности, о третьем спутнике, запущенном 15 мая 1958 года? Ведь только вес научного оборудования, установленного на втором спутнике, равен 508,3 килограмма, а вес третьего спутника — 1327 килограммов! Если судить по лучшим зарубежным достижениям, взлетный вес ракеты, использованной для запуска этих спутников, должен составлять сотни тонн! Уменьшить этот вес можно только путем радикального усовершенствования конструкции ракет или же путем применения новых, улучшенных топлив.

Кстати сказать, запуск искусственных спутников стал возможен только после того, как у нас в стране была создана межконтинентальная баллистическая ракета, о которой говорилось в предыдущей главе как о вершине развития современной ракетной техники. Эта ракета и была использована для запуска спутников.

Несомненное превосходство советской ракетной техники, наглядно продемонстрированное перед всем миром запуском искусственных спутников, подчеркивается не только самим фактом запуска первых в мире искусственных спутников и во много раз большим весом этих спутников по сравнению со спутниками США. Об этом говорит также и сравнение орбит советских и американских спутников.

Действительно, как избрать орбиту искусственного спутника?

Прежде всего возникает вопрос о положении плоскости орбиты по отношению к плоскости экватора, а также о целесообразном месте запуска. При решении этого вопроса приходится учитывать два противоречивых требования.

Чтобы использовать скорость, которую Земля имеет в своем вращении вокруг оси, полет спутника по орбите должен осуществляться в том же направлении, что и вращение Земли, то есть с запада на восток. При таком запуске спутник «бесплатно», без затраты топлива, получает ту скорость, которой обладает точка запуска в своем вращении вокруг оси Земли, как приобретает скорость поезда выпрыгивающий из него на ходу пассажир. Максимальный выигрыш в скорости может быть при этом получен, очевидно, на экваторе — он равен 465 метрам в секунду. Чем больше географическая широта точки взлета ракеты, тем этот выигрыш меньше. Полет в противоположном направлении настолько же увеличивает необходимую идеальную скорость ракеты. При взлете с полюса направление полета, конечно, вообще не сказывается на величине идеальной скорости.

Таким образом, чтобы облегчить задачу запуска спутника, плоскость его орбиты должна быть расположена под возможно меньшим углом к экватору, а точка запуска — возможно ближе к нему.

Но при таком выборе орбиты спутника он будет пролетать над очень узкой полосой земной поверхности, расположенной у экватора. Следовательно, возможности наблюдений за спутником и со спутника будут сильно ограниченны, а ведь такие наблюдения весьма важны. Зато наилучшей в отношении наблюдений была бы полярная, или меридиональная, орбита, при которой спутник обращался бы вокруг Земли в плоскости, проходящей через полюсы, то есть по меридиану. Правда, при этом была бы полностью потеряна выгода, которую можно получить, используя окружную скорость Земли вокруг оси. Чем ближе плоскость орбиты спутника к полярной, тем больше возможности научных наблюдений с помощью спутника, но вместе с тем больше и необходимый запас топлива на ракете для достижения заданной высоты орбиты.

Плоскости орбит спутников, запущенных в США, расположены под небольшим углом к экватору, примерно 30–35°, орбиты же советских спутников расположены под углом 65° к экватору. Это значит, что запустить советские спутники было труднее, но зато больше и научное значение этих спутников.[42]

Но вот плоскость орбиты избрана. Как теперь установить форму самой орбиты? Должна быть орбита круговой или эллиптической? Если будет избран эллипс, то насколько вытянутый, с какой высотой перигея и апогея, то есть наименьшей и наибольшей высотой?

Конечно, наиболее просто было бы создать спутник, имеющий круговую орбиту на высоте, как уже говорилось, не менее 200 километров. Для запуска такого спутника потребовалось бы наименьшее возможное количество топлива. Но зато срок «жизни» такого спутника был бы также наименьшим — под действием воздушного сопротивления разреженной атмосферы первоначально круговая орбита превратится быстро в спиральную, спутник будет приближаться к Земле, терять высоту. В то же время он станет двигаться во все более плотной атмосфере, оказывающей ему все большее сопротивление, что еще сильнее снизит его скорость. Наконец все туже закручивающаяся спираль приведет спутник в столь плотную атмосферу, что, ворвавшись в нее с огромной, космической скоростью, спутник превратится в метеор — он вспыхнет, испарится. Так произойдет еще одна космическая катастрофа, на этот раз — с небесным телом, созданным рукой человека.

Чтобы удлинить срок жизни спутника, целесообразно увеличить его скорость при запуске выше круговой. Ниже, в главе 15, посвященной траекториям полета межпланетных кораблей, будет показано, что в этом случае орбита спутника будет уже не круговой, а эллиптической. Высота полета спутника над Землей будет при этом все время изменяться между перигеем и апогеем. Чем больше эта избыточная скорость при запуске спутника, тем более вытянутым окажется эллипс, тем больше будет высота апогея по сравнению с высотой перигея. Это и приведет к значительному увеличению срока жизни спутника. Теперь уже воздушное сопротивление, действие которого будет проявляться в моменты полета спутника у перигея, то есть на меньших высотах, будет постепенно снижать высоту апогея.[43] Эллипс, который описывает спутник вокруг Земли, постепенно начнет приближаться к кругу, его вытянутость — уменьшаться. Наконец спутник выйдет на круговую орбиту, а затем, как уже было сказано, перейдет на спиральный спуск.

Так ценой затраты дополнительного топлива при запуске спутника можно увеличить высоту апогея его орбиты и, тем самым, срок его жизни. Понятно, конечно, что необходимость в дополнительном топливе усложняет ракету и увеличивает ее взлетный вес.

Как известно, первый спутник, запущенный в Советском Союзе, имел начальную высоту апогея 947 километров, второй спутник — 1671 километр, а третий спутник — 1880 километров. Следовательно, наряду со все возрастающим весом спутников увеличивалась и высота их над Землей и, соответственно, срок жизни.[44]

Следует отметить, что большая вытянутость эллиптической орбиты, большая высота апогея дает и еще одно преимущество, помимо увеличения срока жизни. Совершая свои путешествия от перигея к апогею и наоборот, спутник пересекает различные слои земной атмосферы. Так, первый советский спутник в своем движении по орбите то входил в ионосферу, то выходил из нее, а второй и третий спутники, помимо этого, выходили практически вовсе за пределы земной атмосферы. Это чрезвычайно важно для некоторых исследований, о которых ниже будет сказано подробнее, в частности для исследований космических лучей.

Запуск советских искусственных спутников Земли был осуществлен с помощью составной многоступенчатой ракеты. Первый спутник, имевший шаровидную форму, был помещен в носовой части последней ступени ракеты и закрыт защитным носком-конусом, сбрасываемым в полете. Вторым спутником явилась сама последняя ступень ракеты, причем в этом случае также имелся сбрасываемый носок, защищавший при полете в плотной атмосфере научное оборудование спутника от воздействия давления встречного потока воздуха и перегрева. Таким же защитным носком был снабжен и третий спутник, который, как и первый спутник, при достижении орбиты отделился от последней ступени ракеты, так называемой ракеты-носителя, но, в отличие от него, имел не шаровидную, а конусообразную форму.

Примерное общее представление об устройстве ракет для запуска искусственных спутников Земли можно получить по американской ракете «Авангард», о которой были опубликованы подробные сведения. Одним из характерных отличий этой ракеты является отсутствие у нее стабилизаторов, что делает ракету похожей на простой карандаш или, еще лучше, на винтовочный патрон с пулей. Вместо стабилизаторов и рулей ракета управляется в полете путем изменения направления реактивной тяги двигателя, для чего весь двигатель должен поворачиваться на некоторый угол — до 4–5° от оси ракеты. Такая шарнирная подвеска двигателя для целей управления была в свое время предложена Циолковским и в 1931 году практически осуществлена в Советском Союзе. В ряде случаев она оказывается более выгодной по сравнению с обычными рулями, но обладает и некоторыми недостатками. В частности, отклонение двигателя от оси ракеты может быть лишь небольшим, так как иначе сильно усложняется подвод топлива к двигателю. Но из-за этого при запуске ракеты, когда она движется еще с малыми скоростями и потому неустойчива, управление ракетой может оказаться неудовлетворительным. Считается, что первые одна — две секунды после взлета могут оказаться роковыми для ракеты, если на нее подействует сильный порыв ветра.

Для запуска ракета устанавливается на специальной пусковой платформе высотой примерно 3,5 метра. В платформе имеется канал диаметром 2,5 метра для того, чтобы отвести газы, вытекающие из двигателя первой ступени ракеты при запуске. Так как газы имеют очень высокую температуру, то канал охлаждается водой. Для всех работ по монтажу ракеты и подготовке ее к запуску стенд имеет специальную высокую башню, которая перед запуском отводится в сторону по рельсовому пути.

Как же был осуществлен запуск советских искусственных спутников?

Конечно, во всех случаях, при запуске любых искусственных спутников, без ракет не обойтись. Но принципиально возможно несколько облегчить ракетам их задачу. Так, например, первоначальный подъем ракеты на некоторую высоту можно осуществить с помощью аэростата или самолета, а конечное, последнее, ускорение спутника на орбите — путем взрыва специального заряда на ракете. Подобные проекты предлагались. Однако все они рассчитаны на запуск небольших, скорее — миниатюрных спутников. Для спутников большого размера такие методы, вероятно, не годятся, их запуск с начала до конца должен осуществляться ракетами.

Полет ракеты для доставки спутника на его орбиту во многом похож на полет обычных высотных или дальних ракет, описанных выше, в главе 6. Но полет на орбиту — не только полет на гораздо большую высоту и с гораздо большей скоростью, — он имеет и одно принципиальное отличие. Если обычные ракеты разгоняются двигателем лишь при взлете, один-единственный раз, а весь остальной полет совершают с выключенным двигателем, то запустить спутник таким образом невозможно. Чтобы создать искусственный спутник Земли, двигатель его ракеты должен работать обязательно дважды — один раз при взлете с Земли, другой — уже на орбите спутника, чтобы разогнать его до нужной орбитальной скорости.

При запуске советских искусственных спутников ракета стартовала вертикально, так же, как стартуют и высотные ракеты. На некоторой высоте ось ракеты стала отклоняться от вертикали под действием органов ее управления, работавших по определенной, заранее заданной программе. Ракета стала лететь под углом к горизонту, в общем направлении на северо-восток, причем двигатель ракеты разогнал ее до скорости, необходимой для достижения нужной орбитальной высоты. Вслед за тем ракета продолжала полет уже с неработающим двигателем; за счет накопленной при разгоне скорости она по-прежнему набирала высоту. Траекторией такого безмоторного полета, своеобразного «дрейфа» в мировом пространстве, был эллипс. Наконец на высоте в несколько сот километров ракета стала лететь почти горизонтально, параллельно земной поверхности, достигнув высоты заданной орбиты спутника. Вот теперь снова понадобилась помощь двигателя ракеты, чтобы разогнать ее до нужной орбитальной скорости; как уже указывалось выше, эта скорость несколько превышала круговую на данной высоте, она равнялась примерно 8 километрам в секунду.

К моменту, когда ракета, точнее — последняя ее ступень, достигла заданной высоты и скорости полета, все топливо на ней было выработано и двигатель снова прекратил работу, теперь уже навсегда, вслед за чем был сброшен защитный конус (носок) ракеты. При запуске второго спутника, которым служила последняя ступень ракеты, этим дело и ограничилось. Когда же запускался первый спутник, то после сбрасывания защитного конуса шаровидный спутник, находившийся в передней части ракеты, был вытолкнут из нее специальным устройством с небольшой скоростью. Примерно так же обстояло дело и при запуске третьего спутника, как это показано на рисунке.

Так как все перечисленные заключительные операции производились в то время, когда последняя ступень ракеты уже летела по орбите с нужной орбитальной скоростью, то Земля сразу получала по нескольку «спутников». В их числе были собственно спутник, ракета-носитель (при запуске первого и третьего спутников) и части защитного конуса. Однако дальнейшая судьба этих «спутников» оказалась различной.

Ракета, с помощью которой были запущены спутники, состояла, как указывалось выше, из нескольких ступеней. Они по очереди отделялись и падали на Землю по мере того, как на каждой ступени вырабатывалось все топливо.

В качестве примера, иллюстрирующего полет такой составной ракеты, можно привести опубликованные расчетные данные запуска трехступенчатой ракеты «Авангард», о которой выше уже упоминалось.

Первая ступень ракеты за 114 секунд работы жидкостного ракетного двигателя, развивающего тягу более 12 тонн, поднимает всю ракету на высоту 58 километров и сообщает ей скорость 1680 метров в секунду. Затем первая ступень (длина ее 13,5 метра при общей длине всей ракеты примерно 22 метра) отделяется и падает на Землю на расстоянии примерно 450 километров от места старта. В момент отделения запускается жидкостный ракетный двигатель второй ступени, имеющей длину примерно 9,5 метра и диаметр 81 сантиметр. Двигатель второй ступени увеличивает высоту полета ракеты до 210 километров и скорость до 4900 метров в секунду.

После остановки двигателя второй ступени из-за выработки всего запасенного на ней топлива ее тоже следовало бы отделить — ведь она теперь только мешает. Однако на самом деле вторая ступень не будет отделена, она будет продолжать полет вместе с третьей ступенью вплоть до достижения высоты орбиты. Это объясняется тем, что на второй ступени находятся все приборы управления полетом ракеты. Установить их на небольшой третьей ступени оказалось невозможным — слишком мала последняя ступень ракеты «Авангард». Конечно, на ракете больших размеров можно было бы все сделать иначе.

Ракета с неработающим двигателем продолжает полет до высоты примерно 480 километров. Управление полетом ракеты на этом участке осуществляется с помощью небольших ракетных двигателей, струи газов из которых вытекают в боковом направлении. Одновременно третья ступень с установленным на ней спутником раскручивается вокруг своей оси с тем, чтобы потом, после отделения второй ступени, вращение третьей ступени обеспечивало устойчивость ее в полете.

Когда ракета достигает заданной высоты (480 километров), вторая ступень отделяется и падает (вероятно, в Атлантический океан). Включается пороховой ракетный двигатель последней, третьей ступени, который разгоняет эту ступень вместе с установленным на ней спутником до заданной круговой скорости. Защитный носок ракеты, закрывающий спутник, сбрасывается, и спутник выталкивается из ракеты-носителя.

После запуска спутник начинает неутомимо накручивать на старушку Землю бесконечные витки своих спиралеобразных орбит.

Но почему спиралеобразных? Ведь орбиты спутников — это гигантские эллипсы. При чем же здесь спираль?

Действительно, орбиты советских спутников очень близки к эллипсам и в первом приближении могут быть приняты за эти геометрические фигуры. Относительно звезд их эллиптические орбиты остаются почти неподвижными.[45] Но ведь сама Земля вращается вокруг своей оси, и, очевидно, над земной поверхностью спутники будут двигаться по какой-то сложной кривой. Если бы Земля не вращалась, то спутники проходили бы все время над одними и теми же географическими пунктами. Из-за вращения Земли советские спутники видны из самых различных мест на земной поверхности, лежащих между северным и южным полярными кругами. Если соединить на карте те города, над которыми проходили спутники в соответствии с их абсолютно безошибочными «расписаниями», публиковавшимися в советских газетах, то получатся какие-то странные зигзагообразные линии. Но в действительности трассы спутников на земной поверхности представляют собой очень плавные кривые, похожие на так называемые синусоиды. Вблизи экватора широта спутника над Землей меняется быстро, его трасса наклонена под большими углами к меридианам. Чем дальше от экватора, тем меньше этот угол, пока, наконец, кривая трассы не касается 65-й параллели и не поворачивает назад, снова к экватору.

Так как Земля совершает один оборот вокруг своей оси за 24 часа, а спутник один оборот вокруг Земли — примерно за 1½ часа, то за сутки спутник успевает обежать вокруг Земли примерно 16 раз. Это значит, что он «прочертит» на земной поверхности 16 витков своей спиралеобразной трассы. Каждый следующий виток смещен на запад по отношению к предыдущему на 24° по долготе. Это составляет примерно 2500 километров в экваториальной области и примерно 1500 километров на широте Москвы. Вот на такое расстояние и должен был бы перенестись за полтора часа наблюдатель (как видно, тут потребовался бы реактивный самолет!), если бы он снова захотел оказаться как раз под спутником.

Конечно, эти расчеты приближенны. Чтобы точно установить, над каким местом земной поверхности будет проходить спутник в заданное время, нужно учесть и то, что скорость движения спутника по его орбите не остается постоянной, и то, что положение самой орбиты в пространстве, то есть по отношению к звездам, тоже не остается неизменным: плоскость орбиты, оказывается, медленно поворачивается вокруг полярной оси земного шара (так называемая прецессия орбиты). Все это и учитывается, когда составляется точное «расписание» движения спутников.

К сожалению, увидеть спутник, даже если он проходит над самой головой, можно далеко не всегда. Дело тут, конечно, вовсе не в одной только облачности. Даже когда небо абсолютно чистое, мы можем видеть быстро пересекающую его искусственную звездочку лишь в определенные моменты: утром — до восхода солнца и вечером — после его захода. Днем тоненький лучик, идущий к нашему глазу от искусственного спутника, затеряется в массе солнечных лучей — спутник будет невидим. Невидим он будет и ночью — ведь спутник сам не светится, он лишь отражает падающие на него солнечные лучи, а ночью спутник оказывается в огромном конусе тени, отбрасываемой земным шаром. Только утром и вечером, когда на небосводе солнца не видно, а мчащийся на высоте в сотни километров спутник освещен его горячими лучами, можно стать свидетелем незабываемого зрелища — увидеть искусственную звезду, мчащуюся среди мерцающих неподвижных звезд небосвода.[46]

Правда, первый советский спутник можно было видеть лишь с помощью сильного бинокля или подзорной трубы — это была слабая звездочка примерно пятой или шестой звездной величины. Зато ракеты-носители этого и третьего спутников, а также второй и третий спутники, имеющие гораздо большие размеры, были отчетливо видны как яркие желтоватые звезды, стремительно движущиеся по небу. На всех континентах, во всех странах люди следили за этими посланцами человечества в Космос, за этими «филиалами» Земли в небе.

Во многих случаях можно было видеть, как пролетавшая в небе искусственная звезда довольно резко меняла свой блеск, становилась более или менее яркой. Это было связано с тем, что ракета-носитель первого спутника, второй и третий спутники, которые имели несимметричную геометрическую форму, меняли свою освещенность в результате вращения вокруг центра тяжести. Значит, искусственные спутники обладали и этим движением, свойственным спутникам природным.

Научное значение первых искусственных спутников Земли поистине неоценимо. Не только астронавтика, но и многие «земные» науки сделают гигантский шаг вперед, опираясь на результаты наблюдений, произведенных с помощью спутников. Можно не сомневаться, что, несмотря на свои относительно небольшие размеры, спутники оправдают очень большие надежды ученых. Вот уж действительно — мал золотник, да дорог! Понятно, почему так велико научное значение первых спутников Земли. Ведь только они позволили ученым впервые перенести приборы с Земли на другое небесное тело. Это неизмеримо расширило возможности научных исследований, позволило осуществить научные наблюдения, принципиально не осуществимые с Земли.

И, пожалуй, самым первым по научному значению из всех приборов первого советского спутника следовало бы назвать прибор, который на этом спутнике вовсе не установлен! Ничего удивительного в этом нет, ибо речь идет о приборе, которым является… сам спутник, само это крошечное небесное тело, созданное советскими людьми.

Для науки чрезвычайно ценно уже одно только то, что в небе появились другие небесные тела, другие спутники Земли, помимо извечного ее спутника — Луны. Но еще более ценно то, что эти новые спутники во многом отличны от Луны, что они имеют несравненно меньшие размеры, чем Луна, обращаются вокруг Земли на несравненно меньших расстояниях и имеют соответственно меньший период обращения. Вследствие этих отличий на движении искусственных спутников, которое подчиняется, естественно, тем же законам, что и движение Луны, будут сильно сказываться многие факторы, практически не сказывающиеся на движении Луны. Будет сказываться, конечно, и то очень важное обстоятельство, что искусственные спутники движутся в иной плоскости вокруг Земли, чем плоскость движения Луны.

Вот почему искусственные спутники и являются очень ценными научными приборами. Изучая особенности их движения, можно сделать научные выводы большой важности. Так, например, неизмеримо сильнее, чем на движении Луны, будут сказываться на спутниках такие особенности Земли, как ее сплющенность, то есть отличие от правильной геометрической формы шара, (истинная форма земного шара — геоид — близка к эллипсоиду вращения), или же неоднородность ее строения, то есть неравномерное размещение масс внутри земной коры. Из-за этих особенностей Земли орбита искусственного спутника не будет точно круговой или эллиптической, она будет, как говорят, искажена. Кроме того, она не будет занимать фиксированного положения в пространстве (не будет перемещаться параллельно самой себе), а будет вращаться по сложным законам. Естественно, что по этим причинам будет изменяться и скорость движения спутника по орбите.

Значит, точно измеряя эти, как их называют, возмущения орбиты искусственного спутника, можно судить о вызывающих их причинах. Таким методом можно, например, определить точную форму или, как говорят, фигуру Земли, проверив заодно и другие, используемые в настоящее время методы. Этим будет оказана большая помощь геодезии — науке об измерении Земли и картографии — карты станут более точными. В частности, можно будет гораздо точнее, чем теперь, установить расстояние между земными материками и, наконец, выяснить, действительно ли перемещаются материки, как это предполагается некоторыми учеными, и если да, то как именно. Или, например, можно будет судить о неравномерностях строения земной коры, что может принести большую пользу геологии. В частности, с помощью таких гравиметрических наблюдений (то есть наблюдений за изменением силы тяжести в разных точках земной поверхности) могут быть обнаружены новые месторождения полезных ископаемых.

Наблюдая за орбитой искусственного спутника, можно сделать и еще один вывод, имеющий огромное значение для науки. Особенно важен этот вывод, в частности, потому, что никаким другим способом наука пока получить его не в состоянии. Речь идет об определении плотности воздуха в верхних слоях атмосферы, на границе ее с мировым пространством. Это конечно, имеет далеко не один только академический интерес. На такие огромные высоты уже забираются автоматические ракеты; за первыми спутниками появятся и другие, на разных высотах; недалеко то время, когда там будут летать и люди. А ведь впереди — межпланетный полет, при котором, конечно, корабль должен пересечь всю атмосферу, снизу доверху. И для всего этого совершенно необходимо точное знание плотности и других свойств атмосферы на всем ее протяжении — иначе нельзя точно рассчитать полет, а без такого расчета нельзя быть до конца уверенным в его успехе.

Но как же можно узнать с помощью спутника, какова плотность тех крайне разреженных слоев атмосферы, в которых он движется? Должны ли для этого находиться на спутнике какие-нибудь приборы, измеряющие плотность воздуха и сообщающие результаты своих измерений на землю?

Нет, необходимости в таких приборах в этом случае, к счастью, нет.[47] Задача может быть решена и без них. Для этого, как указывалось выше, требуются лишь тщательные наблюдения за движением спутника: он сам снова становится измерительным прибором. Все дело в том сопротивлении, которое оказывает спутнику воздух, в котором он движется.

Как известно, воздух оказывает сопротивление всякому движущемуся в нем телу. Это так называемое аэродинамическое сопротивление зависит от плотности воздуха, оно тем больше, чем больше эта плотность. Конечно, спутники движутся в самых верхних, крайне разреженных слоях атмосферы, где плотность ничтожно мала, но все же и этот воздух оказывает сопротивление движению спутника, правда, сопротивление очень небольшое. Измеряя это сопротивление, можно довольно точно определить плотность земной атмосферы на огромных высотах.

Но разве возможно измерить аэродинамическое сопротивление спутника в его полете по орбите? На первый взгляд это представляется еще гораздо более трудной задачей, чем непосредственное измерение плотности воздуха. Ведь для измерения этого сопротивления при испытаниях самолетов или их моделей в аэродинамических трубах служат специальные высокоточные аэродинамические весы, самописцы и другие приборы. Что же заменит их в данном случае?

Вот тут-то и появляется на сцену сам спутник как высокочувствительный измерительный прибор. Дело в том, что орбита спутника очень чутко реагирует на его скорость, даже ничтожное изменение скорости ощутительно изменяет орбиту. Поэтому точные измерения орбиты позволяют судить об изменении скорости движения спутника, а значит, и о величине воздушного сопротивления, которая, как указывалось выше, прямо пропорциональна плотности воздуха.

Кстати, в значительной мере именно из-за этого использования аэродинамического сопротивления спутника для определения плотности атмосферы в ее верхних слоях первому советскому спутнику была придана шаровая форма. Аэродинамическое сопротивление шара изучено лучше, чем других тел. Кроме того, как бы шар ни вертелся в полете, он все равно остается шаром. А представьте себе спутник в виде цилиндра. Летит такой цилиндр вокруг Земли и при этом поворачивается то одним боком, то другим. Ведь так и обстояло дело, например, со вторым советским спутником, яркость которого, как и яркость ракеты-носителя первого спутника, менялась в полете. Но понятно, что каждому положению цилиндра будет соответствовать свое сопротивление. Как же тут разобраться, какова истинная величина этого сопротивления, чтобы по ней определить плотность воздуха? Тут можно сильно ошибиться…

Как же должно влиять на орбиту искусственного спутника сопротивление атмосферы? Хорошо известно, что сопротивление воздуха мешает полету самолета, тормозит его. Если бы на самолете не было двигателя, то скорость его полета под действием этого сопротивления непрерывно уменьшалась бы. Значит, и скорость спутника должна постепенно уменьшаться, ведь на спутнике нет двигателя, который мог бы восстановить потерю скорости. Но в действительности скорость спутника, как показали наблюдения за первыми советскими спутниками, не только не уменьшается, а непрерывно возрастает!

Чем же объяснить этот парадокс, это кажущееся противоречие?

Оно объясняется тем, что, как и следовало ожидать, все-таки существует «двигатель», вызывающий этот неожиданный рост скорости спутника. Таким двигателем является Земля, сила ее тяготения. Как только скорость спутника под влиянием воздушного сопротивления оказывается меньшей, чем это требуется для полета по данной орбите, он под действием притяжения к Земле начинает двигаться по другой орбите. Новая орбита отличается от исходной, главным образом, высотой своего апогея — она уменьшается; высота перигея тоже уменьшается, но неизмеримо медленнее. Значит, эллипс становится менее вытянутым, он приближается к кругу. Средняя же скорость спутника по всей орбите не только не уменьшается, но даже возрастает — сказывается снижение спутника, его падение в поле земного тяготения (в то же время максимальная скорость спутника, то есть его скорость в перигее, при таком торможении спутника уменьшается, что очень важно для посадки межпланетного корабля, о которой будет идти речь в главе 17).

Чем сильнее влияет воздушное сопротивление на движение спутника, тем значительнее его снижение и больше рост средней скорости движения. В итоге же уменьшается период обращения спутника вокруг Земли — и потому, что уменьшается проходимый за каждое обращение путь, и потому, что свой путь спутник проходит с большей скоростью. Наблюдая за тем, как уменьшается период обращения спутника, можно судить о величине воздушного сопротивления и, значит, о плотности воздуха на тех высотах, где движется спутник.

Именно из-за воздушного сопротивления оказалась различной судьба первого советского спутника и его ракеты-носителя. Вначале, когда спутник был вытолкнут из ракеты-носителя, он ушел вперед километров на тысячу. Однако потом, под действием воздушного сопротивления, значительно большего для ракеты-носителя[48] ракета начала постепенно нагонять спутник. Примерно через 5 дней она уже догнала спутник и стала все быстрее удаляться от него, приближаясь вместе с тем к Земле. Когда спутник совершил 500 оборотов вокруг Земли, то ракета-носитель обогнала его уже на целых два оборота, совершив за это же время 502 оборота. 2 декабря 1957 года ракета-носитель обогнала спутник уже на 12 оборотов — она сделала 900 оборотов, тогда как спутник — 888 оборотов вокруг Земли. Вслед за этим ракета-носитель вошла в наиболее плотные слои атмосферы и через два месяца после запуска перестала существовать — отдельные оплавленные части ее упали на территории Аляски и западного побережья США. Спутник же по-прежнему продолжал полет вокруг земного шара и 9 декабря завершил 1000-й оборот вокруг него, пройдя путь в 43,2 миллиона километров. Он прекратил свое существование примерно через месяц после гибели ракеты-носителя, 4 января 1958 года, совершив за 3 месяца 1400 оборотов вокруг Земли и пройдя путь около 60 миллионов километров.

Падение спутника сквозь наиболее плотные нижние слои атмосферы, когда он из-за аэродинамического нагрева раскаляется докрасна, превращаясь в болид, разрушаясь и частично испаряясь, представляет исключительно большой интерес для науки. Ведь недалек тот момент, когда не только искусственные спутники совершат посадку на Землю, но и отправится в полет первый межпланетный корабль с людьми на борту, а он, естественно, должен совершить безопасную посадку при возвращении на Землю. Вот почему так важны наблюдения за спутником в последние часы его существования: наука извлекает пользу и из самой гибели созданного людьми искусственного небесного тела. К сожалению, эта задача очень сложна, и до сих пор тщательно проследить за падением спутников не удалось.

Понятно, что для всех наблюдений, связанных с измерениями орбиты спутника, эти измерения должны быть очень точными. Но даже при наличии подобных измерений получение нужных результатов весьма не простое дело. Так, например, задача определения плотности воздуха на больших высотах по скорости снижения спутника гораздо сложнее, чем описано выше. Ведь при этом приходится учитывать, что причиной снижения спутника может быть не только воздушное сопротивление, но и другие явления, например так называемое приливное действие Земли. Необходимо считаться также с давлением солнечных лучей на спутник. Примерный расчет показывает, что при круговой орбите на высоте 500 километров это давление примерно сравнивается по величине с аэродинамическим сопротивлением, оказываемым спутнику разреженной атмосферой, в которой он движется. Давление солнечного излучения может тормозить спутник, а может и создавать небольшую движущую силу — в зависимости от того, как избрана орбита спутника. По проекту, разработанному во Франции, использование солнечного давления на небольшой искусственный спутник с такой высотой круговой орбиты может полностью компенсировать различные тормозящие действия на спутник и, следовательно, сделать продолжительность жизни спутника практически неограниченной. Конечно, создать подобный «тысячелетний» спутник можно и простым увеличением высоты орбиты.

Чтобы точно установить закон движения спутника по орбите, необходимы тщательные определения положения спутника на небе в каждый данный момент. Наблюдению за движением спутников у нас в стране уделено большое внимание. Основная роль при этом возложена на специальные станции наблюдения, организованные в разных пунктах страны. Станции снабжены специальными телескопическими широкоугольными трубками, с помощью которых создаются «оптические барьеры» на небе. Трубки располагаются по прямой перпендикулярно ожидаемому направлению полета спутника, а иногда также и по меридиану. Момент пересечения спутником этой невидимой прямой, фиксируемый одним из наблюдателей, отмечается с помощью точных часов. Чтобы облегчить такие же наблюдения, ведущиеся многими астрономами-любителями, по радио каждый час передаются сигналы точного времени.

Исключительно большое значение имеют фотографические наблюдения за спутниками, доступные не только специальным обсерваториям, но и каждому любителю, обладающему фотоаппаратом. Четкие снимки пролетающего спутника в виде яркой полоски, пересекающей небо, с отметкой времени пролета (например, путем разрыва этой полоски перекрыванием объектива) могут принести особенно большую пользу.

Но, конечно, ограничиться только оптическими наблюдениями нельзя. Ведь большую часть суток пролетающий в небе спутник невидим. Поэтому очень важны радиолокационные наблюдения, осуществляемые с помощью особых, весьма сложных установок, так называемых радиолокационных телескопов.

Однако подобные установки еще весьма немногочисленны. Вот почему важно было создать спутник не «пассивный», а «активный», способный передавать на Землю и сообщения о своем местонахождении на небе, и, если можно, другие важные сведения. Как известно, уже первый советский спутник был именно «активным» спутником.

На первом советском спутнике были установлены две передающие радиостанции, работавшие на волнах длиной 7,5 и 15 метров. Вот почему этот спутник был снабжен двумя парами усов-антенн длиной 2,4–2,9 метра. На нем были установлены также и источники электрического тока, необходимые для работы радиостанций. В течение трех недель весь мир слушал сигналы этих станций. Их удавалось принимать на расстоянии до 10 тысяч километров от спутника.

Работа радиостанций на спутнике имела огромное значение и для изучения электрического потолка земной атмосферы — ионосферы. Ведь до сих пор ее изучение осуществлялось с помощью радиоволн, которые излучались с поверхности Земли и отражались различными слоями ионосферы; по характеру этого отражения можно было судить о свойствах ионосферы. Самые отдаленные слои ионосферы удавалось «прощупывать» таким образом лишь с трудом, а может быть, и вовсе не удавалось — по существу, не было известно, где находится верхняя граница ионосферы. Спутник дал возможность посылать радиосигналы из разных точек ионосферы и из областей, лежащих выше нее.

Ценность радиозондирования ионосферы значительно увеличивалась тем, что спутник излучал радиоволны двух различных частот. Накопленные за время работы раций первого спутника сведения, а также сведения, полученные в результате запуска второго и третьего спутников, будут подвергнуты тщательному изучению и помогут не только установить свойства ионосферы, но и улучшить на этой основе дальнюю радиосвязь. Они будут иметь также большое значение при решении проблем радиосвязи с будущими межпланетными кораблями. Еще большее значение для этой цели имеет, конечно, ценнейший опыт, полученный при приеме сигналов радиостанций первой советской космической ракеты, ставшей спутником Солнца. Ведь это были сигналы первого настоящего межпланетного корабля!

При приеме на слух посылаемые первым спутником радиосигналы казались совершенно одинаковыми короткими звуками «пип-пип» (посылаемые спутником сигналы имели вид телеграфных посылок длительностью 0,3 секунды с паузами такой же продолжительности). Однако в действительности чередующиеся с паузами посылки были вовсе не одинаковы. Иногда они становились длиннее, иногда короче. Это вызывалось тем, что на основные сигналы постоянной частоты и длительности накладывались другие сигналы — зашифрованные показания установленных на спутнике приборов.

Принятые земными наблюдательными станциями сигналы спутника записывались и затем расшифровывались. Такая система передачи показаний приборов называется радиотелеметрической. С ее помощью регистрировались, в частности, давление и температура азота, заполняющего шаровидный спутник.

Но зачем же в спутнике находился азот?

Прежде всего, он создавал давление внутри герметического шара-спутника. Легко видеть, что это необходимо и для работы приборов спутника, и для уменьшения толщины его стенок. Но не менее важна и вторая роль азота: она связана с регулированием температурного режима спутника.

Двигаясь по своей орбите, спутник то нагревался палящими лучами Солнца, то замерзал, когда для него наступало «солнечное затмение», то есть когда он попадал в конус земной тени. Температура спутника при таких переходах может измениться более чем на 200–250 °C. Может быть, это было бы и не страшно для металлического шара, но заведомо недопустимо для различного научного оборудования, размещенного внутри шара. Поэтому возникла острая необходимость регулировать температуру спутника.

Задача эта оказалась очень нелегкой и, главное, совершенно новой — ведь еще никому до сих пор не приходилось регулировать температуру какого-нибудь… небесного тела. А спутник является как раз именно таким телом, его температура определяется лучистым теплообменом с окружающим пространством. Поэтому поверхности спутника были приданы определенные свойства в отношении поглощения и излучения лучистого тепла. Но этого мало. При тепловых расчетах спутника приходилось учитывать и выделение тепла внутри него, как это имеет место, допустим, внутри земного шара. Только Земля подогревается изнутри теплом радиоактивного распада калия, урана и других веществ, а спутник — теплом, выделяющимся в результате работы установленного на нем научного оборудования и радиостанций.

Продолжая эту аналогию между Землей и нашим искусственным спутником, можно было бы указать и еще некоторые сходства и различия. Так, в отличие от Земли, мчащейся в безвоздушном пространстве, спутник движется в земной атмосфере, хоть и очень разреженной. Это заставляет учитывать и некоторое количество тепла, которое спутник получает в результате трения о воздух. С другой стороны, Земля обладает замечательным механизмом для выравнивания температуры по всей ее поверхности — атмосферой. Такой атмосферы спутник лишен. Впрочем, почему лишен?

Вот тут-то мы и встречаемся со второй функцией азота, заполняющего спутник. Если нельзя создать атмосферу, окружающую спутник, то почему бы не устроить ее… внутри спутника? Ведь подобная атмосфера тоже может выравнивать температуру на спутнике. И вот наш спутник приобретает азотную «атмосферу». Но если мы еще пока не в силах управлять ветрами в земной атмосфере и только мечтаем об этом, то никто не мешает нам организовать «ветры» в азотной атмосфере спутника наилучшим образом, чтобы приборы внутри спутника находились в наиболее благоприятных условиях. Вот почему азот в спутнике циркулирует по заданным путям с помощью специальных устройств. Это тоже была нелегкая задача.

Глядя на модель первого советского спутника — блестящий металлический шарик с усами антенн, — впервые показанную на Всесоюзной промышленной выставке, не просто было представить себе все трудности, которые пришлось преодолеть при его создании, все проблемы, которые пришлось решить. Но, конечно, самая большая, самая главная трудность заключалась в том, чтобы доставить этот скромный на вид и такой замечательный по существу шарик на его головокружительную орбиту. Для этого мало было даже создать невиданную, не существующую нигде за рубежом сверхвысотную ракету. Нужно было научиться управлять ракетой так, чтобы она прочертила в мировом пространстве точно предопределенный ей путь.

Долгие месяцы, если не годы, рассчитывали бы ученые этот путь, если бы не прибегли к помощи совершенных электронных счетных машин, — без них такие расчеты были бы вряд ли возможны. Сколько самых различных обстоятельств и влияний пришлось учитывать при выполнении этих расчетов! И вот ракета взлетела. Одно — два неучтенных обстоятельства, выходящая за рамки допустимой производственная погрешность, ничтожная неточность в работе, одна из сотен возможных случайностей — и весь огромный труд пойдет насмарку, ракета не выйдет на заданную орбиту.

Ведь стоит ошибиться в величине конечной скорости ракеты на заданной высоте орбиты на два — три десятка метров в секунду — это при скорости-то в 8 километров в секунду! — и высота спутника над Землей изменится на добрую сотню километров. На столько же изменит положение орбиты спутника и ничтожное, в один градус, изменение направления конечной скорости вверх или вниз. Мы уже не говорим о таких ошибках, которые приводят к гибели ракеты…

Запуск первого советского спутника удалось осуществить сразу, без каких бы то ни было репетиций, и он полностью подтвердил все предварительные расчеты ученых, показал безупречную работу всех двигателей, механизмов, устройств, приборов. Ракета вышла абсолютно точно на заданный курс, спутник стал обращаться вокруг Земли по строго указанной ему орбите. Это поистине блестящий, невиданный успех советской науки и техники!

Конечно, второму советскому спутнику было намного легче — ведь дорожка в Космос была уже проторена, второй раз — не первый! Но зато ему было и много трудней. Достаточно вспомнить хотя бы о том, что он весил в 6 раз больше — только вес его оборудования превосходил полтонны. И вместе с тем забрался этот спутник почти на тысячу километров выше. Но, пожалуй, самое большое его отличие от первого спутника заключается в количестве установленного научного оборудования. Второй спутник — это уже целая научно-исследовательская лаборатория в Космосе.

Все научное оборудование второго спутника установлено непосредственно на ракете-носителе, а не на особом шаровидном спутнике. Это объясняется, главным образом, тем, что задача определения плотности воздуха на больших высотах уже не являлась здесь основной, так что второй спутник мог быть и не шаровым. С другой стороны, расположить все научное оборудование второго спутника в шаре было практически невозможно, такой шар получился бы несоразмерно большим. Вместе с тем, чтобы увеличить срок жизни второго спутника, его орбита была повышена, да и, как оказалось, даже на меньших высотах, соответствующих полету первого спутника, срок жизни ракеты-носителя достаточно велик.

На втором спутнике имелся и шар, похожий на шаровидный первый спутник. В этом шаре были расположены радиостанции с источниками питания, различные измерительные приборы, система циркуляции газа. Радиостанции спутника работали на волнах 7,5 и 15 метров, но на этот раз передачи на волне 15 метров велись, как и раньше, в виде телеграфных посылок длительностью 0,3 секунды с такими же паузами, тогда как станция на волне 7,5 метра излучала сигнал непрерывно. Большая мощность радиопередатчиков позволяла принимать их сигналы на расстояниях до 15 тысяч километров, а в некоторых случаях эти сигналы обходили даже вокруг земного шара.

Спереди, на силовой раме, предназначенной для крепления научной аппаратуры, была установлена «солнечная лаборатория» спутника для исследования коротковолнового солнечного излучения — ультрафиолетового и рентгеновского. О том, что Солнце испускает, кроме видимого света, и такие лучи, стало известно только в последние годы в результате исследований, произведенных с помощью высотных ракет. Эти коротковолновые лучи могут быть обнаружены лишь на огромных высотах, куда залетают ракеты. На меньших высотах и у земли такие лучи в солнечном спектре не обнаруживаются, они полностью поглощаются вышележащими слоями атмосферы; земной поверхности достигают лишь наиболее длинноволновые ультрафиолетовые лучи, непосредственно примыкающие к фиолетовой части спектра. Объясняется это тем, что коротковолновое излучение Солнца обладает чрезвычайно большой активностью и потому вступает во взаимодействие с верхними слоями атмосферы, вызывая ионизацию молекул воздуха. Ученые считают, что коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца (большая часть этого излучения испускается атомами водорода в хромосфере Солнца и соответствует длине волны 1215 ангстрем) и рентгеновское излучение солнечной короны (так называемые мягкие рентгеновские лучи с длиной волны 3-100 ангстрем) являются главной причиной образования ионосферы.

Хотя общая энергия коротковолнового излучения Солнца очень мала сравнительно с энергией излучаемого им видимого света, однако оно оказывает исключительно большое влияние на земную атмосферу. Уже одно это делает чрезвычайно ценным его изучение. С другой стороны, коротковолновое излучение рождается малоизученными внешними слоями солнечной атмосферы — хромосферой и короной, что только усиливает интерес к нему. Наконец, установлено, что усиление солнечной активности, связанное с появлением так называемых хромосферных вспышек, неизменно приводит к интенсивным процессам в ионосфере, результатом которых являются, в частности, нарушения радиосвязи. Это делает особенно важным как с теоретической, так и с практической точек зрения согласованное изучение ионосферных процессов, солнечной активности и коротковолнового солнечного излучения. Именно для этих целей более всего подходит «солнечная лаборатория» на спутнике, работающая параллельно с земными станциями «службы Солнца».

«Солнечная лаборатория» спутника состояла из трех одинаковых приборов, так называемых фотоумножителей. Три прибора нужны были для того, чтобы один из них был всегда направлен на Солнце при вращении спутника (приборы были расположены под углом 120° друг к другу). Энергия солнечного излучения, проникающего в фотоумножитель, преобразовывалась в электрические сигналы, интенсивность которых была пропорциональна этой энергии; затем сигналы усиливались, зашифровывались и передавались земным наблюдательным станциям радиотелеметрической системой спутника.

Но как добиться, чтобы в фотоумножители поступало излучение только одной длины волны или хотя бы узкого диапазона длин волн? Для этого перед фотоумножителями были установлены вращающиеся диски с окошками разного рода — из тонких металлических и органических пленок, а также из специальных оптических материалов. Каждое из таких окошек-фильтров пропускало волны только определенного диапазона длин. Понятно, что вращение дисков было согласовано со всей системой регистрации показаний прибора, чтобы точно знать, интенсивность какого диапазона излучения измеряется.

На эту автоматику была возложена и еще одна задача — экономия электроэнергии, потребляемой прибором. Зачем расходовать энергию, такую драгоценную на спутнике, на работу прибора, если в него не попадают солнечные лучи? Чтобы избежать этого, питание прибора включалось только в том случае, если в один из трех фотоумножителей попадали солнечные лучи. Это осуществлялось с помощью фотосопротивлений, то есть таких электрических сопротивлений, величина которых изменяется при облучении их светом; они и сигнализировали автоматике, что в прибор попадают солнечные лучи.

Как видите, «солнечная лаборатория» была скромной по размерам, но очень «хитрой» по устройству.

Не менее «хитрой» была и лаборатория, предназначенная для исследования загадочных посланцев Вселенной — космических лучей. Она была смонтирована непосредственно на корпусе ракеты-спутника, как и многие другие приборы и аппаратура.

Если коротковолновое излучение, изучавшееся первой «лабораторией», рождается внешними слоями солнечной атмосферы, то космические лучи, изучавшиеся второй «лабораторией», являются отзвуками каких-то неизвестных пока еще процессов гигантской силы, происходящих где-то в глубинах Космоса. Но одно их роднит — и те и другие не достигают земной поверхности, «гибнут» в атмосфере; кроме того, по крайней мере часть космических лучей каким-то образом, несомненно, связана и с Солнцем.

Изучение космических лучей дает возможность науке проникнуть в тайны процессов, происходящих в глубинах Космоса, может быть, далеко за пределами солнечной системы. Что это за процессы, результатом которых являются потоки частиц колоссальной энергии, не достижимой пока в лаборатории никакими другими методами? Каков состав этих вестников Вселенной, по которому можно судить о химическом составе самой Вселенной? Каким воздействиям подвергаются космические лучи на своем далеком пути? Вот только часть вопросов, которые могут быть прояснены в результате исследований «космической лаборатории» спутника.

Эта «лаборатория» представляла собой два одинаковых прибора для подсчета космических частиц; установлены приборы так, что их оси расположены во взаимно-перпендикулярных направлениях. Как только через один из счетчиков проходит космическая частица, обладающая электрическим зарядом, в счетчике возникает искра. Специальное радиотехническое устройство счетчика, работающее на полупроводниковых электронных «лампах» — триодах, сейчас же регистрирует эту искру. Когда число подсчитанных частиц достигает определенного значения, «лаборатория» посылает об этом радиосигнал на Землю. Так эта «лаборатория» сделала возможным определение интенсивности космических лучей, то есть числа космических частиц, проходящих через счетчик в секунду.

Но как измерить энергию отдельных космических частиц, как установить распределение всего потока частиц по энергиям, то есть энергетический спектр частиц? Для этого необходим какой-то сепаратор частиц, делящий их на группы по величине энергии так же, как сепаратор в виде вращающегося диска с разными окошками служил для разделения коротковолновых лучей по длине волны в «солнечной лаборатории». Но какими должны быть фильтры перед счетчиками космических частиц, если они пронизывают толстенные слои металла, оказывающиеся для них совершенно «прозрачными»? Задача оказалась бы, вероятно, совершенно неразрешимой, если бы не гигантский естественный сепаратор, который, к счастью для исследователей, предупредительно приготовила для них природа.

Природным сепаратором космических частиц является… Земля. Ведь она представляет собой огромный магнит и, значит, отклоняет электрически заряженные космические частицы к полюсам. Чем меньше энергия частицы, тем сильнее сказывается на ней действие магнитного поля Земли, то есть тем сильнее частица отклоняется к полюсу. Вдали от полюсов, у экватора, можно встретить лишь те космические частицы, энергия которых очень велика. Каждой географической широте соответствует свое минимальное значение энергии космических частиц, способных проникать через «барьер» магнитного поля Земли. Поэтому об энергетическом спектре космических частиц можно судить по распределению их в зависимости от географической (точнее — геомагнитной) широты.

Спутник является, очевидно, идеальным устройством для такого исследования, так как он быстро перемещается на большие расстояния по широте. Конечно, это касается только спутников с орбитой, близкой к меридиональной, какими и являются советские спутники. Вот почему «лаборатория» космических частиц второго советского спутника позволяет определить так называемый широтный эффект, то есть установить распределение космических частиц по их энергиям.

Были на спутнике и другие «лаборатории», занимавшиеся исследованием различных физических явлений. Но, пожалуй, наибольший интерес во всем мире вызвала «биологическая лаборатория»: цилиндрический контейнер с подопытным животным — собачкой Лайкой. Впервые в истории живое существо провело многие часы в полете в мировом пространстве.

Понятно, какое огромное значение имели наблюдения за поведением первого межпланетного путешественника — Лайки. Ведь космический полет связан со многими трудностями и опасностями для астронавтов. Тут и инерционные перегрузки при взлете ракеты, связанные с многократным увеличением веса путешественников; и последующая полная потеря веса, когда наступает состояние так называемой динамической невесомости, связанное с прекращением работы двигателя ракеты и начавшимся свободным падением ее на Землю; и вредное действие коротковолнового излучения Солнца; и смертельно опасные космические лучи; и еще многое другое.[49] И, как это было уже не раз в истории науки, человек послал в разведку по неизведанным опасным путям, на этот раз в Космос, своего верного друга — собаку. Будет вполне заслуженно, если у ног астронавта на гранитном постаменте будущего памятника первым межпланетным путешественникам будет лежать их боевой разведчик — небольшая собачка Лайка.

Специальные чувствительные устройства — датчики — регистрировали все основные функции жизнедеятельности Лайки: работу сердца, легких, работу системы кровообращения и другие. Сигналы датчиков преобразовывались радиотелеметрической системой спутника в радиосигналы и передавались на Землю.

Но, конечно, этим задача «биологической лаборатории» не ограничивалась. Ее механические «сотрудники» должны были, в отличие от других «лабораторий» спутника, обеспечить все условия жизни своей подопечной. Создателям спутника пришлось подумать о снабжении Лайки свежим воздухом и удалении продуктов ее дыхания, об утолении голода и жажды, о поддержании заданного давления и температуры и еще о многом другом. Это были очень нелегкие задачи.

Второй советский спутник был намного сложнее и совершеннее первого. Но в еще большей степени он уступал в совершенстве третьему спутнику.

Дело не только в значительно большем весе научного оборудования, установленного на третьем спутнике, — он равнялся 968 килограммам вместо 508 килограммов на втором спутнике. Неизмеримо шире стал круг научных задач, решение которых оказалось возможным возложить на третий спутник. Так что если второй спутник мы назвали научной лабораторией в Космосе, то третий спутник по праву может быть назван целым научно-исследовательским институтом. Если бы для всех исследований, которые осуществлял третий спутник, на нем находился штат научных сотрудников, то вокруг Земли обращалось бы по орбите спутника здание внушительных размеров. Сократить это здание до размеров спутника, имеющего длину 3,57 метра и наибольший диаметр 1,73 метра, удалось только потому, что автоматические «сотрудники» этого космического института занимали ничтожно мало места. Этому в большой степени способствовало исключительно широкое применение полупроводников в научном оборудовании спутника.

Создание третьего спутника представляет собой пример блестящего решения задачи комплексной механизации и автоматизации, которая сейчас стоит перед всей нашей промышленностью. А ведь создать полностью автоматизированный научно-исследовательский институт, да еще находящийся в суровых условиях мирового пространства, — задача не менее трудная, чем сооружение автоматического цеха или даже завода.

На третьем спутнике автоматы осуществляли самые различные функции. Основную роль играли, конечно, приборы, выполнявшие разнообразные научные наблюдения и измерения. Приборы были как бы станками этого автоматизированного предприятия в Космосе. Чего только не измеряли приборы спутника!

На третьем спутнике снова имелась «лаборатория» по изучению космических лучей, но только значительно более совершенная, чем на втором спутнике. В частности, на этот раз она была приспособлена для поисков пока еще никогда не обнаруженной компоненты космических лучей — именно фотонов, квантов гамма-излучения. Открытие фотонов в космических лучах, которое ожидают многие ученые, означало бы крупнейший скачок вперед в изучении Вселенной, так как позволило бы безошибочно установить источник космического излучения. Ведь фотоны, в отличие от других компонентов космических лучей, представляющих собой электрически заряженные частицы, не отклоняются от прямолинейного пути в электрических и магнитных полях. Кроме того, аппаратура третьего спутника была специально рассчитана на выяснение и другого крайне важного для исследования космических лучей вопроса — она позволяла детально изучить тяжелую компоненту этих лучей, то есть наличие в них ядер наиболее тяжелых атомов.

Имелась на третьем спутнике и «солнечная лаборатория», но в отличие от такой же лаборатории второго спутника она была предназначена для исследования не коротковолнового (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения Солнца, а его корпускулярного излучения, то есть того потока частиц вещества, который оно испускает. Таким образом, эта «лаборатория» спутника позволяла осветить один из наименее изученных вопросов, связанных с деятельностью Солнца, оказывающей столь большое влияние на процессы в земной атмосфере.

Но этими двумя «лабораториями» список «научных подразделений» третьего спутника вовсе не ограничивался. Он включал комплекс других «лабораторий», превращавших спутник в чрезвычайно ценную геофизическую наблюдательную станцию в Космосе.

Так, на спутнике были установлены приборы (ионные ловушки), позволявшие впервые в истории науки непосредственно измерить концентрацию заряженных частиц в ионосфере, что должно сыграть исключительно важную роль в понимании происходящих в ней процессов. Другие приборы (масс-спектрометры) также впервые позволяли определить химический состав ионосферы. Точнейшие манометры измеряли давление и плотность атмосферы на огромных высотах — до сих пор эти измерения надежно осуществлялись с помощью ракет лишь до высот порядка 100 километров.

Остроумные и тонкие приборы спутника — флюксметры, опять-таки впервые в истории науки, осуществляли измерения с целью установить наличие и характер электростатических полей на большом расстоянии от Земли, разрешить ряд связанных с этими полями загадок, интригующих в настоящее время науку. В частности, эти измерения должны помочь ответить на вопрос о причинах возникновения большой, в сотни тысяч вольт, разности электрических потенциалов между положительно заряженным земным шаром и отрицательно заряженной атмосферой.

Очень велики надежды, которые ученые всего мира связывают с установленными на третьем спутнике магнитометрами. Задачей этих приборов является изучение магнитного поля Земли на большом расстоянии от нее, что должно помочь раскрыть тайну образования такого поля, а также установить характер его изменений, оказывающих столь большое влияние на поведение компаса, распространение радиоволн и др. Установка магнитометров на спутнике оказалась связанной с очень большими трудностями, зато теперь наша страна оказалась обладательницей не только единственного в мире специального морского судна для магнитных измерений — шхуны «Заря», но и столь же уникального космического «судна».

Вряд ли можно переоценить и значение установленных на спутнике приборов (пьезодатчиков), позволяющих определить число и энергию микрометеоритов — мельчайших небесных камешков, в огромном числе населяющих солнечную систему и врывающихся в земную атмосферу со скоростью до 70 километров в секунду. Эти исследования важны и для понимания ряда атмосферных процессов и, естественно, для будущего астронавтики.

Питание электроэнергией всех этих и других приборов и устройств спутника осуществлялось не только от совершенных аккумуляторных батарей, как на первых двух спутниках, но и с помощью солнечных батарей. Кремниевые полупроводниковые пластины превращали энергию солнечных лучей непосредственно в электрический ток. Главное назначение солнечной электростанции спутника заключалось, конечно, в проверке ее работоспособности в условиях космического полета. Кому не ясно, как заинтересована в этом астронавтика!

Сложным и многообразным было и радиооборудование третьего спутника. Тут и коротковолновая передающая станция «Маяк», непрерывно излучающая телеграфные посылки на волне 15 метров и предназначенная для того, чтобы в наблюдениях за спутником могли принять участие тысячи радиолюбителей всего мира; и радиотелеметрическая аппаратура, преобразующая показания всех приборов спутника в радиосигналы для передачи их на Землю; и специальная радиоаппаратура для измерения координат спутника, то есть местонахождения его в пространстве.

Немалую роль среди «вспомогательных служб» спутника играли устройства, поддерживавшие заданный температурный режим внутри него. Многочисленное оборудование спутника сделало эту задачу более трудной, чем для первых спутников. Поэтому, помимо прежних мер, вроде обеспечения циркуляции азотной «атмосферы» спутника, на третьем спутнике был применен и новый метод, впрочем, предложенный еще Циолковским. Спутник был снабжен поворотными жалюзи с электроприводом, способными то открываться, то закрываться, что изменяло свойства поверхности спутника в отношении поглощения и излучения тепла. Эти автоматические «истопники» спутника поддерживали в нем нужную температуру.

Как же осуществлялось управление всем сложным хозяйством спутника, требующим, как мы видели, самого разнообразного вмешательства? Эта роль была поручена специальному «мозгу» спутника — особому электронному программно-временному устройству. В нужные моменты оно включало и выключало приборы, открывало или закрывало створки жалюзи, «запоминало» показания приборов, а затем «выдавало» их наземным наблюдательным станциям, выполняло различные другие функции.

Каковы же итоги научных исследований, осуществленных с помощью первых советских спутников?

Полная обработка всех результатов проведенных исследований потребует значительного времени и труда больших коллективов ученых. Придется расшифровать сотни и тысячи различных показаний, переданных со спутников, подвергнуть анализу тысячи данных наземных наблюдений за ними. В этой работе будут использованы многочисленные электронно-счетные машины.

Но кое-какие важные выводы можно сделать уже сейчас. Запуск советских искусственных спутников Земли, несомненно, оправдал себя — он дал науке материалы неоценимого научного значения. Все теоретические расчеты и предположения советских ученых полностью подтвердились, научное оборудование спутников работало безупречно. Это является замечательным достижением передовой советской науки и вместе с тем всей мировой науки.

Главные наблюдения, связанные с первым советским спутником, относились к измерениям его орбиты, как и орбиты его ракеты-носителя. Прежде всего это касалось измерений периода обращения этих искусственных небесных тел. Первоначально они имели общий период обращения, равный 96,2 минуты. Затем из-за действия воздушного сопротивления и по другим причинам он стал уменьшаться. С течением времени уменьшение периода обращения становилось все более быстрым. Так, за месяц, с 9 октября по 9 ноября 1957 года, период обращения спутника уменьшился с 96 минут до 94,72 минуты, то есть на 77 секунд, а период обращения ракеты-носителя — с 96 минут до 93,48 минуты, то есть на 151 секунду. Это значит, что период обращения спутника уменьшался за этот месяц в среднем на 2,57 секунды в сутки, а ракеты-носителя — на 5 секунд в сутки. К концу же месяца, то есть 9 ноября, уменьшение периода обращения спутника составляло уже 2,94 секунды в сутки, а ракеты-носителя — 9,24 секунды в сутки.

Это ускоренное уменьшение периода обращения первого советского спутника можно проиллюстрировать, например, графиком, построенным по данным радионаблюдений Кембриджской радиоастрономической обсерватории в Англии. График построен для периода с 8 по 22 октября и отчетливо показывает все более быстрый темп снижения периода обращения спутника по времени.

Уменьшению периода обращения соответствовало и все более быстрое снижение спутника и ракеты-носителя, то есть уменьшение высоты апогея их орбит. В начале движения высота апогея спутника и ракеты-носителя была общей и составляла 947 километров. К 9 ноября высота апогея спутника составляла 810 километров, а ракеты-носителя — 695 километров. Через 58 дней после запуска ракета-носитель перестала существовать, пролетев примерно 39 миллионов километров и сделав 900 оборотов вокруг земного шара. Спутник же прекратил свое существование 4 января 1958 года, сделав примерно на 500 оборотов вокруг Земли больше, чем ракета-носитель, и пройдя на 20 миллионов километров больший путь.

Второй советский искусственный спутник свой тысячный оборот вокруг Земли завершил к 2 часам ночи 13 января 1958 года. За это время он прошел путь, равный 45,4 миллиона километров, то есть на 2,2 миллиона километров больший, чем путь первого спутника за то же число оборотов. Это легко понять: ведь второй спутник двигался по орбите большего радиуса, на большей высоте над Землей. Даже после тысячи оборотов период обращения второго спутника уменьшился лишь на 3,9 минуты, то есть вместо первоначального в 103,7 минуты стал равным 99,8 минуты. Этот период обращения все еще больше, чем первоначальный период обращения первого спутника. Высота апогея второго спутника уменьшилась за это же время на 370 километров, то есть до 1300 километров. 14 апреля 1958 года второй советский искусственный спутник Земли прекратил свое существование, совершив всего около 2370 оборотов вокруг Земли и пройдя путь более 100 миллионов километров.

Интересно продолжить сравнение траекторий первого и второго спутников.

Первый спутник просуществовал 3 месяца, пройдя всего немногим больше 59 миллионов километров. Когда прошло 3 месяца со дня запуска второго спутника (то есть 3 февраля 1958 года), то оказалось, что пройденный им путь равен… 59,3 миллиона километров и лишь немногим больше пути, пройденного за это же время первым спутником. Значит, средняя скорость движения обоих спутников была почти одинаковой. Зато второй спутник сделал за это время лишь 1312 оборотов вокруг Земли, тогда как первый спутник совершил примерно 1400 оборотов. Понятно, почему так: ведь среднее расстояние второго спутника от Земли больше, чем первого. Когда же и второй спутник завершил 1400-й оборот (9 февраля 1958 года), то его путь удлинился примерно на 6 миллионов километров по сравнению с расстоянием, пройденным за то же число оборотов первым спутником.

Точно так же можно сравнить движение второго и третьего спутников. Третий спутник завершил свой двухтысячный оборот вокруг Земли 8 октября 1958 года, пройдя за 147 суток путь в 92,6 миллиона километров, тогда как второй спутник это же число оборотов совершил за 138 суток (21 марта 1958 года), пройдя путь в 89 миллионов километров. Период обращения третьего спутника уменьшился при этом на 2,15 минуты, а второго спутника — на 9,5 минуты. Высота апогея уменьшилась, соответственно, на 195 и 900 километров. Это объясняется как большей начальной высотой апогея третьего спутника, так и его большей поперечной нагрузкой по сравнению со вторым спутником.

Из-за меньшей поперечной нагрузки ракеты-носителя третьего спутника по сравнению с самим спутником она погибла намного раньше спутника — 3 декабря 1958 года, совершив всего 2907 оборотов вокруг Земли и пройдя путь около 130 миллионов километров. Спутник же прекратил существование 6 апреля 1960 года на 10037 обороте, пройдя за 691 сутки свыше 448 миллионов километров.

Наблюдения за изменением периода обращения спутников позволяют уточнить наши знания о плотности воздуха на огромных высотах. В этом отношении советские ученые накопили уже огромный экспериментальный материал, причем определение плотности велось одновременно несколькими методами, дополняющими друг друга. В настоящее время впервые в истории плотность земной атмосферы уверенно определена до высот 600–800 километров. На этих высотах в одном кубическом сантиметре содержится от 2 до 20 миллионов частиц воздуха, то есть примерно в миллион миллионов раз меньше, чем у поверхности Земли. Плотность воздуха на высотах порядка 200 километров оказалась значительно большей, примерно в 5-10 раз, чем это предполагалось до запуска спутников по данным ракетных исследований. Выше оказалась и температура воздуха.

Представляют интерес наблюдения за вращением орбиты спутников. Как известно, плоскость орбиты из-за сплющенности земного шара медленно вращается относительно земной оси в направлении, противоположном вращению Земли, то есть на запад. Эта прецессия орбиты происходила со скоростью 2,5–3 градуса в сутки. Большая полуось эллиптической орбиты спутников также регрессирует, то есть движется против движения спутников по орбите, но с гораздо меньшей скоростью.

Выше уже упоминалось, что наблюдения за переменным блеском ракеты-носителя первого спутника позволили установить период ее обращения вокруг собственного центра тяжести. Он оказался равным одному — двум оборотам в минуту. Удалось установить, что обращается вокруг оси и сам спутник; такой вывод был получен в результате исследования радиосигналов, излучаемых спутником.

Более точно удалось изучить движение вокруг центра тяжести третьего спутника в связи с тем, что на нем был установлен прибор (магнитометр), с помощью которого можно было довольно точно установить ориентацию спутника в пространстве. Оказалось, что движение спутника довольно сложно — он вращается вокруг продольной оси, делая один оборот примерно за 18 минут, и, кроме того, сама эта ось совершает прецессионное движение вокруг оси, наклоненной к ней под углом 84 градуса, как это происходит с волчком. Период прецессии равен примерно 140 секундам. Следует отметить, что со временем под воздействием главным образом атмосферы и гравитационного поля Земли положение оси прецессии в пространстве изменяется, а скорость вращения в результате взаимодействия с магнитным полем Земли уменьшается.

Очень важным является вывод относительно гораздо меньшей метеоритной опасности для искусственных спутников и межпланетных кораблей, чем это предполагалось. За все время движения спутников был отмечен лишь один случай попадания в них значительного метеорита. Это случилось 6 мая 1958 года с третьим американским спутником: он был пробит метеоритом при прохождении через метеорный поток Акварид. Следует, однако, заметить, что число зарегистрированных столкновений спутников с микрометеоритами очень велико — для третьего спутника оно превосходило 600 в час на 1 квадратный метр его поверхности.

Наблюдения за ионосферой, выполненные во время работы радиостанций спутников, с несомненностью установили наличие волноводных каналов в ионосфере, а также позволили измерить концентрацию электронов на больших высотах, что очень ценно для будущего радиосвязи. Важные сведения получены по наблюдению так называемого эффекта Допплера (изменение частоты колебаний, принимаемых от движущегося излучателя), что также имеет большое научное и практическое значение, в том числе и для астронавигации. В частности, установлено, что с помощью этого эффекта можно с большой точностью измерять координаты спутника, то есть его положение на небе.

Исследования верхней атмосферы Земли, как и произведенные на третьем спутнике измерения ионного состава ионосферы, степени ионизации верхней атмосферы и другие, являются, без сомнения, одним из важнейших результатов исследований, выполненных с помощью искусственных спутников Земли. Они позволяют построить более правильную, чем раньше, модель земной атмосферы, играющей столь большую роль во всей нашей жизни. В частности, установлено, что земная атмосфера простирается на значительно большую (до 2–3 тысяч километров) высоту, чем предполагалось ранее.

«Лаборатория космического излучения» отчетливо установила наличие упоминавшегося выше геомагнитного широтного эффекта. С ее помощью получены новые сведения о магнитном поле Земли на больших высотах.

Особый интерес представляют полученные с помощью спутников и космических ракет сведения о совершенно новом излучении на больших высотах. Судя по предварительным данным, зарегистрированы две различные области с неизвестным ранее излучением. В высоких широтах, равных 55–65° в северном и южном полушариях, советские спутники установили наличие мощного потока заряженных частиц, создающего примерно в двести раз более интенсивное излучение, чем космическое. Такое излучение возникает в результате торможения этих частиц в оболочке спутника. Зона действия излучения представляет собой полое кольцо — ореол, — простирающееся на расстояние до восьми радиусов земного шара от его поверхности. Внутри этого кольца находится другая зона во много раз более мощного излучения, расположенная в экваториальной области. Эта зона обнаружена на высотах более 500-1500 километров как советскими, так и американскими спутниками.

Происхождение обнаруженного ореола излучения еще не совсем ясно. Очевидно, во внешней зоне оно создается главным образом электронами, выброшенными Солнцем, а во внутренней зоне — протонами и электронами, образующимися, как это предполагают ученые, при распаде нейтронов. Эти нейтроны образуются в земной атмосфере под действием космических лучей. Так или иначе, все указанные заряженные частицы оказываются в своеобразной «ловушке», образованной земными магнитными силовыми линиями (вспомните подобные же магнитные «ловушки», используемые советскими учеными в опытах по термоядерным реакциям, о которых говорилось выше). Вновь открытое излучение очень заинтересовало геофизиков, ибо оно может сильно сказаться на проблеме теплового баланса атмосферы и возможностях долгосрочного прогноза погоды. Не менее взволновало оно и астронавтов, так как может потребовать дополнительной экранировки будущих обитаемых спутников Земли, а может быть, и вовсе исключит некоторые наиболее опасные высоты для орбит таких спутников. Возможно, что и будущим межпланетным кораблям придется стартовать из околополярных районов, свободных от опасного ореола излучения и потому представляющих собой как бы распахнутые двери в Космос.

«Биологическая лаборатория» получила исключительно ценные данные о поведении Лайки как под действием инерционных перегрузок при взлете ракеты, так и в условиях невесомости.

Конечно, и третий спутник не является последним. За ним последуют другие, которые будут запущены как в нашей стране, так и за рубежом. Появятся более сложные спутники — с большим количеством приборов, с большим сроком жизни (вплоть до «тысячелетних»), большие по размерам. Диапазон исследований, осуществляемых с помощью спутников, будет непрерывно расширяться.

Крупнейшим шагом вперед будет создание спутников, которые смогут после выполнения своих функций совершить плавную посадку на Землю. Над созданием таких спутников уже работают ученые. Каждому понятно, в чем заключается значение этих «возвращающихся» спутников. Ведь как ни ценны сведения, которые могут сообщать спутники на Землю по радио и даже по телевидению, все же доставка приборов со спутника на Землю намного расширит возможности исследований с их помощью. Достаточно упомянуть хотя бы о пробах воздуха с огромных высот для определения его химического состава, о толстослойных фотографических пластинках, в эмульсии которых оставляют свой след космические частицы, и, конечно, о живых существах, совершивших экспериментальный полет в Космосе. Этот список можно было бы сделать очень длинным. Да и сам спутник, вернувшийся с заатмосферных высот на Землю, был бы неоценимым для науки прибором. Он «рассказал» бы о своих столкновениях с метеоритами и космической пылью, о воздействии на него всяческих излучений, о результатах бомбардировки ионами и электронами, которой он подвергался в космическом пространстве, и о многом другом.

Но, пожалуй, еще более важным является самый процесс посадки спутников, сопряженный с огромными трудностями. Наука еще далеко не до конца представляет себе пути решения этой важнейшей для судьбы астронавтики проблемы. Ведь до тех пор, пока не будет решена задача посадки космического корабля при возвращении на Землю, ни один корабль и не расстанется с Землей.

Ясно, конечно, что сначала подобную посадку должны будут осуществить ракеты без человека. Возможно, что для этого будут использованы специальные высотные ракеты, однако вероятнее всего — искусственные спутники, снабженные крыльями, двигателем и некоторым запасом топлива для перехода в планирующий спиральный полет к Земле и торможения при посадке. Может быть, понадобится и специальный тормозной парашют, подобный применяемым в настоящее время для уменьшения длины пробега скоростных самолетов при посадке, а также для спуска высотных ракет.

Первые «населенные» искусственные спутники с экипажем на борту должны быть значительно более сложными, чем автоматические «беспилотные» спутники. Человеку приходится создавать гораздо более «комфортные» условия, чем приборам и даже Лайке. Прежде всего это касается, конечно, герметической кабины, в которой будет находиться экипаж спутника и которая должна защитить его от всех вредных воздействий мирового пространства.

Впрочем, к решению задачи создания космического летательного аппарата наука и техника будут идти не только через создание автоматических ракет и спутников, способных совершить посадку на Землю. Уже сейчас созданы самолеты с жидкостными ракетными двигателями, способные совершать полеты на высотах 100–150 километров. От этих самолетов до населенных искусственных спутников не дальше, чем от спутников автоматических.

Но венцом усилий в создании искусственных спутников Земли будет постройка постоянного спутника с людьми — целой межпланетной станции.

Однако и в дальнейшем, когда вокруг Земли будут обращаться многие спутники, заселенные людьми, автоматические спутники найдут широкое применение. Такие спутники будут служить радиомаяками для штурманов самолетов и кораблей, прожекторами для освещения городов, ретранслирующими станциями радио- и телевизионных передач, космическими топливохранилищами для межпланетных кораблей.

И только время от времени работники отдела «путевого хозяйства» Службы межпланетных сообщений будут посещать их на своих быстроходных космических кораблях и осматривать все эти небесные тела, созданные человеком и поставленные им себе на службу.

Циолковский считал, что после первых успешных полетов космических ракет-спутников по орбитам вокруг Земли сначала без людей, а потом и с людьми, после выяснения многих вопросов, с которыми связано осуществление таких полетов, надо будет приступить к созданию постоянного спутника больших размеров, целого межпланетного города — острова у берегов Земли.

На этом острове должно находиться значительное население — большая группа специалистов, выполняющих многочисленные и важные обязанности. Время от времени эти специалисты будут заменяться другими, прибывающими с Большой Земли.

По мнению Циолковского, вслед за первым островом будут созданы и другие, разных размеров на разных высотах, в том числе и на очень значительных — 100, 150 тысяч километров.

Кондратюку принадлежит мысль о создании межпланетных станций, вращающихся не вокруг Земли, а вокруг Луны. Это были бы уже спутники спутника Земли — в природе подобные спутники спутников планет неизвестны. Затем такие же поселения могли бы быть созданы и вблизи других планет солнечной системы, в первую очередь около Венеры и Марса. Можно было бы создать и новые планеты, вращающиеся вокруг Солнца подобно первой советской автоматической искусственной планете, запущенной 2 января 1959 года.

Трудно переоценить роль, которую могли бы сыграть межпланетные станции в развитии науки. Обсерватория, устроенная на подобной станции, значила бы больше, чем все обсерватории мира, вместе взятые. Ведь такая обсерватория находилась бы по ту сторону многосоткилометрового слоя запыленной, мутной, несмотря на всю свою кажущуюся прозрачность, земной атмосферы, представляющей собой главное препятствие для многих и многих астрономических наблюдений. Неудивительно, что астрономы у нас на Земле упорно залезают со своими приборами на высокие горы, забираются в районы, славящиеся чистотой воздуха. И наиболее ценные результаты наблюдений получены именно такими обсерваториями.

Запыленность воздуха, которую мы не замечаем простым глазом, и непрерывное «кипение», перемешивание атмосферы становятся страшным злом, когда глаз вооружается мощным телескопом, чтобы с его помощью проникнуть далеко в глубь Вселенной. Именно эта неполная прозрачность воздуха ставит практически предел возможному увеличению, которое может быть получено с помощью астрономических инструментов. Практически используется увеличение не больше чем в 800 раз, хотя с помощью самых мощных из имеющихся телескопов можно получить увеличение и в несколько тысяч раз.[50]

Оптика позволила бы создать гораздо более совершенные астрономические инструменты, но их совершенство оказывается на Земле бесполезным — изображение становится мутным, расплывчатым, нечетким. Чем больше увеличение, тем сильнее проявляет себя недостаточная прозрачность атмосферы. Зачастую большой телескоп оказывается поэтому хуже, чем малый, а глаз астронома — лучше фотоаппарата. Это препятствие будет незнакомо астрономам межпланетной станции. И как им будут завидовать их земные коллеги!

На заатмосферной обсерватории можно будет наконец получить вполне достоверные фотоснимки Марса и других планет, до конца разгадать тайну «каналов» на Марсе, попытаться проникнуть через непроницаемую пелену облаков, окутывающих Венеру. Можно будет проверить правильность гипотезы советских астрономов о том, что Плутон — только самая крупная из небольших планет, образующих второе, внешнее, астероидное кольцо в нашей солнечной системе.[51] Можно будет рассмотреть многие новые галактики, значительно расширить пределы видимой нами части Вселенной — Метагалактики; ведь на спутнике не будет того мягкого, льющегося с ночного неба света, который является следствием собственного свечения воздуха в верхних слоях атмосферы и который мешает осуществлять длительные экспозиции при фотографировании слабых звезд. Можно будет увидеть планетные системы, подобные нашей солнечной, у звезд, находящихся на расстоянии десятков световых лет — для этого понадобится телескоп с зеркалом, всего в несколько раз большим, чем применяемые в настоящее время. Огромные возможности откроет применение электронного телескопа, который принципиально способен обеспечить гораздо большее увеличение, чем оптический (вспомните электронный микроскоп, увеличивающий в десятки и сотни тысяч раз!). К сожалению, эти чудесные потенциальные возможности электронного телескопа не могут быть использованы на Земле из-за вредного влияния атмосферы.

Вот сколько увлекательных задач поможет решить такая обсерватория!

Земная атмосфера мешает астрономическим наблюдениям не только вследствие своей недостаточной прозрачности. Атмосфера рассеивает солнечный свет, и если мы обязаны этому рассеянному, диффузному свету замечательным голубым цветом неба, то астрономам этот свет причиняет массу неприятностей. Ведь именно поэтому рабочий день астрономов — это ночь, когда свет Солнца не мешает видеть звезды и планеты. Именно поэтому так дорожат астрономы мгновениями солнечного затмения, позволяющими фотографировать и изучать солнечную корону, которую нельзя видеть в ярких лучах Солнца ни в какое другое время.

На заатмосферной обсерватории все будет иначе. Слепящий блеск Солнца будет еще более ярким на фоне бархатно-черного неба, и все же он не будет затмевать холодного света немигающих, как бы замороженных звезд, заполняющих небосвод в гораздо большем числе, чем те 3000, которые, нам удается видеть с Земли даже в самые звездные ночи. Астрономам заатмосферной обсерватории удастся увидеть и сфотографировать еще ни разу никем не виданное зрелище — солнечную корону не затененного Луной Солнца, длиннейшие языки раскаленных газов — протуберанцы, вырывающиеся не из-за черного диска Луны, а непосредственно из пылающего дневного светила, затененного лишь… кусочком картона. И эта возможность будет предоставляться не на мгновения полного солнечного затмения[52] а ежедневно на многие часы подряд. Точно так же можно будет наконец изучить как следует области неба, лежащие около Солнца. В частности, значительно облегчится наблюдение Меркурия, очень затрудненное на Земле из-за близости к Солнцу: он не отходит от пылающего солнечного диска больше чем на 18–20°.

Заатмосферная обсерватория сделает возможным применение новых, более действенных методов астрономических наблюдений. Ведь с тех времен, когда люди впервые начали изучать небо, и, по существу, до последних лет единственным источником наших сведений о небесных телах было их видимое и только отчасти инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Спектральное разложение видимого света вызвало огромный прогресс в астрономии, позволило ученым установить химический состав звезд, находящихся на трудно поддающихся представлению расстояниях от Земли. Оно дало возможность определить температуру раскаленных небесных тел, законы их движения, состояние атомов в этих телах. Фотографии, сделанные в определенных лучах спектра, позволили советскому ученому Г. А. Тихову не только установить наличие растительной жизни на Марсе, но и определить отличия марсианской флоры от земной, положив начало новой науке о растительной жизни на планетах — астроботанике, и многое, многое другое. И все же в основе всех методов наблюдения оставался, по существу, один только видимый свет.

И только совсем недавно учеными был сделан новый шаг в направлении расширения средств познания Вселенной, шаг, который сразу привел к поистине замечательным результатам, — в астрономии было применено радио. Эта мысль возникла в 1928 году у советских ученых Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси. Они предложили послать в небо мощный радиолуч, который пробил бы «электрический потолок» Земли — ионосферу. Отражение такого луча от небесных тел можно было бы зарегистрировать земными приемниками. Эта мысль была практически осуществлена в 1946 году, когда было получено радиоэхо с Луны. В 1959 году учеными США такое же эхо было получено с Венеры.

Но разработанные для подобных целей чувствительные приемные устройства принимали какие-то радиосигналы и тогда, когда их никто с Земли не посылал. Оказалось, что сигналы приходят из глубин мирового пространства, что Солнце и звезды сами излучают радиоволны. Этим было положено начало радиоастрономии, за несколько лет сделавшей замечательные открытия: были открыты невидимые источники радиоизлучения, названные радиозвездами и радиогалактиками; обнаружено, что излучает радиоволны несветящийся и потому невидимый газ — водород; установлено, что излучают радиоволны Солнце, Луна, Марс, Венера, Юпитер и т. д.

В последнее время было с несомненностью установлено, что источником особо сильного радиоизлучения являются так называемые новые и сверхновые звезды. Мощные потоки радиолучей, идущие из глубин Космоса,[53] являются в этом случае отзвуками тех таинственных процессов, которые происходят внутри звезд и заставляют вдруг некоторые из них раздуваться подобно колоссальному мыльному пузырю, отчего скромная, едва видимая, а то и вовсе невидимая звездочка начинает внезапно ослепительно сиять на ночном небосводе. Недавно было обнаружено, что мощное радиоизлучение, идущее из созвездия Лебедь, вызвано происходящим столкновением двух огромных туманностей, или звездных систем (галактик). Конечно, сама звезды, вероятнее всего, не сталкиваются — они находятся на слишком больших расстояниях друг от друга. Зато с огромной скоростью сталкивается разреженный газ, заполняющий пространство между звездами; это и служит, вероятно, источником излучаемых радиоволн.

К сожалению, на земной поверхности мы можем наблюдать далеко не все излучение мирового пространства. По существу, до нас доходят только лучи, как бы прорывающиеся через два узеньких окошка: обыкновенный видимый свет, и радиолучи с длиной волны примерно от 1 сантиметра до 20 метров. Все остальные лучи поглощаются земной атмосферой: и радиолучи с длиной волны больше 20 метров, и электромагнитное излучение с длиной волны меньше 1 сантиметра, и большая часть инфракрасного и ультрафиолетового излучения, и рентгеновское излучение с длиной волны меньше одной десятимиллионной миллиметра.

Иное дело — на заатмосферной обсерватории. Весь спектр электромагнитного излучения вещества станет в руках астрономов этой обсерватории активным орудием изучения Вселенной. Это будет могучее оружие, ибо установлено, например, что наша звездная система гораздо более «прозрачна» для некоторых радиоволн, чем для видимого излучения. И кто знает, какие новые формы существования бесконечной материи удастся открыть с помощью этого средства познания?

Не в меньшей степени это касается и корпускулярного излучения Вселенной, то есть потоков материальных частиц, которые мчатся на Землю из глубин Космоса и в своем абсолютном большинстве «погибают» в атмосфере. Только вне атмосферы на искусственном спутнике появится наконец возможность всестороннего изучения этих потоков.

И еще один вид астрономических наблюдений, совершенно невозможный на Земле, станет заурядным на заатмосферной обсерватории: появится наконец возможность изучения планеты, о которой мы знаем так много и вместе с тем так мало. Речь идет о планете, на которой мы с вами живем. Как много ценного можно было бы получить, если бы хоть одному из земных жителей удалось взглянуть на Землю со стороны, издалека.

Если бы нам удалось взглянуть на нее глазами «постороннего», то это оказало бы большую помощь земным астрономам в изучении других планет. Достаточно указать, например, на то, что астрономы знают способность отражать солнечный свет, так называемое альбедо («альбедо» по-испански — «белизна»), других планет, но не знают альбедо Земли, и это не позволяет с достаточной достоверностью судить о характере поверхности планет.[54]

С искусственного спутника Земли можно будет осуществлять и многие наблюдения, непосредственно касающиеся нашей земной жизни, изучать многие земные явления, недоступные для изучения с Земли. Ведь с наблюдательного пункта, лежащего на большом расстоянии от земной поверхности, можно охватывать глазом огромные пространства. Это открывает совершенно новые возможности в отношении геофизики, картографирования, метеорологии. Чего стоит одно наблюдение за движением грозовых фронтов или облаков одновременно на миллионах и десятках миллионов квадратных километров земной поверхности![55] Служба предсказания погоды обогатилась бы ценнейшим орудием и стала бы действовать гораздо более уверенно. А, например, наблюдения за передвижкой льдов в полярных районах и многое другое. Некоторые виды таких наблюдений уже осуществляются с помощью стратосферных ракет. Но разве можно сравнить ценность наблюдений, длящихся мгновения, с постоянными, длительными, непрерывными наблюдениями на спутнике?

Наряду с астрономами, метеорологами, картографами попасть в заатмосферную лабораторию стремились бы и другие ученые. Физико-химики получили бы для исследования свойств молекул и атомов необычайно благоприятные условия, не осуществимые пока на Земле: небывалый, практически абсолютный вакуум, большой температурный диапазон с возможностью использовать наиболее низкие температуры неограниченно долго, а не в течение лишь очень коротких промежутков времени, как это пока возможно на Земле, мощный поток электромагнитного и корпускулярного излучения. Биологи и физиологи изучали бы действие мирового пространства на различные стороны жизни. Магнитологи получили бы в свои руки новое оружие исследования магнитного поля Земли, природа которого до сих пор остается загадкой для науки, и, в частности, влияния на это поле магнитных бурь на Солнце; могли бы установить наконец, является ли земной шар вместе с атмосферой нейтральным или электрически заряженным телом. Ядерные физики «блаженствовали» бы в мощных потоках неослабленных космических лучей и т. д. Не исключено, что спутники позволили бы получить ответ на некоторые вопросы, волнующие ученых. Например, позволили бы проверить вывод теории относительности о «замедлении времени» при больших скоростях движения (время на спутнике должно идти медленнее, чем на Земле) или вывод этой же теории относительно искривления лучей света под действием силы тяготения; помогли бы прояснить природу таинственного «красного смещения» спектра галактик, на основании которого делается вывод о непрекращающемся «разбегании» галактик, то есть их удалении от Солнца, и др.

Искусственный спутник был бы неоценимой по значению солнечной лабораторией, изучающей жизнь Солнца, процессы на нем, играющие большую роль в нашей земной жизни. Для полноты таких исследований спутник должен совершать свои полеты вокруг Земли по крайней мере в течение нескольких оборотов Солнца вокруг своей оси, а ведь один оборот Солнце делает за 27 дней.[56]

Чрезвычайно ценным свойством обсерватории на спутнике была бы возможность осуществлять наблюдения непрерывно, вне зависимости от времени дня или года, вне зависимости от влияния погоды, причиняющей столько неприятностей астрономам на Земле.

Но наблюдение и изучение Вселенной не исчерпывает всех возможностей искусственного спутника. Наряду с такой пассивной ролью, весьма, конечно, важной, спутники в состоянии осуществлять и очень активное вмешательство в земные дела. Они могут принести большую практическую пользу людям. В настоящее время можно наметить только некоторые методы подобного вмешательства, но нет сомнения, что в будущем, по мере увеличения числа спутников и накопления опыта, будут найдены всё новые и новые формы использования этих искусственных филиалов Земли на небе.

По существу, уже метеорологическая служба спутников представляет собой весьма активную их роль. Не меньшее значение могут иметь такие спутники в качестве станций ретрансляции передач телевидения. В настоящее время любоваться у себя дома волшебным искусством мастеров балета Большого театра, видеть, сидя в удобном кресле у телевизора, прославленные спектакли МХАТа или спортивные состязания, идущие на московском Центральном стадионе имени В. И. Ленина, — короче говоря, использовать чудеса телевидения, этого замечательного достижения человеческого гения, могут только счастливчики, живущие на расстоянии не более чем 100 с небольшим километров от знаменитой Шаболовки — улицы в Москве, на которой находится Московский телецентр. Это объясняется тем, что телепередачи ведутся с помощью очень коротких радиоволн, длиной в несколько метров, а эти волны слабо отражаются от ионосферы. Поэтому передачи на таких волнах уверенно можно принимать только в так называемой зоне прямой видимости передающей станции, куда непосредственно проникают излучаемые ею прямые радиолучи.

Если же снабдить искусственный спутник Земли ретранслирующей станцией, принимающей передачи телецентра и передающей их вновь, то дальность передач может быть неизмеримо большей. Зона прямой видимости со спутника столь велика, что с помощью всего трех-четырех плавающих вокруг Земли по «суточной» орбите ретранслирующих станций можно было бы, например, обслужить телепередачами такие пространства, на которых проживает до 90 процентов всего населения земного шара. Эта цепь спутников могла бы быть полезной не только для телевидения, но и с успехом заменила бы все земные радио- и телеграфные станции, избавила бы радиосвязь от неизбежных на Земле помех, сэкономила бы миллионы тонн кабеля и проводов.

С помощью спутников можно улучшить использование энергии Солнца на службе человечества. Одна из таких возможностей связана с ночным освещением больших городов. Мощные зеркала, установленные на искусственном спутнике, могли бы посылать отраженные солнечные лучи на Землю в ночные часы, когда на Земле Солнце уже зашло, а высоко летящий над Землей спутник все еще купается в солнечных лучах. Несколько спутников со специально подобранными орбитами могут сделать московскую ночь светлой, как день, без затраты электрической энергии. Вечное бесплатное освещение…

Исключительно богаты возможности использования искусственных спутников в науке, технике, народном хозяйстве, как указывал еще сам автор этой идеи — Константин Эдуардович Циолковский. И только лишним доказательством разложения части буржуазных ученых, поставивших себя на службу поджигателям войны, является чудовищное извращение этих высокогуманных идей Циолковского — намерение превратить спутники в оружие массового уничтожения людей. Но победа останется за передовой наукой, строящей светлое будущее человечества, а на всех и всяческих изуверов от науки прогрессивное человечество сумеет надеть смирительные рубашки.

Весьма важное значение придавал Циолковский спутникам и в решении проблемы межпланетных сообщений. В настоящее время это значение является общепризнанным. Даже простейший межпланетный полет — на Луну, с посадкой на нее и возвратом на Землю — при современном уровне развития реактивной техники практически невозможен, об этом будет идти речь в следующих главах. Однако не только этот, но и более сложные межпланетные полеты становятся возможными уже сейчас при использовании спутников в качестве своеобразных заправочных колонок в мировом пространстве. На таких спутниках могут быть постепенно накоплены запасы топлива, которыми межпланетные корабли смогут затем пользоваться для пополнения своих опустевших баков.

Не меньшее значение спутники могут иметь в качестве пересадочных станций для межпланетных пассажиров. В межпланетных сообщениях самый выгодный полет — это полет с одной или даже несколькими пересадками. «Прямое сообщение» в этих случаях связано с очень уж большими трудностями. Впрочем, опасаться пересадок будущим межпланетным пассажирам нечего — пересадочные станции будут иметь максимум удобств, включая возможность переговоров по радиовидеотелефону с товарищами на Земле. Расписание межпланетных поездов будет согласовано так, что ждать на станции долго не придется, только-только бы успеть пообедать, и никаких опозданий четкая работа службы межпланетных сообщений, конечно, не допустит.

Жить и работать на искусственном спутнике будет интересно и увлекательно и вместе с тем, вероятно, не многим труднее, чем на какой-нибудь дальней зимовке у нас на Земле. «Малая Земля» не только защитит своих жителей от опасного соседства мирового пространства — встреч с метеоритами, вредного излучения, жестокого холода, — но и создаст им максимальный комфорт. Внутри такого спутника благодаря автоматическим установкам кондиционирования воздуха будет всегда свежий воздух и тепло — в этом отношении люди уже накопили достаточно большой опыт. Очищенный от вредных продуктов дыхания, воздух будет обогащаться кислородом, увлажняться и даже насыщаться легкими, приятными ароматами, так что в жилых помещениях спутника будет создаваться то бодрящая атмосфера весеннего утра, то напоенное далекими запахами цветов дыхание теплого осеннего вечера.

Но не одни только баллоны с жидким кислородом будут поставщиками этого «эликсира жизни» на спутнике. Циолковский не только выдвинул идею, но и произвел расчеты оранжерей, растения которых способны поглощать выделяемую обитателями спутника углекислоту и вырабатывать с помощью хлорофилловых зерен зеленых листьев живительный кислород.[57] Чудесное содружество растительного и животного мира, перенесенное с Земли на спутник, не только обеспечит его обитателей свежим воздухом, снабдит их овощами и фруктами, но и украсит спутник вечно цветущим садом, заполнит вазы в жилых помещениях пассажиров цветами.

Отсутствие воздуха вне спутника не помешает пассажирам совершать, при желании, небольшие экскурсии в мировое пространство. Для этого они должны будут надеть специальные межпланетные костюмы, внешне похожие на водолазные скафандры, но гораздо более сложно устроенные.[58]

Ткань этих костюмов должна быть достаточно прочной, чтобы выдержать удары хотя бы крохотных небесных камней и внутреннее давление в костюме, которое будет создаваться установкой кондиционирования воздуха. Ткань костюма должна защищать также от вредного действия различных излучений, пронизывающих мировое пространство. Возможно, что целесообразно будет изготовить межпланетные скафандры из металла с гибкими «гармошками» во всех сочленениях.

Через люк-тамбур, служащий своеобразным шлюзом, пассажиры спутника выберутся наружу, превратившись в самостоятельных спутников Земли. Только там, вне стенок спутника, могут быть осуществлены многие ценные научные наблюдения. Да и вообще такая возможность погулять вне спутника окажется ценной во многих случаях, когда нужно произвести ремонт снаружи, установить новое оборудование на внешней поверхности спутника, при ведении строительных работ во время его сооружения и т. д. Поэтому громоздкий костюм астронавтов должен обеспечивать подвижность рук, ног и даже пальцев.

Каждый экскурсант будет снабжен разнообразным оборудованием, необходимым для пребывания вне спутника в течение нескольких часов. Прежде всего, конечно, на спине у него будет укреплена небольшая портативная установка для создания внутри скафандра атмосферы, необходимой для жизни человека. Состав воздуха внутри скафандра, давление и температура должны быть привычными для человека. Кислород, необходимый для дыхания, может содержаться в небольших баллонах или, что предпочтительнее, поставляться специальной химической «фабрикой кислорода». Подобные установки так называемого «галетного» типа уже находят применение, в частности, в высокогорных экспедициях альпинистов — с их помощью, между прочим, была покорена высочайшая вершина мира — Эверест, или Джомолунгма. В оборудование каждого «пловца» в мировом пространстве войдут и различные электротехнические установки — крохотная приемо-передающая радиотелефонная станция, фара наружного освещения, которая может оказаться полезной для осмотра не освещенной Солнцем поверхности спутника, а также сухая батарея для их питания. Каждый «пловец» будет, вероятно, снабжен и специальным, возможно пневматическим, пистолетом, конечно, не для охоты на космических зайцев, а для передвижения вдали от спутника с использованием отдачи при выстреле из пистолета — иначе случайный толчок может сделать это путешествие вне спутника если и не вечным, то уж очень длительным. Кстати сказать, пользоваться этим пистолетом надо будет умеючи — сила его реактивной отдачи должна проходить точно через центр тяжести тела стрелка, так как иначе он начнет после выстрела неминуемо вращаться в пространстве. Это будет очень неприятно: выйти из такого вращения будет нелегко, может быть, даже невозможно без посторонней помощи. Поэтому, надо полагать, все экскурсанты, дерзнувшие покинуть спутник, должны будут привязываться к нему тонким тросом. Так вернее!

Но не слишком ли много мы нагрузили на наших экскурсантов, не тяжеловато ли будет им «плавать» в мировом пространстве в таком снаряжении? Нет, конечно, ибо все, что находится на спутнике, в том числе и летящие рядом с ним экскурсанты, ничего не весит. Однако эта невесомость, удобная в данном случае, представляет собой, пожалуй, наиболее неприятную особенность жизни на спутнике.

Что же это значит: «ничего не весит»? Разве пассажиры спутника и все предметы на нем перестают притягиваться Землей? Нет, конечно, они притягиваются по-прежнему, и только на высотах, во много раз больших, сила притяжения становится существенно меньшей. Здесь дело совсем в другом.

В чем проявляется на Земле наш вес? В том, что опора, на которой мы находимся — пол, стул, почва и т. д., — мешает нам падать к центру Земли, в котором мы обязательно очутились бы под действием силы тяготения, если бы у нас не было опоры. Сила давления, которое мы оказываем на опору, и есть наш вес. Если угодно, эту силу можно измерить: для этого достаточно подложить под опору мощную пружину. Под действием нашего веса пружина сожмется, и если мы знаем, какая сила нужна для такого сжатия, то тем самым узнаем и наш вес.

Уберем опору из-под наших ног — и мы сейчас же начнем падать к центру Земли. Мы будем падать все быстрее и быстрее; скорость нашего падения будет стремительно расти — каждую секунду она будет увеличиваться почти на 10 метров в секунду, если не учитывать сопротивления воздуха. Это и есть ускорение свободного падения.

Что же произойдет с пружиной, если мы вместе с опорой действительно окажемся в состоянии свободного падения, то есть будем свободно, без каких бы то ни было помех, падать к центру Земли? Очевидно, что пружина не будет более сжата, так как опора уже не препятствует нам падать.

Можно представить себе и другие случаи падения, когда пружина будет все-таки сжата, но слабее, чем вначале, — например, такой случай, когда пружина сжата наполовину слабее и мы, значит, весим вдвое меньше обычного. Очевидно, для этого мы должны падать к центру Земли, но не с ускорением свободного падения, а с вдвое меньшим ускорением — наша скорость должна увеличиваться каждую секунду только на 5 метров в секунду.

А может ли пружина сжаться сильнее, чем вначале, можем ли мы весить больше, чем обычно? Очевидно, да, только для этого мы должны вместе с опорой «падать вверх», должны удаляться от центра Земли со все растущей скоростью. Так будет, например, при взлете межпланетного корабля (вспомните пушку Жюля Верна).

Выходит, что по сжатию пружины мы можем судить о величине и направлении ускорения нашего движения, а это часто бывает необходимо, и не только в астронавтике. На этом принципе устроен очень важный прибор — акселерометр, измеритель ускорений. Без этого прибора не тронется в путь ни один межпланетный корабль. В акселерометре массивное кольцо скользит по гладкому штифту, опираясь на пружину. С кольцом связана стрелка, указывающая степень сжатия пружины и, следовательно, величину ускорения движения акселерометра.

Вот наш акселерометр установлен на ракете. Сначала ракета стоит неподвижно на Земле — стрелка показывает на единицу. Это значит, что на пружину акселерометра действует только обычный вес кольца. Теперь ракета взлетает — пружина сжата, и стрелка показывает уже не 1, а, допустим, 4. Это значит, что ускорение взлетающей ракеты в 4 раза больше ускорения свободного падения, вес кольца в 4 раза превышает обычный.[59] Но вот двигатель ракеты остановился, и она сейчас же начала свободно падать на Землю (конечно, при этом вначале она будет продолжать двигаться вверх за счет накопленной скорости, затем на мгновение остановится и потом начнет движение вниз, к Земле) — стрелка акселерометра показывает на нуль; теперь пружина уже вовсе не сжата, кольцо ничего не весит.

То же самое происходит и на спутнике, ибо и он со всем содержимым свободно падает на Землю — все, как говорил Циолковский, увлекается на спутнике одним потоком. На таком спутнике все невесомо. Эго делает жизнь на нем не только очень необычной, но, надо признаться, и малоприятной. Вероятно (как об этом будет сказано ниже, в главе 21, специально посвященной этому важнейшему для всей проблемы межпланетных сообщений вопросу), человек не сможет находиться долгое время в условиях невесомости, и потому придется принимать меры для создания искусственной тяжести на спутнике.

Из-за отсутствия веса на спутнике исчезнет представление о том, где верх и где низ, столь привычное для жителей Земли.

Для того чтобы все-таки ходить на ногах, а не на голове, может быть, придется снабжать подошвы ботинок сильными магнитными подковками. Впрочем, понятие «ходить» в этих условиях тоже наполняется необычным смыслом. Мы можем передвигаться по Земле благодаря наличию трения между подошвами и почвой, но это трение возникает только потому, что нас прижимает к почве наш вес. Если нет веса, то нет и трения, и обычное хождение будет невозможным. Вероятно, стены кают и коридоров на спутнике придется снабдить множеством ручек и петель, чтобы люди могли передвигаться с их помощью. Эти стены, а также пол и потолок (впрочем, это разделение становится в данном случае весьма условным) придется покрыть толстым слоем мягкой обивки, иначе неосторожные движения обитателей спутника, которые способны унести их в самом неожиданном направлении, могут закончиться для них ссадинами и ушибами.

У нас на Земле сила тяжести осуществляет непрерывное тепловое перемешивание атмосферы. Если не предусмотреть на спутнике хитроумной вентиляции всех помещений, то люди будут задыхаться в продуктах своего собственного дыхания, мучиться от жары, «закутанные» в неподвижный слой нагретого их телом воздуха, а спичка или папироса погаснут из-за отсутствия кислорода. Это и наблюдалось в опытах, поставленных для изучения сгорания в условиях невесомости. Для этих опытов использовалась специальная стеклянная камера, внутри которой происходило сгорание капли топлива. Когда камера была неподвижной, то пламя горящей капли было обычным, но если капля горела в свободно падающей камере (эту камеру просто сбрасывали с некоторой высоты), то пламя свертывалось в шар и вскоре гасло. Чтобы раскрыть причины этого, с помощью специальных приборов фотографировали обычно невидимый воздух у горящей капли, и все сразу стало ясным. Когда камера была неподвижна, то образующиеся у самой капли продукты сгорания быстро поднимались кверху, так как они легче окружающего более холодного воздуха. Иное дело — в свободно падающей камере. Здесь веса нет, и потому продукты сгорания продолжают оставаться у горящей капли, укутывая ее шаровой газовой подушкой, не позволяющей свежему воздуху подойти к капле. Понятно, что сгорание капли вследствие этого прекращалось.

Попить на «невесомом» спутнике можно, лишь всасывая жидкость через специальные трубки или же пользуясь пластмассовыми тюбиками, вроде употребляемых для зубной пасты, из которых жидкость можно выдавливать прямо в рот. Ведь из опрокинутого графина вода не выльется в подставленный стакан, а если ее все-таки вытряхнуть туда, то она не заполнит его, как мы к этому привыкли на Земле, а расползется слоем по его стенкам или же соберется под действием поверхностного натяжения в шар. Неосторожное движение — и различных размеров шарики воды, супа или какао начнут передвигаться внутри кабины по всевозможным направлениям. Такие летающие шарики воды можно было видеть, когда демонстрировался фильм, снятый на самолете во время исследования невесомости. Впрочем, в другом аналогичном фильме «летал» в кабине уже сам летчик, точнее — пассажир самолета.

Вот почему организация питания Лайки на втором советском искусственном спутнике была совсем не простым делом. Нужно было в строго определенное время, в соответствии с предварительной тренировкой, выдвигать перед собакой специальные сосуды с пищей (впрочем, путем тренировки можно приучить собаку пользоваться постоянными сосудами).

Но, надо думать, на спутнике будет создана искусственная «тяжесть» и его обитателям не придется испытывать «экзотических» переживаний. Во всяком случае, авторы довольно многочисленных уже проектов спутников стремятся преодолеть невесомость на них, создать искусственное ощущение тяжести. Для этого предлагается единственно возможное средство — вращение.

В главе 3 уже шла речь об инерционных перегрузках, возникающих, когда скорость движения резко изменяет свою величину или направление. Эти перегрузки могут во много раз увеличить наш вес, когда происходит взлет космического корабля, но они же могут и восстановить вес, когда он исчезнет на спутнике. Для этого надо заставить спутник вращаться так, чтобы возникающее при вращении ускорение было равно ускорению земного притяжения. Впрочем, это ускорение может быть и меньшим, тогда вес на искусственной планете будет меньше земного и равен, допустим, весу на Марсе или Луне. Идея создания искусственной тяжести в виде силы инерции, возникающей при вращении, принадлежит также Циолковскому.

Конечно, аналогия искусственной тяжести, возникающей при вращении спутника, с настоящей тяжестью будет неполной. Пока пассажиры будут находиться в покое, никакого различия между искусственной и настоящей тяжестью они установить не смогут, но стоит им начать двигаться или вступить во взаимодействие с движущимися предметами, как сразу же возникнут необъяснимые на первый взгляд явления.

Представьте себе, что вы лежите на койке в каюте спутника, на котором создана искусственная тяжесть вращением спутника вокруг оси. Примерно в метре от вас на стене висит барометр. Вдруг он срывается со стены — обломился крючок. Вы сохраняете спокойствие — барометр упадет на почтительном расстоянии, вам ничто не грозит. Но увы, так было бы на Земле, где предметы имеют обыкновение падать по вертикали, отвесно. За незнание особенностей жизни на спутнике с искусственно созданной тяжестью вы сейчас же наказываетесь — падающий барометр описывает какую-то чудодейственную кривую и… обрушивается на вашу голову. Потирая ушиб, вы изучаете таинственный барометр, пытаясь выяснить причину столь необъяснимого поведения. Конечно, опыт должен быть повторен, иначе разгадку не найти.

Результаты первого невольного опыта еще так впечатляюще живы в вашей памяти, что на этот раз вы избираете более невинный объект для исследований — мячик для настольного тенниса. Вы решаете бросить его вверх — интересно, что случится с мячиком, полетит ли он действительно к потолку или тоже начнет куролесить по каюте. Ну так и есть, опять загадка! Мячик долетает до потолка, но стукается об него совсем не там, где это случилось бы в обычных условиях на Земле, а в стороне на метр с лишним, описывая в воздухе кривую. Но что это? Отскочив от потолка, мячик летит совсем не по прежней кривой, он вычерчивает в воздухе какую-то замкнутую фигуру и… шлепается прямо вам в руки. Что за чудеса?

Подумав, вы начинаете понимать, в чем дело. Вы вспоминаете, как гигантский маятник, подвешенный под куполом Исаакиевского собора в Ленинграде, на ваших глазах начинал отклоняться от вертикали, уходя от нанесенной на полу черты все дальше на восток. Ведь этот маятник Фуко, как его называют, служит одним из доказательств вращения Земли — не то же ли самое происходит и на спутнике, вращающемся вокруг оси? Все эти непонятные явления на спутнике связаны с действием силы инерции, всегда появляющейся при движении во вращающейся системе и носящей название силы Кориолиса, по имени открывшего ее итальянского ученого. Эта же сила вызывает такие грозные и важные для всей жизни на Земле явления, как циклоны и антициклоны, она отклоняет течение рек и т. д.

Вам все стало бы сразу ясно, если бы вы наблюдали за всеми событиями на спутнике, находясь не внутри, а вне его. При таком взгляде со стороны вы увидели бы, как барометр, сорвавшийся со стены, стал двигаться вовсе не вертикально вниз, как это было бы в условиях нормального тяготения, а полетел бы в сторону. Понятно, почему это так: падающий барометр движется со скоростью, которую имел поддерживавший его крючок. С интересом глядя на дальнейшие события, развертывающиеся в каюте спутника, вы видели бы, как каюта вращается вместе со всем спутником, и так как пол каюты находится на большем расстоянии от оси вращения, чем крючок, на котором висел барометр, то он движется с большей скоростью, чем этот крючок. Именно поэтому барометр упал не по вертикали, а отклонился в сторону, противоположную направлению вращения спутника (как пол Исаакиевского собора отстал от маятника). Ну, то, что он угодил как раз в вашу голову, не более чем невезение! Конечно, со временем обитатели спутника могли бы привыкнуть к особенностям искусственной «тяжести». Правда, для этого требуется одно необходимое условие — угловая скорость вращения должна быть достаточно мала, чтобы не вызывать раздражения вестибулярного аппарата пассажиров спутника.

Нужно сказать, что вращение спутника связано со многими неудобствами — его конструктивным усложнением, затруднениями в отношении ведения научных наблюдений, в особенности астрономических, и другими. Только доказанная на опыте необходимость в создании искусственной «тяжести» для того, чтобы человеческий организм мог нормально функционировать в течение длительного времени (об этой проблеме см. главу 21), заставит пойти на введение такого вращения.

Как же будут выглядеть искусственные спутники Земли, населенные людьми, — «эфирные жилища», как называл их Циолковский? В настоящее время уже разработано много проектов таких спутников и все время появляются новые проекты. Одни из них более обоснованны, другие — менее, одни рассчитаны на ближайшее будущее, другие — на более отдаленное.

По-разному представляют себе различные ученые, инженеры и изобретатели внешний вид и устройство межпланетной станции. Циолковский предлагал станцию в виде цилиндра с полусферами на концах — этот конструктивный элемент повторяется в различных вариациях во многих предложениях. По Кондратюку, станция должна представлять собой конструкцию из четырех частей, соединенных фермами. Предлагались станции в виде шара, колеса, сигары, различных сложных геометрических тел.

Одной из наиболее напрашивающихся форм спутника является шар: он потребует наименьшего расхода конструкционных материалов и представит ряд других удобств. Шар диаметром 20 метров должен делать 5-10 оборотов в минуту вокруг своей оси, чтобы вес на нем (у «экватора») равнялся земному или был вдвое меньше его.

Популярна идея создания спутника в виде огромного колеса, «бублика», или тора, как называют тело такой формы в геометрии. Это колесо может иметь сравнительно большой диаметр, 60–70 метров, и поэтому вращаться относительно своей оси с небольшой скоростью, например всего в 2–3 раза быстрее секундной стрелки. Для обитателей такого колеса его внешний обод был бы полом, а внутренний — потолком.

Имеются предложения построить спутник в виде гигантских гантелей. Две большие пассажирские кабины (или только одна из них пассажирская) соединены в этом случае трубой и вращаются вокруг общего центра массы. Иногда соединительная труба между пассажирскими кабинами заменяется просто тросами, как это предложил еще Циолковский.

По одному из последних предложений, спутник должен быть построен в виде центрального шара, в котором будет сосредоточена большая часть всей массы спутника, и отходящих от этого шара в стороны симметрично расположенных пассажирских кабин, двух или нескольких. При такой конструкции, как предполагается, перемещения пассажиров внутри спутника не вызовут значительного нарушения его равновесия.

Один американский инженер разработал в общих чертах проект искусственного спутника, представляющего собой целый город в Космосе с населением в… 20 тысяч человек! По этому проекту спутник должен состоять в основном из цилиндрической части длиной 900 метров, в которой будут находиться рабочие помещения, и связанного с этой частью жилого диска диаметром 450 метров и толщиной 10 метров. Диск будет вращаться для создания искусственной «тяжести». Общий объем всех сооружений такой межпланетной станции должен составлять примерно 85 миллионов кубометров. Наряду с научными лабораториями, магазинами, театрами и спортивными залами спутник должен располагать, по существу, целым заводом для сооружения космических кораблей.

Идея отделения жилой части спутника от его рабочих помещений с целью создания искусственной «тяжести» только в жилых помещениях находит отражение в ряде проектов. Переход из вращающейся в невращающуюся часть, и наоборот, осуществляется в этих случаях с помощью специальной камеры, или шлюза, расположенного у центра вращающейся части, где относительная скорость вращающихся частей минимальна.

Конечно, подобные межпланетные станции должны весить сотни и тысячи тонн. Вряд ли можно рассчитывать на то, что такую станцию можно построить на Земле и забросить с помощью ракеты на орбиту, находящуюся на высоте сотен или тысяч километров. Подобный поезд весил бы при взлете сотни тысяч, если не миллионы тонн. Очевидно, межпланетную станцию нужно будет построить на Земле, испытать ее, а затем снова разобрать на части и отправить ракетами на орбиту, где и будет осуществлена сборка станции.

Такое «строительство» в мировом пространстве будет представлять собой гигантскую по размаху и необычную по трудностям задачу. Создание этого небывалого в истории строительной техники «сооружения без фундамента» будет вестись, вероятно, много месяцев, а может быть, и не один год.

Сотни грузовых ракет будут доставлять к месту заатмосферной стройки все необходимое оборудование и части станции. Для этого придется создать специальные ракеты, способные переносить на орбиту увеличенный полезный груз. Так как возврат с орбиты на Землю представляет большие трудности, то он будет, вероятно, осуществляться только для ракет, перевозящих людей. Что касается грузовых ракет, то чрезвычайно целесообразным является их использование в качестве конструктивных элементов будущей станции. Подобное использование и предусматривается большинством проектов создания межпланетных станций.

Переброску грузов на орбиту как при строительстве межпланетной станции, так и при подготовке космического корабля в его далекий рейс можно будет осуществлять с помощью трех- и четырехступенчатых ракет. По одному из проектов, взлетный вес четырехступенчатой ракеты с полезным грузом 3,5 тонны должен равняться 870 тоннам (это соответствует отношению взлетного веса к полезной нагрузке 250, что под силу нашей ракетной технике). Этот огромный поезд имеет высоту 35 метров и расходует на полет к орбите более 700 тонн топлива. Последняя, четвертая, ступень поезда может быть снабжена крыльями, если на ней находятся люди и предусматривается, следовательно, ее посадка на Землю.

По другому, еще более внушительному проекту, трехступенчатая грузовая ракета с полезным грузом примерно 35 тонн должна весить при взлете с Земли около 7000 тонн! Высота этой ракеты около 80 метров, расход топлива равен 6100 тоннам. Последняя ступень и этой ракеты может иметь крылья для посадки на Землю.

Строители станции будут жить в небольших орбитальных кораблях — последних ступенях грузовых ракет. Все эти корабли будут составлять вместе своеобразный жилой поселок, мчащийся в мировом пространстве в непосредственной близости от стройки. На работу строители «Заатмосферстроя» будут выходить в своей космической спецодежде — описанных выше межпланетных костюмах, снабженные необходимым инструментом. Вероятно, будет целесообразно снабдить монтажников специальной обувью с электромагнитными подошвами, чтобы они могли стоять на поверхности будущего спутника.

Не следует преуменьшать трудностей создания такого искусственного спутника. Если запуск автоматических спутников Земли уже осуществлен Советским Союзом и США, а запуск небольших искусственных спутников с людьми будет осуществлен, несомненно, в недалеком будущем, то этого никак нельзя сказать о создании больших межпланетных станций. Строительство подобных станций в мировом пространстве связано не только с огромными техническими трудностями, но и с трудностями принципиального, астрономического характера. С этими трудностями очень непросто справиться, и строителям острова у берегов Земли придется проявить немало изобретательности и искусства.

Монтаж массивных конструкций спутника в мировом пространстве будет во многом облегчен отсутствием веса — не понадобятся ни подъемные краны, ни блоки, ни строительные леса. Однако надо все время помнить о том, что отсутствие тяжести не делает части спутника менее массивными. Забывшему о законе инерции монтажнику может не поздоровиться, если он по невнимательности окажется зажатым между двумя столкнувшимися массивными частями спутника!

Отсутствие веса не только упростит сборку спутника, но и позволит во многих случаях облегчить его конструкцию (можно применять полые детали уменьшенного сечения и т. д.). Вместе с тем это позволит, например, применять астрономические приборы гораздо больших размеров, чем на Земле. Некоторые телескопы на Земле весят больше 100 тонн, так как они должны быть массивными для увеличения их жесткости, для уменьшения деформаций под действием собственного веса. На спутнике может быть собрано из частей, доставленных с Земли, а затем посеребрено и отполировано зеркало гораздо больших размеров, чем на Земле; телескоп с таким зеркалом может весить гораздо меньше, чем даже небольшие телескопы на Земле.

При сооружении спутника будут использованы не только многие технологические приемы, уже применяющиеся с успехом в обычном «земном» строительстве, но и такие производственные методы, которые возможны лишь в условиях мирового пространства.

Так, для осуществления сварки, которая, несомненно, будет широко использована в конструкции спутника, с успехом могут быть применены высокопроизводительные сварочные автоматы, созданные советскими учеными. Эти автоматы намного облегчат труд строителей «Заатмосферстроя».

Но они смогут использовать и такие сварочные аппараты, которые совсем неизвестны земным строителям и монтажникам. Это будут гелиосварочные аппараты, аппараты солнечной сварки. Ведь сфокусированные этими аппаратами солнечные лучи, не ослабленные земной атмосферой, могут нагреть свариваемые детали почти до температуры Солнца, равной примерно 6000°, — выше, чем при любом другом виде сварки. Даже самые тугоплавкие материалы будут стремительно плавиться и испаряться при такой температуре. Так это и происходит в экспериментальных гелиоустановках, например в установке для сварки металлов, созданной в Академии наук СССР.

Но сварка, являющаяся наиболее прогрессивным методом монтажа строительных конструкций у нас на Земле, при сооружении спутника в Космосе будет, вероятно, все же оттеснена на второй план. Можно думать, что ее победит… клей. Конечно, это будет не обычный канцелярский гуммиарабик, а те замечательные склеивающие вещества, которые могут намертво соединять между собой самые различные материалы — сталь и стекло, пластмассу и алюминий, дерево и резину. Многие из этих чудоклеев уже созданы учеными и инженерами и широко используются в технике, но еще больше возможности их совершенствования. Немало может дать в этом отношении и удачное использование необычных условий Космоса, в котором будет происходить стройка. Ведь часто для прочного схватывания шва, требующего на Земле иной раз весьма сложных ухищрений, достаточно будет переместить склеиваемые детали из тени под палящие лучи Солнца или же, наоборот, спрятать их в тень. Такое перемещение может изменить температуру деталей на сотни градусов! Особенно важной эта технология может оказаться для сборки пластмассовых деталей, а их, возможно, будет большинство на межпланетной станции.

Одной из наиболее серьезных проблем будет снабжение спутника энергией, необходимой для работы многочисленных исследовательских установок и удовлетворения бытовых нужд его обитателей. Очевидно, обычные теплосиловые установки, используемые на Земле, для этого не годятся, ибо они нуждаются для своей работы в воздухе.

Двигатели, которые будут использоваться на спутнике, например для привода во вращение электрического генератора, питающего многочисленные электродвигатели, должны работать на топливе, сгорающем без воздуха, то есть таком же, на котором работают и двигатели космических ракет. Вполне возможно применение газотурбинных двигателей, работающих на продуктах сгорания подобных топлив. Однако и такие двигатели полностью проблемы, конечно, не решают; ведь топливо, необходимое для их непрерывной работы, достается уж очень дорогой ценой — оно должно доставляться с Земли.

Конечно, наиболее разумным решением было бы создание на спутнике силовой установки, не нуждающейся ни в каком топливе.

Существует несколько способов решения этой задачи. Можно использовать, например, атомную установку, так как она расходует ничтожно малое количество топлива.

На небольших автоматических спутниках можно применить существующие уже в настоящее время атомные батарейки, использующие так называемый вольтэлектронный эффект, благодаря которому атомная энергия непосредственно преобразуется в электрическую. Основой такой батарейки служит какое-нибудь искусственное радиоактивное вещество, излучающее электроны, например получаемый в атомных котлах радиоизотоп стронция. Для этого тонкий слой стронция наносится на поверхность полупроводника — например германия или кремния, который служит усилителем. Проходя через пластинку такого полупроводника, каждый электрон, вылетевший из стронция, вызывает целый «ливень» из сотен тысяч электронов, находящихся в полупроводнике. В результате возникает электрический ток, правда, очень слабый: элемент размерами около 1 куб. сантиметра дает ток силой в 5 тысячных ампера при напряжении 0,2 вольта. Этот слабый ток может быть значительно усилен, если несколько подобных «атомных элементов» собрать в одну батарейку, как это и сделано в уже созданных устройствах для питания радиоприборов и других целей. Так как стронциевая атомная батарейка может работать непрерывно в течение десятков лет и имеет очень небольшие размеры и вес, то понятно, почему она представляет большой интерес для использования на автоматических спутниках. Конечно, на больших населенных спутниках должны быть применены мощные атомные установки другого типа. Уже сейчас созданы атомные установки огромной мощности, имеющие весьма небольшие размеры; они будут очень подходящими для использования на спутниках.

Весьма вероятным является к непосредственное использование солнечной энергии, которой так богато околосолнечное пространство. Этому способствует и то, что ночь на спутнике очень коротка. Ведь ночь на спутнике наступает тогда, когда спутник оказывается в тени, отбрасываемой Землей, для него ночь — это полное солнечное затмение.

Заманчиво было бы создать на спутнике силовую установку, в которой энергия, излучаемая Солнцем, прямо переходила бы в электрическую энергию. Наука знает, как это можно сделать, и даже не одним способом.

Так, например, можно воспользоваться для этой цели фотоэлементом, в котором световая энергия Солнца преобразуется непосредственно в электрическую. Уже созданы такие батареи с коэффициентом полезного действия 12 % и даже более. Как известно, на третьем советском спутнике, а также на одном из небольших американских спутников («Авангард») были установлены кремниевые полупроводниковые солнечные фотоэлементные батареи, надежно питавшие радиоаппаратуру спутников электроэнергией в течение многих месяцев их полета. Успешные результаты применения этих солнечных батарей имеют большое значение и для будущих обитаемых спутников и межпланетных кораблей.[60]

Можно воспользоваться также термоэлементом, в котором в электрическую переходит тепловая энергия. Известно, что если спай проволок двух разных специально подобранных металлов — например, железа и сплава константан, или платины и родия, или некоторых других металлов — подогревать, а другой спай этих же проволок сохранять при меньшей температуре, то в электрической цепи, составленной из таких проволок, потечет ток. Сила этого тока зависит от того, какая пара металлов применена и какова разница температур обоих спаев: горячего и холодного. Это свойство широко используется в настоящее время для измерения температур в машинах, печах, лабораторных установках (для этой цели создаются так называемые термопары).

Использование этого принципа для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую очень заманчиво, потому что при этом во многих случаях сделались бы ненужными громоздкие и сложные тепловые двигатели. Но пока еще такой метод получения электричества на Земле применяется редко, так как он оказывается менее выгодным: удается использовать лишь небольшую часть тепла.

Другое дело в будущем, когда удастся полнее преобразовывать с помощью термоэлементов тепло в электричество.

Если один спай полупроводникового термоэлемента обогревать солнечными лучами, сконцентрированными отражающим зеркалом (оно может быть изготовлено из жести), а другой поместить в тень, то можно получить мощность порядка 100 ватт с 1 кв. метра поверхности зеркала или с 3 килограммов общего веса генератора. Примерно такую же мощность способен дать и фотоэлементный полупроводниковый электрогенератор.

Наиболее вероятным для больших межпланетных станций, а также для автоматических спутников большого размера будет использование солнечных теплосиловых установок, подобных тем, которые все шире начинают применяться и на Земле, в частности в южных районах нашей страны. В такой установке солнечные лучи собираются зеркалом и направляются на паровой котел, установленный в фокусе этого зеркала. Жидкость, текущая в трубках котла, например вода или ртуть, испаряется и направляется в паровую турбину, которая приводит в движение электрический генератор.

В конденсаторе отработанный пар снова превращается в жидкость, благодаря чему рабочая жидкость не расходуется, а все время циркулирует в замкнутом контуре. Расчеты показывают, что подобная установка в настоящее время будет более эффективной, чем любая другая, возможная на спутнике. Мощность установки может быть самой различной: от 1–2 киловатт для небольших автоматических спутников до тысяч киловатт для огромных межпланетных станций. К моменту сооружения первой такой мощной солнечной силовой установки для спутника уже будет накоплен большой опыт эксплуатации мощной солнечной энергостанции, сооружаемой у нас в стране, недалеко от столицы Армении — Еревана. Эта первая в мире солнечная электростанция промышленного значения будет иметь мощность 1200 киловатт. В центре огромного круга диаметром почти в километр будет сооружена башня высотой 40 метров с вращающимся паровым котлом. Большие зеркала (1293 штуки), расположенные на 23 кольцевых рельсовых путях, будут концентрировать солнечные лучи на этом котле, заставляя кипеть находящуюся в нем воду. Пар под давлением 30 атмосфер будет вращать турбину электростанции.

Солнечную силовую установку можно смонтировать непосредственно на спутнике, например в центре колеса, о котором шла речь выше. Однако в этом случае возникают некоторые трудности, связанные с вращением спутника: ведь зеркало должно «смотреть» все время на Солнце. На строящейся под Ереваном солнечной электростанции специальные автоматы будут всегда держать зеркала направленными к Солнцу, а другие автоматы, связанные с тележками поездов, на которых будут установлены зеркала, обеспечат такую установку плоской стенки котла, чтобы на нее всегда падали лучи, отраженные зеркалами.

Конечно, подобное устройство можно предусмотреть и на спутнике. Но как быть, если окажется необходимым вращение спутника для создания на нем искусственной тяжести? Можно думать, что в этом случае многие подсобные «предприятия» межпланетной станции будут размещены не на самом спутнике, а неподалеку от него. Тогда спутник со всем своим «населением» может вращаться сколько ему угодно — он будет лишь центром целого межпланетного поселка, небольшого архипелага островов.

Таким образом, спутник будет мчаться вокруг Земли в мировом пространстве, окруженный вспомогательными службами. Перечень этих служб может быть довольно большим. Здесь и энергостанция всего поселка — солнечная или атомная. И большое топливохранилище для межпланетных кораблей. И обсерватория. И громадное зеркало-прожектор, предназначенное для освещения Земли. И радиостанции для ретрансляции радио- и телепередач, для связи с Землей, межпланетными кораблями, планетами, а также для радиоастрономических и радиолокационных наблюдений. Эти подсобные сооружения могут быть либо неподвижными, либо вращаться по своим собственным законам — например, следя за Солнцем, звездами и т. д.

Обитатели спутника будут посещать эти службы либо с помощью небольших кораблей — своеобразных космических «побед» и «москвичей», либо «пешком», в соответствующих костюмах. Службы могут быть соединены между собой и со спутником электрокабелями для передачи энергии и другой связью. Широкие возможности открываются в этом случае для передачи энергии без проводов, так как в мировом пространстве передаваемая энергия не будет теряться и рассеиваться. Еще Циолковский предлагал использовать для этой цели потоки катодных лучей, то есть электронов. Успехи радиолокации могут позволить осуществление передачи высокочастотной электромагнитной энергии, генерируемой с помощью радиоламп, практически без потерь, причем передаваемая энергия может быть весьма значительной, вплоть до сотен и тысяч киловатт. Невидимые лучистые потоки передаваемой таким образом энергии могут быть использованы также для питания реактивных двигателей служебных кораблей и даже небольших двигателей, которыми может быть снабжен всякий «пловец» в мировом пространстве.

Не исключена возможность, что и межпланетные корабли смогут получать таким образом необходимую им энергию от плывущих по установленным орбитам мощных автоматических солнечных энергостанций; правда, расстояния должны быть для этого сравнительно небольшими.

Движущиеся по орбите межпланетные станции диаметром в несколько десятков метров можно будет видеть невооруженным глазом даже если они будут находиться на суточной орбите, то есть на высоте более 35 тысяч километров. В бинокль можно будет видеть и «свиту» главного спутника: мчащийся в небе межпланетный поселок, всю эту крупнейшую лабораторию ученых и станцию отправления межпланетных кораблей.

А какое красивое зрелище откроется земным жителям в праздничные дни, когда их далекие собратья на многочисленных искусственных светилах зажгут торжественные огни расцвечивания всего своего «флота мирового пространства»! Переливающиеся различными красками, сияющие то вспыхивающими, то вновь угасающими огнями разноцветных прожекторов, искусственные звезды будут во всех направлениях с различной скоростью пересекать вечернее небо. Будет казаться, что само загадочное мировое пространство, вся Вселенная салютует людям, победившим Космос.

У Земли только один спутник, и, хочешь не хочешь, следующей после Луны целью межпланетного полета должна быть какая-либо планета, одна из остальных восьми планет солнечной системы.

Казалось бы, две планеты — соседки Земли в околосолнечном пространстве — могут претендовать на эту почетную роль: Венера и Марс. Однако существуют и другие цели, даже гораздо более просто достижимые, и не только потому, что они находятся на меньших расстояниях от Земли, чем обе эти планеты. Это некоторые малые планеты солнечной системы, так называемые астероиды, или планетоиды.

Полтора века назад, в первый день прошлого столетия, была открыта первая и наибольшая из таких малых планет — Церера, а сейчас их уже известно более полутора тысяч, и все время открываются новые.[75]

По предположению ряда ученых, астероиды — это осколки планеты, когда-то обращавшейся вокруг Солнца по орбите, расположенной между орбитами Марса и Юпитера, и по каким-то причинам разрушившейся.[76] Так или иначе, эти малые планеты обращаются вокруг Солнца, как и их большие сестры, но только по орбитам, обычно представляющим собой гораздо более вытянутые эллипсы. Некоторые астероиды в своем афелии, то есть в точке орбиты, наиболее удаленной от Солнца, приближаются к орбите Юпитера и даже Сатурна, тогда как в перигелии, то есть точке, ближе всего отстоящей от Солнца, они заходят внутрь орбиты Земли, орбиты Венеры и даже орбиты Меркурия. Астероиды, орбиты которых приближаются к орбите Земли, и могут представить интерес в качестве очередной цели межпланетных полетов.[77]

Семья этих так называемых «касающихся Земли» астероидов не так уж мала. Наиболее известным из них является Эрос, который уже сослужил хорошую службу науке тем, что с его помощью астрономам удалось наиболее точно определить расстояние от Земли до Солнца. Эрос был открыт в 1898 году. Он имеет, очевидно, не шаровидную, а неправильную форму, напоминающую огурец: его длина равна примерно 22 километрам, а ширина — 6 километрам. Этот «огурец», вращающийся вокруг своей оси, может быть виден в телескоп средней величины. Наименьшее расстояние Эроса от Земли в 2,5 раза короче, чем наименьшее расстояние от Земли до Марса: оно равно примерно 22,5 миллиона километров. Во время последнего приближения Эроса к Земле, в январе 1931 года, расстояние до него составляло 26 миллионов километров; следующее приближение состоится в 1975 году.

В 1911 году был открыт астероид Альберт, имеющий диаметр около 4 километров и приближающийся к Земле на 28 миллионов километров.

Два интересных астероида были открыты в 1932 году. Амур, имеющий в диаметре не более 3 километров, прошел тогда на расстоянии 15 миллионов километров от Земли. Второй раз его видели в 1940 году. «Погоня» за такими крошечными небесными телами ставит перед астрономами очень сложные задачи. Их путь трудно точно рассчитать из-за различных возмущений, которым он подвергается вследствие малой массы астероида, и уже открытые астероиды часто «пропадают», так что их приходится «открывать» вновь. Другой из этих астероидов, Аполлон, прошел на еще меньшем расстоянии от Земли, равном всего 11 с небольшим миллионам километров; второй раз увидеть этот астероид пока не удалось. Диаметр Аполлона около 2 километров.[78]

В 1936 году был открыт еще один астероид, Адонис, по размерам даже меньше Аполлона: его диаметр равен 1 километру. Адонис прошел на расстоянии всего 1,5 миллиона километров от Земли.

Но рекорд в этом отношении побил астероид Гермес, диаметр которого немногим больше 1,5 километра, а масса равна 3 миллиардам тонн — песчинка по космическим масштабам. Гермес прошел в 1937 году на расстоянии 780 тысяч километров от Земли, то есть всего вдвое дальше Луны. По расчетам, при противостоянии он может приблизиться к Земле даже на расстояние 500 тысяч километров.

В июне 1949 года был открыт весьма интересный астероид Икар. Он получил это название не случайно. Как и мифический сын Дедала, этот астероид слишком близко «подлетает» к Солнцу. Орбита Икара очень вытянута, она имеет кометный характер. В своем перигелии Икар приближается к Солнцу на расстояние менее 30 миллионов километров, то есть заходит внутрь орбиты ближайшей к Солнцу планеты — Меркурия. Предполагают, что в это время Икар так разогревается солнечными лучами, что сам начинает светиться.

Один из последних «касающихся Земли» астероидов был открыт в 1950 году; он прошел от Земли на расстоянии около 9 миллионов километров. Нет сомнений, что в будущем будут открыты и новые астероиды, приближающиеся к Земле.[79] Астрономы ведь рассчитывают обнаружить еще многие тысячи астероидов,[80] и, конечно, среди них найдутся и «касающиеся Земли».

Полеты к некоторым «ближним» астероидам требуют наименьшего расхода топлива по сравнению с полетами к любым другим небесным телам, даже если эти астероиды в десятки раз дальше от Земли, чем Луна. Так сказывается отсутствие сколько-нибудь значительного поля тяготения у этих крошечных планет. Надо только избрать такие астероиды, у которых собственная скорость не была бы слишком большой.

Из двух соседних с Землей планет — Венеры и Марса — легче достижим, как мы увидим ниже, Марс, хотя расстояние до него и больше, чем до Венеры. Это объясняется тем, что Венера имеет значительно большую массу; наименьшее расстояние от Земли до Венеры 40 миллионов километров, а до Марса — 56 миллионов километров. Можно не сомневаться, что в будущем будут совершены полеты на обе эти планеты, однако, конечно, после полета на Луну, а может быть, и на некоторые астероиды. Это будут уже полеты второй очереди; о них мы подробнее расскажем в следующей главе.

Значительно большие трудности будут связаны с полетами к целям третьей очереди. К этой группе можно отнести ближайшую к Солнцу планету солнечной системы — Меркурий, среднее расстояние которой от Солнца равно всего 58 миллионам километров, то есть почти втрое меньше, чем расстояние от Земли до Солнца, а также внешние планеты: Юпитер, с расстоянием от Солнца 778 миллионов километров (в 5,2 раза дальше Земли); Сатурн, отстоящий примерно в 9,5 раза дальше от Солнца, чем Земля (1426 миллионов километров); Уран, почти в 20 раз более далекий от Солнца, чем Земля (2869 миллионов километров), и две последние планеты солнечной системы — Нептун и Плутон, отстоящие от Солнца в 30 и 40 раз дальше Земли (4496 и 5897 миллионов километров).

Непосредственной целью межпланетного полета могут быть, и наверняка будут, спутники планет — по крайней мере, некоторые из них. Всего таких спутников, не считая Луны, в солнечной системе 30, из них львиная доля — 12 — принадлежит Юпитеру. Немного уступает ему Сатурн с его 9 спутниками;[81] у Урана — 5 спутников, у Марса — 2 и у Нептуна — 2.

Полеты следующей — уже, значит, четвертой — очереди, именно полеты к небесным телам, лежащим вне солнечной системы, — к другим звездным мирам, представляют неизмеримо большие трудности. Достаточно вспомнить, что ближайшая к Солнцу звезда — она так и называется «Ближайшей»[82] и относится к созвездию Центавра — находится от нас на расстоянии 4,27 светового года, то есть на таком расстоянии, которое пробегает луч света за 4,27 года. Вряд ли имеет смысл называть величину этого расстояния в километрах, особенно если учесть, что луч света пробегает в секунду примерно 300 тысяч километров. Это число равно 4 с тринадцатью нулями! Так как солнечный луч достигает нашего глаза за 8 минут, то Ближайшая находится от нас примерно в 280 тысяч раз дальше, чем Солнце. Наиболее же отдаленные от нас звездные миры, сфотографированные с помощью самых мощных телескопов, находятся еще в миллионы раз дальше.[83]

Да, судя по всему, совершить полет к звездам удастся не так скоро… А как это было бы интересно и важно для науки! Можно было бы посетить такие районы Вселенной, где происходят таинственные процессы рождения звезд, то есть перенестись в эпоху младенчества нашего Солнца. Можно побывать и там, где возникают новые планетные системы, как это было с нашей солнечной системой несколько миллиардов лет назад. А может быть, даже удалось бы забраться в такие области мирового пространства, где существуют гипотетические, то есть предполагаемые «антивселенные», миры, состоящие из античастиц, подобных недавно найденным антипротону и антинейтрону…

Бесконечно медленно, с точки зрения продолжительности человеческой жизни, происходит развитие Вселенной, развитие солнечной системы, Земли. И как неизмеримо обогатилась бы наука после межзвездной экскурсии, во время которой перед глазами людей раскрывались бы всё новые тайны природы, стремительно развертывались бы один за другим различные этапы развития Вселенной.

При полете к звездам можно было бы посетить и такие далекие от нас миры, где уже давным-давно существует жизнь, где живут мыслящие существа.

Наука считает, что в среднем по крайней мере одна из каждой тысячи звезд обладает спутниками — планетами, подобными Земле. Так как только в той островной Вселенной, Галактике, к которой принадлежит Солнце, насчитывается примерно 150 миллиардов звезд, то, значит, в нашей Галактике имеется примерно 150 миллионов «солнечных систем».

Мы не можем пока видеть даже в самые мощные телескопы этих планет «чужих» солнц, но наука уже перешла в этом отношении от предположений к прямым доказательствам. Так, астроном Пулковской обсерватории А. Н. Дейч по некоторым неправильностям в движении звезды 61 в созвездии Лебедь точно установил наличие у нее темного спутника, аналогичного планетам солнечной системы. Подобным же образом открыты спутники и у других ближайших к Солнцу звезд, в частности и у Проксимы Центавра. Развитие науки подтверждает правильность гениального предвидения Джордано Бруно о существовании бесконечного числа систем, похожих на солнечную, — предвидения, за которое он более 350 лет назад был сожжен на костре воинствующими католическими изуверами. А ведь и сейчас в капиталистическом мире находятся люди — впрочем, их только с трудом можно назвать людьми, — которые восхваляют инквизиторов, пославших в 1600 году Бруно на костер…

Конечно, далеко не всюду существуют условия, необходимые для возникновения жизни. Надо признать, что условия эти весьма жесткие: узкий температурный диапазон — около 100° из миллионов возможных, наличие атмосферы, влаги и т. д. Тем не менее несомненно существует бесчисленное множество планет с богатой биосферой, то есть населенных живыми существами.[84] Эти живые существа могут иметь самые различные формы, вовсе не обязательно схожие с земными, но принципиально жизнь в бесконечной Вселенной не должна отличаться от нашей.

Энгельс писал, что «жизнь — это способ существования белковых тел», и, следовательно, живые организмы на далеких мирах состоят из протоплазмы, напоминающей нашу земную и имеющей в своей основе белки, построенные из одних и тех же химических элементов: углерода, водорода, кислорода, азота и других. На тех небесных телах, где могут образоваться и существовать белковые соединения, имеется и жизнь. А это значит, что на многих далеких мирах могут обитать и разумные, мыслящие существа, ибо, по Энгельсу, «материя приходит к развитию мыслящих существ в силу самой своей природы, а поэтому это с необходимостью и происходит во всех тех случаях, когда имеются налицо соответствующие условия (не обязательно всегда одни и те же)».

Посещение этих далеких миров пока остается только мечтой. Даже отвлекаясь от технических трудностей, непреодолимых при современном уровне развития астронавтики и связанных с колоссальными количествами энергии, которые должны быть затрачены для совершения такого путешествия, его продолжительность и при очень больших скоростях полета во много раз превысила бы длительность человеческой жизни.

Однако даже и здесь дальнейшее развитие науки может приоткрыть некоторые возможности. Речь идет в данном случае не о продлении жизни человека, за которое борется наука, ибо нужное в этом случае «продление» выходит за рамки возможностей науки. Несколько неожиданные перспективы в этом направлении открывает увеличение скорости корабля до скорости света в вакууме — максимально возможной в природе скорости, то есть примерно 300 тысяч километров в секунду. Принципиально такие скорости, конечно, могут быть достигнуты — была бы необходимая энергия.

Казалось бы, что даже такая огромная скорость не в состоянии решить задачу межзвездного полета, так как расстояния в подобных путешествиях составляют многие десятки, тысячи, миллионы световых лет. Но, по развитой новейшей физикой теории быстрых движений (обычно эту теорию называют частной или специальной теорией относительности), время, это четвертое измерение, меняет темп своего бега, когда скорость движения становится очень близкой к скорости света. На корабле, мчащемся с подобной скоростью, часы будут тянуться очень медленно. Так, например, если корабль мчится со скоростью всего на 1 процент меньше скорости света к звезде 61 Лебедя, у которой, как говорилось выше, советские астрономы обнаружили планетарного спутника, то для обитателей Земли с момента вылета корабля до момента его возвращения пройдет около 22 лет (корабль считается летящим все время с одной и той же скоростью), так как эта звезда находится на расстоянии примерно 11 световых лет от Земли. Путешественники же, находящиеся на корабле, отметят, что они находились «в командировке» всего 3 года.

Такое замедление времени при движении с околосветовой скоростью — уже не только предположение. Современная наука знает экспериментальные факты, которые могут быть объяснены только с помощью этой теории быстрых движений.

Если скорость корабля будет еще гораздо ближе к скорости света, то такой корабль может за короткое время совершать экскурсии даже в отдаленные от Солнца уголки Вселенной. Так, например, до ближайшей к нашей Галактике спиральной туманности, находящейся в созвездии Андромеды и отстоящей от нас на расстоянии более миллиона световых лет, этот корабль долетит всего за несколько «растянутых» часов.

Правда, даже при такой скорости межзвездных кораблей продолжительность полета будет гораздо больше указанной, так как постепенный, медленный разгон корабля, а потом такое же торможение потребуют большого времени. Можно полагать, что разгон и торможение корабля будут происходить с ускорением, близким к ускорению земного тяготения, как наиболее «комфортным» для длительного полета. И все же эти околосветовые скорости открывают необычайные возможности межзвездного полета.

Так, если представить себе такой полет, при котором первую половину пути корабль летит с постоянно возрастающей скоростью при ускорении, равном ускорению земного тяготения, а затем вторую половину пути с таким же ускорением тормозится, то за срок в половину своей жизни, то есть за 30–40 лет, межзвездные путешественники смогут добраться и совершить благополучную посадку на небесном теле, удаленном от нас на расстояние в миллиард световых лет! Это значит, что за время путешествия и на Земле пройдет миллиард лет… Так наука открывает принципиальную возможность «управления» временем (правда, в одном, все том же направлении) и сокращения колоссальных расстояний.

Но для этого требуется «немногое» — полет с околосветовой скоростью. А это связано с поистине неимоверными трудностями, столь большими, что открывшиеся возможности межзвездного полета оказываются, при ближайшем рассмотрении, призрачными, воспользоваться ими практически, вероятно, не удастся.

И не потому, что наука не знает двигателя, способного разогнать корабль до нужной невиданной скорости. Такой двигатель, единственный в своем роде, известен — это фотонная ракета (подробнее о ней рассказано в главе 18). Фотонный двигатель создает реактивную тягу в результате истечения из него не вещества, а квантов энергии, фотонов. Правда, для создания фотонного двигателя потребуется совершить решающий скачок вперед в искусстве использовать сокровенные запасы энергии атомных ядер. Понадобится решение и других задач феноменальной сложности, к которым пока еще даже неизвестно как и подойти. Но фотонная ракета будет создана, это дело лишь времени.

Однако и после этого главная трудность осуществления подобных межзвездных полетов будет все еще впереди — она заключается в поистине невероятных количествах энергии, которые для этого потребуются. Так, для осуществления упомянутого выше полета с непрерывным разгоном, а затем таким же непрерывным торможением в течение примерно 40 лет понадобится превратить в энергию вытекающих фотонов в фотонном двигателе корабля, даже если его вес ничтожно мал и равен всего 10 тоннам, вещество общим весом… 10 миллиардов тонн! Этой энергии хватило бы для расплавления всей оболочки земного шара на глубину в сотни километров.

Какое разочарование!.. Открывшиеся на миг ворота к звездам безжалостно захлопнулись. По-прежнему путь к мыслящим существам на других планетах кажется достижимым ценой жизни многих поколений звездоплавателей, которые не увидят ничего, кроме тесных стен корабля. Ну что ж, если этот путь единственный, то и он, конечно, будет использован.

Но единственный ли все же это путь? Разве не казалось так во многих других случаях, когда человеческий гений находил решение неразрешимых на первый взгляд задач? Не считалось ли совсем еще недавно, что цепи земного тяготения нерасторжимы?

Почему, в частности, все запасы «фотонного» топлива должны находиться на самом межзвездном корабле? Ведь как ни «пусто» межзвездное пространство, в нем плавают отдельные частицы вещества.[85] Разве не может «питаться» ими прожорливая фотонная ракета? При колоссальной, околосветовой скорости движения корабля он будет встречать каждое мгновение не так уже мало этих частиц. Огромный, площадью в сотни квадратных метров, заборник фотонного двигателя будет заглатывать все встречные частицы вещества, а затем этот своеобразный фотонно-прямоточный двигатель «переварит» их в фотоны для излучения с целью создания движущей силы. Однако даже в такой гигантский заборник двигателя за каждую секунду движения корабля попало бы всего несколько миллиграммов межзвездного вещества (так оно разрежено), если бы не все те же эффекты теории относительности — в действительности это количество будет неизмеримо большим. А ведь существуют в мировом пространстве и колоссальные газопылевые туманности и могучие реки космического излучения, где плотность материи значительно выше.

Правда, встреча, точнее — столкновение, корабля с частицами вещества при такой скорости опаснее самого вредного радиоактивного излучения, защита от него потребует экранов толщиной в десятки сантиметров. Что же говорить о столкновении с метеорным телом, в результате которого корабль попросту мгновенно испарится?

На пути осуществления межзвездного полета встанут и другие, еще, может быть, даже неизвестные трудности, однако мы ни на минуту не сомневаемся, что люди сумеют протянуть руку своим сотоварищам из далеких миров…

Но возвратимся к более реальным перспективам астронавтики — тем задачам, которые ей предстоит решать в течение ближайших десятилетий, — к полету на планеты нашей солнечной системы.

При полетах на планеты, в отличие от полета на Луну, межпланетный корабль должен передвигаться на значительные расстояния в поле солнечного тяготения, так как он при этом сильно удаляется от Солнца или приближается к нему. В этом случае притяжением к Солнцу уже нельзя пренебрегать. На преодоление солнечного тяготения приходится затрачивать значительную энергию, и это может сильно усложнить полет на планеты по сравнению с полетом на Луну. Но главная трудность такого полета — его большая продолжительность, если речь идет о полете с людьми. Только постепенно, осторожно — по мере изучения всех особенностей полета в мировом пространстве и, пожалуй, главным образом его влияния на человека — подобные полеты смогут становиться все более дальними, и межпланетные корабли будут забираться все дальше в глубь околосолнечного пространства.

Наложение полей тяготения Земли и планеты, к которой совершается полет, практически отсутствует, и с ним можно не считаться. Эти поля не простираются на такие большие расстояния. Можно считать, что притяжение к Земле исчезает на расстояниях от нее, превышающих 800 тысяч — 1 миллион километров, так оно там мало. Гиря, которая весит на Земле 1 килограмм, весила бы на таком расстоянии от Земли около 0,05 грамма, то есть примерно в 20 тысяч раз меньше.

Полет на какую-нибудь планету состоит поэтому как бы из трех различных участков: а) сравнительно небольшого участка полета в поле тяготения Земли; б) обычно тоже небольшого участка полета в поле тяготения планеты и в) разделяющего их, основного по протяженности, участка, где сказывается только сила притяжения к Солнцу.

Точное определение количества топлива, необходимого для совершения какого-либо межпланетного полета, то есть определение соответствующего значения идеальной скорости, в настоящее время весьма затруднительно — общего решения еще не найдено, и ответ можно получить, лишь производя многочисленные, сложные расчеты на математических машинах. Поэтому приходится ограничиваться приближенными подсчетами величины идеальной скорости. Однако они дают сравнительно точные результаты, по крайней мере, для того, чтобы выяснить вопрос о возможности или невозможности того или иного полета при современном уровне развития реактивной техники.

Если рассматривается полет пассажирского межпланетного корабля от Земли к какой-либо планете с посадкой на нее, а затем обратно, то, очевидно, при определении идеальной скорости нужно учесть затраты энергии на следующие основные цели:

1. Преодоление поля земного тяготения. Соответствующая этому идеальная скорость равна скорости отрыва от Земли.

2. Сообщение кораблю некоторой скорости вне поля земного тяготения. Это необходимо как для того, чтобы стал возможен полет к цели, так и для сокращения длительности полета. При малой скорости полета в поле солнечного тяготения на основном участке пути полет будет длиться чрезвычайно долго в связи с огромными расстояниями, которые при этом должны быть пройдены.

3. Преодоление поля тяготения планеты дважды — при торможении корабля на посадке, если планета не обладает атмосферой, которая могла бы быть использована для этой цели, и при обратном взлете.

4. Выравнивание скорости корабля со скоростью планеты, а при возвращении — со скоростью Земли, так как в общем случае эти скорости при встрече будут различными.

Кроме того, должны быть учтены затраты энергии, связанные с преодолением сопротивления атмосферы, потерями скорости корабля при наборе высоты или посадке с работающим двигателем, маневрированием, ошибками в пилотировании и другие.

Вся эта необходимая энергия должна быть запасена на корабле при взлете, если не рассчитывать на использование в полете каких-либо внешних источников энергии, например энергии Солнца, или на заправку в полете с промежуточных баз, искусственных или естественных.

Запас энергии на корабле при его взлете состоит не только из энергии топлива, находящегося в баках корабля. Корабль обладает весьма значительной кинетической энергией, поскольку он вместе с Землей мчится вокруг Солнца по ее орбите, обладая скоростью примерно 29,8 километра в секунду. Кроме того, он обладает и относительно небольшой кинетической энергией в результате вращения вокруг земной оси. При правильно выбранном направлении полета корабля эта кинетическая энергия может быть использована, и, конечно, она должна быть использована.

Как показывают приближенные расчеты, минимальное значение идеальной скорости для одностороннего полета на Марс с посадкой на нем должно равняться примерно 25 километрам в секунду, то есть столько же, как и для полета на Луну с возвратом на Землю. Для аналогичного полета на Венеру понадобилась бы большая скорость, примерно 30 километров в секунду, в связи со значительно большей массой Венеры. Сокращение продолжительности полета потребовало бы дополнительного увеличения идеальной скорости. Очевидно, совершить даже эти простейшие межпланетные полеты при современном уровне развития реактивной техники не удастся.

Гораздо проще задача осуществления полета к этим планетам без посадки на них, только с облетом вокруг планеты на небольшом расстоянии, с целью фотографирования ее поверхности и выполнения различных наблюдений. Полет вокруг Венеры потребовал бы чуть ли не вдвое меньшей идеальной скорости, то есть мог бы быть осуществлен с таким же примерно количеством топлива, как и полет на Луну с посадкой на ней.

Примерно такого же расхода топлива потребовали бы полеты к этим планетам с посадкой на их спутники. К сожалению, Венера лишена спутников, посадка же на спутники Марса будет, почти несомненно, предшествовать посадке на самую планету.

Однако даже такие простейшие полеты к Марсу и Венере в настоящее время практически невозможны, в особенности если речь идет о полете с людьми. Чтобы эти полеты стали осуществимыми, скорость истечения газов из двигателя ракеты должна увеличиться в 2 раза по сравнению с современными ее значениями, то есть до 5–6 километров в секунду. С помощью химических топлив эта задача не может быть решена.

Проблема решается при использовании искусственных заправочных станций — спутников Земли. С их помощью полет на Марс даже с посадкой на нем и возвратом на Землю можно было бы попытаться осуществить уже сейчас. Однако даже искусственные спутники не смогут решить задачу полета к внешним планетам солнечной системы, начиная с Юпитера, до тех пор пока не будут созданы новые топлива. Это связано, в основном, с огромной продолжительностью таких полетов. Чтобы уменьшить ее, нужно сильно увеличивать скорость полета межпланетного корабля, а это требует, в свою очередь, многократного увеличения необходимого запаса топлива.

Продолжительность полета к планетам зависит главным образом от избранной скорости, а также от маршрута. Полет к Марсу и Венере будет длиться, вероятно, несколько месяцев, а к Юпитеру и более отдаленным планетам — годы.

В будущем, когда будут налажены регулярные пассажирские межпланетные сообщения между различными пунктами «обжитой» солнечной системы, наиболее широко будут применяться полеты с пересадкой, выгодные с точки зрения расхода топлива. Например, меньше топлива понадобится для того, чтобы земной пассажир добрался до Марса, если он вместо прямого экспресса пересядет на межпланетной станции на корабль Венера — Марс.

Мы можем пока лишь мечтать о том времени, когда перед астронавтами, совершившими посадку на спутники Марса, Юпитера или Сатурна, откроются захватывающие картины этих планет в такой соблазнительной близости.

Первым, конечно, будет изучен загадочный и волнующий мир Марса с его крохотных спутников — Фобоса и Деймоса.[86] На небе ближайшего к Марсу спутника — Фобоса — Марс будет висеть огромным диском, в 90 раз больше лунного. Даже со второго спутника — Деймоса, находящегося на расстоянии 23 500 километров от Марса, он будет виден во всех деталях.

Фобос, который находится в 41 раз ближе к Марсу, чем Луна к Земле (9380 километров), и диаметр которого равен 16 километрам, уж очень похож на специальный наблюдательный пункт над поверхностью Марса, вроде искусственных спутников Земли, о которых шла речь выше. Один оборот вокруг Марса Фобос совершает за 7 часов 39 минут — месяц на Марсе, если его отсчитывать по Фобосу, приблизительно в 3⅓ раза короче марсианских суток.[87]

Приближаться к гиганту Юпитеру будет опасно из-за риска навсегда попасть в тенета его тяготения. Осмотр Юпитера будет производиться с его спутников, находящихся на почтительном расстоянии от планеты. Подходящим для этого будет, вероятно, открытый еще Галилеем второй спутник Юпитера — Европа, находящийся на расстоянии 670 тысяч километров от Юпитера. Судя по тому, что поверхность Европы гораздо лучше отражает солнечные лучи, чем сам Юпитер, можно думать, что этот спутник покрыт замерзшими газами и льдом.

Особенно красивыми будут виды Сатурна с его спутников. Но даже с близкого расстояния кольца Сатурна будут по-прежнему едва заметной черточкой, перечеркивающей диск планеты, — так мала их толщина.[88]

Впрочем, с самого Сатурна кольца были бы, вероятно, еще более красивыми. Во всяком случае, небо Сатурна, украшенное постоянно висящей над экватором широкой радугой колец, охватывающей небосвод от горизонта до горизонта, и прозрачной креповой дымкой, касающейся поверхности планеты, было бы очень непривычным для земного жителя.

Но, если верить даже энтузиастам астронавтики, до того момента, как межпланетным путешественникам удастся наблюдать все эти чудесные и необыкновенные картины со спутников планет, не говоря уже о самих планетах, пройдет еще немало десятилетий. Нелегко расстаться человеку с Землей, в особенности если он намеревается сделать эту разлуку не вечной.

И все же первые межпланетные путешественники смогут любоваться этими заветными картинами совсем не в таком далеком времени. Правда, для этого им придется совершить весь далекий космический полет, сидя в кресле… у себя дома. На помощь людям придут автоматические разведчики космических пространств.

Было время, когда некоторые ученые считали ненужным полет таких автоматических разведчиков Космоса и предпочитали рассчитывать сразу на полет корабля с астронавтами. Со временем число подобных ученых становилось все меньше, но даже по самым оптимистическим прогнозам первый полет автоматической ракеты, способной вырваться из оков земного тяготения, планировался не ранее, чем через 5 — 10 лет.

Однако замечательные достижения ракетной техники, радиоэлектроники, телемеханики, физики, химии и ряда других наук и, главное, успешный запуск первых советских искусственных спутников Земли привели к тому, что действительность намного опередила все прогнозы. Если 1957 год был ознаменован первой победой на пути освоения Космоса, первым успехом использования автоматов на службе астронавтики, то в самом начале 1959 года, менее чем через год с четвертью после запуска первого спутника, была достигнута новая замечательная победа.

2 января 1959 года в небо взвилась советская космическая ракета, взявшая курс по направлению к Луне, летя по заранее рассчитанному маршруту. С этого мгновения все человечество неотрывно следило за первым космическим полетом, совершавшимся на наших глазах. В 3 часа 57 минут 3 января, в точном соответствии с опубликованными планами, когда ракета была уже на расстоянии 113 тысяч километров от Земли, находившаяся на ее борту специальная аппаратура осуществила выброс облака натриевого пара. Это облако засветилось под действием ультрафиолетового излучения Солнца и превратилось таким образом в первую в мире искусственную комету, сиявшую на небе в середине треугольника, образованного звездами Арктуром, Спикой и альфой Весов. Эта комета, наблюдавшаяся и сфотографированная многими обсерваториями мира, позволила уточнить местоположение ракеты, ставшей к тому времени невидимой с Земли.

Через 34 часа полета космическая ракета промчалась в непосредственной близости от Луны, на расстоянии 5–6 тысяч километров от ее поверхности, пролетев за это время 370 тысяч километров, отделявших тогда Луну от Земли. Вслед за тем ракета продолжала свой полет в глубины Космоса и, навсегда расставшись с Землей, вышла на предначертанную ей орбиту нового спутника Солнца, превратившись в первую в истории человечества искусственную планету. Пройдут тысячи и миллионы лет, а новая планета, созданная гением человека, будет все еще нести по своей орбите вымпел с гербом Советского Союза и датой своего рождения.

Новая планета заняла равноправное положение среди других планет солнечной системы. 7–8 января 1959 года она вышла на свою эллиптическую орбиту вокруг Солнца и 14 января прошла через перигелий — точку наименьшего расстояния от Солнца, равного примерно 146,4 миллиона километров. В начале сентября 1959 года она впервые пройдет афелий — точку наибольшего расстояния от Солнца, равного примерно 197,2 миллиона километров. Таким образом, большая ось эллиптической орбиты новой планеты равняется примерно 343,6 миллиона километров, а период ее обращения составляет около 15 месяцев.

В течение 62 часов с момента запуска космической ракеты установленные на ней многочисленные приборы (общий вес приборов на ракете составляет 361,3 килограмма, а общий вес последней ступени ракеты, на которой были установлены приборы, — 1472 килограмма, не включая веса топлива) передавали на Землю с помощью трех радиопередатчиков научную информацию неоценимого значения. Наука получила сведения о магнитном поле Земли и Луны, о космических лучах на большом расстоянии от земного шара, о радиоактивности Луны, о межпланетной среде и многом другом. Эти сведения, когда они будут расшифрованы, помогут ученым не только лучше узнать Луну, полнее изучить свойства межпланетного пространства, но и выяснить некоторые загадки планеты, на которой мы живем. В частности, полет космической ракеты сможет, вероятно, пролить больший свет на загадочную до сих пор природу магнитного поля Земли.

Эта замечательная победа советской науки и техники не оставляет теперь сомнений в том, что вслед за первой ракетой в космический полет отправятся и другие.[89] Автоматические ракеты будут посланы со временем на Марс, Венеру, Меркурий и на другие планеты солнечной системы. На некоторых из этих автоматических разведчиков Космоса будет установлена и телевизионная аппаратура, и вот тогда-то межпланетные путешественники, сидя дома у телевизоров, смогут совершить весь космический полет, как бы находясь на борту корабля. По радио на Землю будут передаваться не только показания многочисленных приборов, установленных на корабле, не только виды, открывающиеся с борта корабля. Постепенно можно будет усложнять задачи, поставленные перед автоматическими разведчиками, вплоть до передачи результатов химического анализа воды из океана или сейсмографических исследований на Марсе!

И только после этого по проторенной автоматами дороге двинутся в Космос корабли с людьми.

Люди испытывают чувство законной гордости, когда думают о последнем покоренном ими океане — воздушном. Этот пятый океан, у берегов которого находится каждый человек, где бы он ни жил, столетиями оставался недосягаемой мечтой. Его завоевание стало возможным только благодаря крупнейшим успехам многих отраслей науки и техники.

И все же насколько эта победа кажется незначительной по сравнению с той задачей, перед которой поставлено теперь человечество всем ходом развития науки и техники, — задачей покорения последнего из непобежденных океанов — океана мирового пространства! В этой задаче все необычно, все невиданно, все требует крутой ломки старых представлений, все основано на сочетании стремительной фантазии с трезвейшим расчетом.

Грандиозна по характеру, новизне, сложности и проблема космонавигации, то есть проблема вождения кораблей Вселенной по невидимым трассам мирового пространства. Как рассчитать полет; как избрать маршрут, чтобы он не требовал лишнего расхода топлива и вместе с тем не был чрезмерно длительным; как найти далекую цель в мировом пространстве; как определить свое положение в нем на расстояниях в миллионы километров от любого возможного ориентира, — без решения этих и многих других вопросов космонавигации нельзя организовать даже самого простого космического полета. И каждый из этих вопросов представляет собой задачу, подобных которой еще не приходилось решать науке.

Необычайность задач космонавигации связана прежде всего с тем, что это навигация трех измерений. Любые путешествия по Земле, какими бы длительными они ни были, это все-таки путешествия по поверхности, а не в пространстве. Робкие попытки использовать третье измерение, которые делаются капитанами подводных лодок и командирами воздушных кораблей, не меняют дела. Немного ниже поверхности воды или немного выше поверхности земли — все равно это передвижение вдоль поверхности, если не по ней самой. В астронавтике же все три измерения равноправны — путь должен быть проложен не на поверхности, а в пространстве.

Правда, и здесь все же некоторую неполноценность одного из измерений можно отметить, по крайней мере, если речь идет о полетах внутри солнечной системы. Как известно, почти все планеты солнечной системы (некоторым исключением является самая внешняя планета — Плутон) и их спутники вращаются вокруг Солнца по орбитам, лежащим практически в одной плоскости, так называемой плоскости эклиптики.[90] Но это значит, что и полет межпланетных кораблей должен, в основном, происходить в этой же плоскости. Так плоскость эклиптики в какой-то мере заменяет поверхность Земли в решении задач космонавигации.

Конечно, при расчетах космических трасс надо будет учитывать отклонения плоскостей, в которых находятся орбиты планет, от эклиптики. Так, для Марса, плоскость орбиты которого наклонена под углом 1,9° к эклиптике, максимальное отклонение планеты от эклиптики равно 8 миллионам километров. Обидно будет настолько промахнуться!

Но космонавигация — это не только навигация в безграничном пространстве, это навигация в таком пространстве, в котором действуют мощные поля тяготения. Сила, с которой действуют эти поля на межпланетный корабль, меняется не только от одной точки пространства к другой, но она меняется и в данной точке мирового пространства со временем. Под действием этих меняющихся по весьма сложным законам сил изменяется траектория полета межпланетного корабля. В общем случае наука еще не в состоянии пока решить задачу предвычисления этой траектории, ее можно установить только с некоторым приближением. Приходится стремиться лишь к тому, чтобы ошибки расчета были не слишком большими, но легко видеть, как это не просто. Ведь ничтожная ошибка, например в вычислении направления, при огромных расстояниях, проходимых межпланетным кораблем, может увести его на многие миллионы километров от заданной цели.

Задача чрезвычайно усложняется еще и тем, что цели-то в космонавигации ведут себя гораздо хуже земных целей, накрепко привязанных к земной поверхности. Вряд ли штурманов морских или воздушных кораблей привела бы в восторг перспектива искать пункт назначения, перемещающийся по сложным законам по поверхности Земли. Законы же движения небесных тел невероятно сложны: чем меньше тело, например, тем сложнее эти законы, так как тем большее число различных возмущений движения оно претерпевает. Достаточно сказать, что точная формула, по которой астрономы предвычисляют движение Луны на небосводе, занимает примерно 200 страниц. Это и неудивительно: ведь такая формула должна учесть 150 больших и около 500 малых возмущений различного характера. Чтобы предвычислить траекторию Луны вперед на несколько десятилетий, специалисты-математики, окруженные целым штатом вычислителей, должны работать годами. Даже счетной машине, этому «искусственному мозгу», который человек поставил себе на службу для выполнения различных сложных расчетов, требуются для этого месяцы, а ведь такая машина за минуту может выполнить месячный труд математика.

Вообще говоря, выстрелив с Земли, можно попасть в любую наперед заданную точку мирового пространства. Но попробуйте попадите! Такая стрельба ставит перед стрелком поистине фантастические трудности. Мчится с головокружительной, все время меняющейся скоростью по сложнейшим путям мишень, мчится в пространстве и сам стрелок, пулю уносят в сторону бесчисленные воздействия… Тут уж, конечно, не возьмешь мишень на мушку. Стрелять пришлось бы зачастую не только по невидимой цели, но и в направлении, совершенно противоположном тому, где она находится в момент выстрела. Что же удивительного в том, что при такой стрельбе, даже при самом тщательном прицеливании, легко можно промахнуться на несколько сот тысяч километров!

И все же положение астронавтов будет вряд ли хуже, чем, скажем, положение первых русских мореходов, безвестных колумбов, первооткрывателей многих и многих земель. В утлых ладьях самоотверженно пускались они в полный опасностей путь по безбрежным океанам, сквозь туманы, бури и льды, не зная точно ни того, когда они встретят желанную цель, ни того, существует ли она вообще. Астронавты же отправятся в свое далекое путешествие, вооруженные точными данными о том, где и когда они достигнут пункта назначения, и если это, скажем, путешествие на Луну — то и картами лунной поверхности, не уступающими по детальности картам многих районов земного шара.

Определение космических трасс межпланетных кораблей во многом упрощается тем, что двигатели этих кораблей работают в течение ничтожно короткого времени по сравнению с общей продолжительностью полета. По существу, в течение всего времени полета, за исключением коротких мгновений, корабль летит с остановленным двигателем в безвоздушном мировом пространстве, находясь в так называемом свободном полете.[91] Закон движения корабля полностью определяется в этом случае теми полями тяготения, в которых находится корабль, и его скоростью. Вообще говоря, величина и направление скорости корабля в одной какой-либо точке мирового пространства предопределяют весь его дальнейший путь. Правда, далеко не всегда эту траекторию полета удается вычислить заранее, пользуясь математическими методами. По существу, это удается сделать только для одного, простейшего случая — полета в поле тяготения одного какого-нибудь светила.

Конечно, в действительности поля тяготения различных небесных тел перекрываются, но практически часто бывает так, что влияние поля одного какого-нибудь тела — Земли, Солнца, какой-либо планеты и т. д. — оказывается подавляющим по сравнению с остальными. Это позволяет считаться только с этим единственным полем, а остальными пренебрегать. Поэтому, например, полет с Земли на Марс и можно разбить на три участка — начальный участок полета в поле тяготения одной толькс Земли, основной участок полета в поле тяготения одного Солнца и заключительный участок полета в поле тяготения Марса.

Законы движения одного тела в поле тяготения другого (проблема двух тел) изучены детально и составляют основу небесной механики.[92] По этим законам движутся, в частности, планеты вокруг Солнца, спутники вокруг планет и т. д. Эти же законы будут управлять и полетом межпланетных кораблей на каждом из участков, о которых шла речь выше. Для изучения полета корабля мы с полным основанием можем воспользоваться в этих случаях выводами небесной механики, хотя вряд ли создатели этой науки могли предвидеть такое ее применение.

Рассмотрим, например, свободный полет в поле тяготения Земли. Этому соответствует любой полет корабля на расстоянии до 800 тысяч километров от Земли[93] (если только не принимать во внимание период разгона корабля с помощью двигателя — так называемый активный участок траектории — и высоты примерно до 100 километров, где сказывается воздушное сопротивление). Нужно исключить из рассматриваемого случая и районы околоземного пространства, где приходится считаться с полем тяготения Луны.

При этих условиях полет корабля будет происходить так же, как полет снаряда, выстреленного из артиллерийского орудия в безвоздушном пространстве. Траектория такого полета будет целиком определяться направлением и скоростью снаряда при вылете из ствола орудия.

Если пушка установлена вертикально, то снаряд будет двигаться от центра Земли вдоль земного радиуса. Когда кинетическая энергия, полученная снарядом при выстреле, будет полностью израсходована на преодоление земного тяготения, снаряд остановится, а затем начнет падать на Землю по уже раз пройденному пути и снова войдет в ствол орудия с той же скоростью, которой он обладал, покидая его.[94]

Чем больше начальная скорость снаряда, тем выше он поднимется над Землей. Мы уже знаем, какова должна быть эта скорость, чтобы снаряд совсем не возвратился на Землю, то есть остановился бы только «в бесконечности». Эта скорость есть скорость отрыва, равная на поверхности Земли примерно 11,2 километра в секунду.[95] При меньшей скорости снаряд будет находиться в полете строго определенное время, достигнет некоторой наибольшей высоты и потом упадет на Землю. Так, при скорости 7,9 километра в секунду (у экватора) снаряд достигнет высоты, равной одному земному радиусу, то есть высоты 6378 километров. Следовательно, при вертикальном полете ракеты, доставившие на орбиту советские искусственные спутники Земли, достигли бы высоты не менее 7000 километров!

Пусть теперь пушка установлена горизонтально, как для стрельбы прямой наводкой. При небольшой начальной скорости снаряда он пролетит немного времени и упадет на Землю, описав над ней небольшую дугу, представляющую собой часть эллипса.[96]

Небесная механика учит, что траектория движения одного тяжелого тела в поле тяготения другого может быть лишь одной из кривых, которые называются коническими сечениями. Такими кривыми являются круг, эллипс, парабола и гипербола. Их можно получить, рассекая конус плоскостью так, как это показано на рисунке на стр. 183. Снаряд может двигаться вокруг центра Земли только по одной из этих кривых (или по радиусу Земли, как в случае вертикального выстрела).

Если бы земная поверхность не остановила снаряда, то он продолжал бы свое движение по эллипсу, пока этот эллипс не замкнулся, так что снаряд влетел бы в ствол орудия с его казенной части. Центр Земли оказался бы одним из двух фокусов этого эллипса.

Чем больше начальная скорость снаряда, тем больше эллипс приближается по форме к кругу, пока наконец не достигается такая скорость, при которой орбитой снаряда становится круг с центром в центре Земли. Теперь уже снаряд не упадет, он будет бесконечно обращаться вокруг Земли, пролетая каждый раз через ствол выпустившего его орудия. Мы уже подробно говорили о таких искусственных спутниках Земли. Начальная скорость снаряда, превращающая его в спутник, то есть так называемая круговая скорость, равна у поверхности Земли, как указывалось выше, 7,9 километра в секунду, она в 1,4 раза меньше скорости отрыва. Время одного полного обращения такого спутника вокруг Земли у ее поверхности равно примерно 1 часу 24 минутам.

Дальнейшее увеличение начальной скорости снаряда заставит его двигаться снова по эллиптической орбите, только теперь центр Земли займет место второго фокуса эллипса, ближнего к пушке. Все выше и выше будет подниматься снаряд над земной поверхностью в точке, являющейся антиподом пушке, то есть по ту сторону земного шара.[97] Интересно сравнить наибольшую высоту, которой достигает снаряд при выстреле с одной и той же скоростью из горизонтальной и вертикальной пушек. Конечно, выстрел прямо вверх оказывается в этом отношении более выгодным. При скорости снаряда, равной круговой, то есть 7,9 километра в секунду, снаряд в случае вертикального выстрела поднимается уже на высоту одного радиуса Земли, тогда как при выстреле из горизонтальной пушки он продолжает оставаться у земной поверхности. Эта разница в один земной радиус, то есть в 6378 километров, сохраняется и при дальнейшем увеличении скорости снаряда. Но зато в точке максимального подъема снаряд, выстреленный вертикально, совершенно теряет свою скорость, тогда как его соперник мчится с огромной скоростью вокруг Земли. «Выстрел вверх», как мы увидим ниже, характерен для полета межпланетного корабля при взлете, «горизонтальный выстрел» — для его посадки.

Выстрел из наклонной пушки занимает по своим свойствам промежуточное положение между рассмотренными двумя крайними. Чем ближе положение пушки к вертикальному, тем более вытянутой будет эллиптическая траектория его полета, тем выше он залетит и тем меньше будет его скорость в точке наибольшего удаления от Земли.

Большое значение для астронавтики имеет следующая особенность эллиптических орбит. Когда начальная скорость снаряда настолько велика, что он уже удаляется от Земли на большое расстояние, то ничтожное увеличение этой скорости очень сильно меняет орбиту полета снаряда, делает эллипс более вытянутым, так что максимальная высота подъема снаряда сильно увеличивается. Так, увеличение начальной скорости при горизонтальном выстреле всего на 11 метров в секунду, с 11 115 до 11 126 метров в секунду, увеличивает максимальную высоту подъема снаряда с 475 тысяч до 630 тысяч километров над поверхностью Земли. Это показывает, насколько точными должны быть приборы, регулирующие полет межпланетной ракеты — в частности, определяющие момент выключения ее двигателя, — насколько трудна проблема управления межпланетным кораблем.

Начальная скорость снаряда, равная скорости отрыва, удаляет снаряд в бесконечность как при вертикальном, так и при горизонтальном выстреле. Как только начальная скорость снаряда достигает этого значения, эллиптическая орбита рвется, и снаряд летит уже не по замкнутой, а по разомкнутой кривой — параболе. Поэтому скорость отрыва называют также параболической скоростью.

Дальнейшее увеличение начальной скорости снаряда при выстреле — выше параболической — заставит его лететь уже не по параболе, а по какой-нибудь гиперболе, все более «раскрывающейся» по мере роста скорости. Такие скорости называются гиперболическими.[98]

Снаряд, выстреленный с параболической скоростью 11,2 километра в секунду, обладает достаточной энергией, чтобы вырваться из оков тяготения Земли, но это не спасает его от действия солнечного тяготения, и он неминуемо попадет в конце концов в раскаленные объятия Солнца или начнет вращаться вокруг него по эллиптической орбите, как это случилось с советской космической ракетой. Чтобы покинуть солнечную систему, снаряд должен обладать параболической скоростью по отношению к Солнцу. Эта скорость гораздо больше, чем скорость отрыва от Земли, так как поле солнечного тяготения мощнее, — она равна примерно 42,1 километра в секунду. Конечно, на планетах, дальше отстоящих от Солнца, эта скорость меньше, так что на Плутоне она составляет всего 6,7 километра в секунду. На поверхности же Солнца эта скорость равна 618 километрам в секунду, так как сила тяжести на Солнце в 28 раз больше, чем на Земле. Человек весил бы на Солнце 1,5–2 тонны, а то и больше.

Вряд ли мы могли бы надеяться когда-нибудь вырваться из оков солнечного тяготения, если бы не то обстоятельство, что Земля является спутником Солнца и, следовательно, уже обладает круговой скоростью в движении вокруг него. Но это значит, что при использовании круговой скорости Земли межзвездному кораблю нужно сообщить не всю параболическую скорость относительно Солнца, а только разность между нею и круговой скоростью, то есть 42,1 — 29,8= 12,3 километра в секунду.

Теперь легко подсчитать, какова должна быть начальная скорость межзвездного корабля при взлете с Земли. Оказывается, она должна равняться примерно 16,7 километра в секунду (использование вращения Земли вокруг оси может уменьшить эту скорость до 16,2 километра в секунду). Эта скорость часто называется освобождающей.[99]

Как видим, освобождающая скорость при использовании орбитальной скорости Земли вовсе не так велика — она оказывается меньше, чем необходимая идеальная скорость для полета на Луну.

Для того чтобы полностью использовать орбитальную скорость Земли, взлет межзвездного корабля должен осуществляться, очевидно, в том же направлении, что и движение Земли по ее орбите, — против часовой стрелки, если смотреть из точки, расположенной над Северным полюсом. При взлете в противоположную сторону освобождающая скорость корабля будет равняться уже не 16,7, а 72,8 километра в секунду, так как кораблю придется сообщить скорость, равную не разности параболической и круговой скорости, а их сумме, то есть 42,1 + 29,8 = 71,9 километра в секунду.[100]

Какой же маршрут изберет командир межпланетного корабля, направляя его, скажем, на Марс? Очевидно, что, выбирая такой маршрут, командир будет решать нелегкую и вместе с тем ответственную задачу. Нелегкая она потому, что в мировом пространстве нет «заказанных» путей, там нет железных дорог и асфальтированных магистралей. Корабль полетит туда, куда направит его рука человека. И понятно, почему это ответственная задача: неудачный выбор трассы может намного увеличить продолжительность полета и необходимый запас топлива на корабле.

Но, может быть, нужно установить раз и навсегда наилучшую трассу Земля — Марс с тем, чтобы осталось только обставить ее дорожными знаками, как на наших земных шоссе?

Нет, дело обстоит не так просто. Не говоря уже о том, что такая трасса не была бы, конечно, неподвижной в пространстве, а перемещалась в нем вместе с начальным и конечным пунктами — Землей и Марсом, сам характер этой трассы будет зависеть от особенностей полета. Найти наивыгоднейший маршрут полета при заданной его продолжительности или заданном расходе топлива — вот важнейшая задача космонавигации. И прежде всего, конечно, хотелось бы знать, с каким маршрутом связан наименьший расход топлива. Как же решается эта задача в случае полета на Марс?

Орбита Марса больше орбиты Земли — Марс находится дальше от Солнца. Время одного полного обращения Земли по орбите, то есть продолжительность земного года, равно 365 суткам. Марс совершает один оборот вокруг Солнца за 687 земных суток. Значит, Земля обращается вокруг Солнца с вдвое большей угловой скоростью — она совершает немногим меньше двух оборотов, пока Марс успевает обежать вокруг Солнца один раз. Вследствие этого противостояния Марса, то есть такие моменты, когда Марс ближе всего к Земле, приходятся примерно раз в 2 земных года, точнее — раз в 780 суток.[101] Благодаря значительной эксцентричности орбиты Марса расстояние до него во время противостояния меняется в довольно сильных пределах — от 56 до 100 миллионов километров. Пусть наш корабль совершает свой полет в 1971 году, когда расстояние до Марса будет наименьшим; следующего такого же случая, так называемого великого противостояния, пришлось бы ждать целых 17 лет.[102] «Всего» 56 миллионов километров будут разделять Марс и Землю по прямой, соединяющей их центры, в момент этого наиболее благоприятного противостояния. Одним словом, рукой подать!

Казалось бы, что проще всего направить корабль по этому кратчайшему пути, но на самом деле это не так. Мало того: и вообще-то по такому пути корабль совершить свой полет на Марс не сможет — ведь и Земля и Марс не неподвижны, они мчатся по своим орбитам вокруг Солнца. Конечно, можно заставить корабль лететь по этой воображаемой прямой, если это уж во что бы то ни стало необходимо, но это будет бессмыслицей. Во-первых, когда корабль достигнет орбиты Марса, летя по такой прямой, он не найдет там планеты: она уйдет далеко вперед. А во-вторых, такой полет приведет к огромному перерасходу топлива. Ведь чтобы корабль двигался по этой прямой, его нужно направить под углом к ней, иначе он будет «снесен» в направлении движения Земли по орбите (вспомните трамвай, с которого вы прыгаете на ходу). Так же поступает лодочник, стремящийся пересечь реку по кратчайшему пути, — он направляет лодку не поперек реки, а ставит ее под углом. Но из-за этого скорость, которую мы должны сообщить кораблю, чтобы он достиг орбиты Марса, сильно увеличивается: как показывает расчет, затрата энергии на перелет увеличивается при этом в 2,5 раза. Вот что значит «выгребать против течения»!

Совершенно очевидно, что кратчайший путь между орбитами — далеко не самый выгодный. Конечно, курьерский корабль, мало считающийся с «расходами» на путешествие и совершающий его в кратчайшее время, все-таки, может быть, полетит по наиболее короткому пути. Такой курьерский полет может быть совершен и за очень короткое время, была бы только скорость.

Однако наивыгоднейший в отношении расхода топлива полет должен происходить по такой траектории, чтобы полностью использовать круговую скорость Земли в ее движении вокруг Солнца. Но это значит, что взлет корабля должен происходить по касательной к орбите Земли, в том же направлении, в котором движется и сама Земля вокруг Солнца. Такой взлет должен осуществляться, очевидно, около полуночи — в этот момент точка взлета, если она находится не на полюсе, расположена так, что корабль использует и скорость, которую имеет эта точка во вращении вокруг земной оси.

Как избрать начальную скорость корабля? Какой маршрут делает эту скорость наименьшей? Ответ на этот важнейший для астронавтики вопрос дать не просто. Ведь при решении этой задачи нужно учитывать многие факторы — и уровень развития реактивной техники (скорость истечения газов и другие свойства топлив, конструкцию корабля и проч.), и потребные запасы пищи, воздуха, воды для пассажиров, и многое другое. Расчеты показали,[103] что наивыгоднейшей траекторией является эллипс, касательный к обеим орбитам — Земли и Марса. Начальная и конечная точки пути лежат в этом случае по разные стороны от Солнца, на большой оси эллипса, длина которой равняется диаметру земной орбиты плюс расстояние между обеими орбитами по кратчайшему пути (то есть во время противостояния). Значит, эта длина меняется от 355 до 400 миллионов километров. Длина соответствующего полуэллипса, представляющего собой траекторию полета корабля, будет равна примерно 600 миллионам километров. Время полета корабля по такому маршруту составляло бы примерно 240–270 дней. Чтобы корабль совершил этот полет, его начальная скорость вне поля земного тяготения должна равняться всего 2,9 километра в секунду.

Какую же скорость должен иметь в этом случае корабль при взлете с Земли? Так как для преодоления земного тяготения кораблю нужно сообщить скорость отрыва, равную 11,2 километра в секунду, а затем, уже вне поля земного тяготения, скорость корабля все еще должна равняться 2,9 километра в секунду, то можно думать, что при взлете с Земли кораблю нужно сообщить скорость 11,2 + 2,9 = 14,1 километра в секунду. Однако такое решение было бы ошибочным. Если бы мы сообщили кораблю такую скорость, то вне поля земного тяготения скорость корабля составила бы не 2,9, а 8,6 километра в секунду. Вот какая получается «странная» арифметика — начальная скорость корабля равна 14,1 километра в секунду, более 11 километров потеряно в борьбе с земным тяготением, и все еще осталось 8,6 километра в секунду! В действительности же скорость корабля при взлете должна равняться всего 11,6 километра в секунду.[104]

Мы видим, насколько выгоднее сообщить кораблю при взлете сразу всю возможную скорость, — это носит характер важного закона астронавтики. Если бы кораблю при взлете в нашем случае была сообщена только скорость отрыва 11,2 километра в секунду, а потом еще раз, уже вне поля земного тяготения, скорость 2,9 километра в секунду, то общая идеальная скорость равнялась бы, как было указано выше, 14,1 вместо 11,6 километра в секунду. Соответственно, конечно, вырос бы и необходимый запас топлива на корабле. Например, при скорости истечения газов 3 километра в секунду взлетное соотношение масс корабля увеличилось бы с 48 до 110.

При расчете общего расхода топлива на полет необходимо принимать во внимание и скорость корабля относительно Марса в момент их встречи. Эта скорость должна быть погашена, в основном, торможением с помощью двигателя, так как атмосфера Марса очень разрежена. Это потребует дополнительного расхода топлива. В случае полета по касательному полуэллипсу в момент встречи с Марсом корабль будет мчаться медленнее его примерно на 2,7 километра в секунду. Конечно, можно было бы избрать и такой маршрут, чтобы при полете по нему эта относительная скорость была равна нулю. Здесь мы еще раз видим, как трудно выбрать наивыгоднейший маршрут.

При полете по наивыгоднейшему маршруту (касательному эллипсу) момент взлета корабля должен быть точно определен, иначе корабль не найдет Марса в «условленном» месте. В момент взлета Марс должен быть в строго определенном положении на своей орбите относительно Земли — он должен опережать ее примерно на ¹/₈ полного оборота, то есть на 45°. Так как это взаимное положение повторяется с такой же регулярностью, как и противостояние, то следующий удобный момент для полета на Марс наступит только через 2 года 50 дней. Как видно, природа сама принимает меры для охлаждения пыла астронавтов — часто на Марс не полетишь (по крайней мере, при помощи реактивной техники ближайшего будущего). Вот почему, вероятно, в будущем эти выгодные моменты будут использоваться для организации экспедиций, состоящих из многих межпланетных кораблей, когда практически одновременно в путь пустится целый межпланетный флот.

Еще хуже будет обстоять дело с возвращением на Землю. Момент вылета с Земли можно переносить со дня на день без большого неудобства для пассажиров, но каково будет межпланетным путешественникам дожидаться на неуютном Марсе момента отправления корабля домой, на Землю, если это ожидание затянется на 2 года! Простой расчет показывает, что после удачной посадки корабля на Марсе в случае полета по наивыгоднейшему полуэллипсу его пассажирам придется ждать там действительно около 15 месяцев, пока корабль сможет стартовать в обратный путь, если он хочет снова воспользоваться наивыгоднейшим маршрутом.

Ценой сравнительно небольшого увеличения расхода топлива можно избирать другие траектории полета — не по касательному эллипсу, а по эллипсам, пересекающим обе орбиты или по крайней мере одну из них. Это может привести к существенному сокращению продолжительности путешествия. Так, сокращение продолжительности полета на 3 месяца по сравнению с 8 месяцами полета по наивыгоднейшему маршруту может быть достигнуто ценой увеличения скорости корабля при взлете с Земли с 11,6 до 14,3 километра в секунду. Сокращение продолжительности полета всего до 4 месяцев потребовало бы увеличения взлетной скорости до 15,9 километра в секунду. Уменьшение продолжительности полета достигается при этом как за счет роста скорости, так и за счет сокращения длины пути. Еще большего сокращения продолжительности полета можно достичь при увеличении скорости корабля относительно Солнца до гиперболической. При скорости корабля в сотни километров в секунду продолжительность полета на Марс может быть сокращена до недели.

Переход от касательного к секущим эллипсам, и в особенности к гиперболам, облегчает выбор момента старта корабля с Земли. Теперь уже старт становится возможным в течение нескольких месяцев в году. Однако в отношении момента вылета с Марса в обратный путь к Земле положение меняется мало. Чтобы избежать слишком длительного пребывания на Марсе, можно воспользоваться для возвращения на Землю курьерским кораблем, способным совершать полет по гиперболической орбите со столь большой скоростью, что корабль оказывается уже в состоянии «догнать» Землю. Однако это будет связано со значительным увеличением количества расходуемого топлива.

Полет к следующим за Марсом внешним планетам солнечной системы может осуществляться принципиально так же, как и на Марс. Корабль по-прежнему взлетает около полуночи — так, чтобы его скорость складывалась со скоростью движения Земли по орбите и вокруг своей оси. Благодаря этому он начинает удаляться от Солнца, достигая орбиты соответствующей планеты в такой момент, когда там оказывается и сама планета.

Полет к внутренним планетам, орбиты которых меньше земной, в частности полет к «таинственной незнакомке» — Венере, о которой, несмотря на ее соседство с Землей, астрономы знают весьма мало, должен совершаться иначе. В этом случае достаточно уменьшить скорость корабля по сравнению с орбитальной скоростью Земли, чтобы корабль стал падать на Солнце, приближаясь к нему, пока не будет достигнута орбита Венеры. Для этого взлет корабля с Земли должен осуществляться в сторону, противоположную ее движению вокруг Солнца, то есть корабль должен стартовать около полудня.[105] За пределами поля земного тяготения скорость корабля должна равняться 2,4 километра в секунду, и, следовательно, скорость его при взлете с Земли — менее 11,5 километра в секунду.[106] При этом условии корабль совершит полет к Венере по наивыгоднейшему маршруту — касательному полуэллипсу, пройдя путь в 400 миллионов километров, хотя кратчайшее расстояние до Венеры в 10 раз меньше. Полет до Венеры продлится в этом случае чуть меньше 5 месяцев. Как и в случае полета на Марс, для обратного полета на Землю по наивыгоднейшему маршруту путешественникам придется дожидаться на Венере более 15 месяцев.

Полет на Венеру не по касательному эллипсу, а по эллипсам, пересекающим орбиты Земли и Венеры или по крайней мере одну из этих орбит, может, как и в случае путешествия на Марс, значительно сократить продолжительность полета при некотором увеличении расхода топлива. Так, увеличение скорости на границе поля земного тяготения с 2,4 до 8 километров в секунду может сократить продолжительность полета почти вдвое.

Касательные полуэллипсы являются наиболее выгодными в отношении расхода топлива траекториями полета и к другим планетам солнечной системы. Это указывает, кстати сказать, на следующую особенность астронавтики: наивыгоднейший полет к ближайшей планете иногда должен длиться больше времени, чем к более отдаленной планете. Легко сообразить, о каком случае идет речь, — о полетах к внутренним планетам. Действительно, Венера ближе к Земле, чем Меркурий, но так как лететь надо «по ту сторону» Солнца, то путь к Венере оказывается большим и более длительным.

С полетом к внутренним планетам связана и еще одна особенность астронавтики: чем меньше скорость корабля, тем быстрее он достигает цели. Почти что «тише едешь — дальше будешь». Секрет и здесь прост. Чем меньше скорость корабля относительно Солнца, тем прямее и короче путь к нему и, значит, тем меньше времени корабль будет находиться в полете к цели — Меркурию или Венере. Если бы корабль был в момент взлета неподвижным относительно Солнца, то он падал бы на него по прямой, и в этом случае полет к Венере или Меркурию был бы самым коротким. Но надо помнить, что речь идет о скорости относительно Солнца. Чтобы эта скорость была меньше, скорость корабля относительно Земли при взлете с нее должна быть больше — ведь корабль взлетает в этом случае против движения Земли по орбите, и его скорость должна погашать орбитальную скорость Земли.

Если путешественники располагают временем и терпением, то они смогут совершить интересные «прогулки» по мировому пространству без посадки на какой-либо планете, но с обозрением ее с близкого расстояния, впрочем настолько почтительного, чтобы не подвергаться сильному притяжению планеты. Такие путешествия могут быть осуществлены с минимальной затратой топлива, необходимой лишь для того, чтобы отправить корабль в бесконечное путешествие вокруг Солнца, превратив его в новую планету — астероид. Соответствующая скорость корабля при взлете с Земли должна быть больше скорости отрыва (11,2 километра в секунду), но меньше, чем освобождающая скорость (16,7 километра в секунду). Подобрав соответствующим образом момент взлета и его скорость, то есть большую ось эллипса, можно совершить несколько оборотов вокруг Солнца, встретить и обозреть нужную планету и сесть на Землю, которая, обежав за это время тоже несколько раз вокруг Солнца, как раз встретится с кораблем в месте взлета. Подобные путешествия с изучением Марса, Венеры или Меркурия можно проделать за 3 года, Юпитера — за 6 лет и т. д. Для такого полета вокруг Марса понадобится взлетная скорость корабля всего только на 0,4–0,5 километра в секунду больше, чем скорость отрыва. Подобная скорость была уже практически достигнута первой советской космической ракетой.

Интересное предложение межпланетного полета для осмотра Венеры и Марса было сделано известным итальянским ученым Крокко на Международном астронавтическом конгрессе в Риме в сентябре 1956 года. По этому предложению, корабль совершает свой полет по эллиптической орбите вокруг Солнца, причем орбита выбирается таким образом, что она касается орбиты Марса и пересекает в двух точках орбиту Венеры. Если подобрать момент старта, то можно добиться, чтобы корабль встретился с Марсом как раз тогда, когда орбита корабля касается орбиты Марса, и с Венерой — в точках, в которых орбита корабля пересекает орбиту Венеры. По расчетам Крокко, такой момент наступит только в июне 1971 года (вот бы использовать этот случай!). Весь полет должен длиться ровно год с тем, чтобы по возвращении корабль застал Землю как раз в месте старта. Конечно, все эти трассы являются лишь примерными, они дают общее представление о том, как будет пролегать в пространстве путь межпланетного корабля. Расчеты истинной трассы каждого полета будут весьма точными и громоздкими. Такие расчеты ведутся в настоящее время учеными разных стран с использованием сложных и совершенных электронных счетных машин — без них эти расчеты оказались бы практически невозможными. Правильно выполненный расчет позволяет осуществить полет с минимальной затратой топлива и, значит, с максимальным использованием полей тяготения, в которых движется корабль. При этом, вероятнее всего, в будущем космические трассы будут пролегать не непосредственно от одной планеты к другой, а между их спутниками, природными или искусственными. В общем, судя по тому, что за расчеты космических трасс уже взялись не любители, а специалисты астрономы и математики, то есть как раз те, кому этим ведать надлежит, штурманы будущих космических кораблей окажутся во всеоружии гораздо раньше того времени, когда будет закончена отделка штурманской рубки первого межпланетного корабля. Впрочем, это и правильно, за навигационными расчетами задержки быть не должно!

У штурмана самолета, в особенности в дальнем полете, всегда уйма дел. Он должен в любую минуту знать, где находится самолет, над каким местом он пролетает, должен вносить необходимые поправки в намеченный заранее маршрут, разрабатывать и изменять при необходимости график полета — устанавливать нужную высоту полета, режим работы двигателей, скорость в зависимости от погоды в пути и других обстоятельств. На него же обычно возлагается обязанность поддерживать радиосвязь, если на борту нет радиста. Штурман в своей рубке вечно корпит над картами, таблицами, графиками, что-то считает на специальных линейках, чертит. Все остальные члены экипажа с уважением посматривают на труженика-штурмана, который в полете становится центральной фигурой. Это неудивительно, ведь успех полета зависит, как правило, от того, как «сработал» штурман…

Но о чем заботиться штурману межпланетного корабля, если маршрут его полета вычислен заранее со всей возможной точностью в специальных расчетных бюро и институтах? Никаких грозовых фронтов, циклонов и антициклонов межпланетному кораблю не придется встретить в течение всего полета, облака не встанут на его пути, ему не страшны ветры, дождь, снег. В строгом соответствии с законами небесной механики будет мчаться корабль к своей далекой цели, чтобы, прочертив в мировом пространстве сложную кривую, заранее предначертанную во всех деталях, встретить в конечной точке этой кривой неведомую цель. Настолько все ясно, что, пожалуй, даже стоит подумать о «сокращении штатов» экипажа межпланетного корабля за счет штурмана; о, на это место найдется немало претендентов, которые заведомо окажутся очень полезными в полете. Ну, допустим, в первом полете еще куда ни шло, пусть штурман остается, мало ли какие возможны неожиданности. Но зато потом, когда все наладится, когда межпланетные полеты станут заурядными, никакого штурмана на корабле, вероятно, не будет. Ведь ни на минуту нельзя забывать о том, что каждый килограмм полезной нагрузки на корабле означает тонну, если не больше, взлетного веса корабля. Не будет штурмана — и корабль станет легче на добрую сотню тонн.

Но мы, кажется, делим шкуру неубитого медведя. Ибо в действительности ни один космический корабль не пустится в свое опасное путешествие без штурмана. Несмотря на отсутствие многого из того, что усложняет жизнь штурманов самолетов или морских судов, на долю штурмана межпланетного корабля выпадет немало и таких забот, о которых его земные коллеги не имеют, к счастью, ни малейшего представления. Так что успех межпланетного полета еще в большей мере зависит от штурмана, чем успех полета на земле. И, конечно, штурман будет в любом межпланетном полете первым человеком на корабле.

Почему же так сложна навигация в мировом пространстве?

Представим себя на минуту в штурманской рубке межпланетного корабля. Корабль стоит на старте, еще мгновение — и он отправится в невиданный полет. Все готово к отлету, члены экипажа на своих местах, люки задраены.

Взлет межпланетного корабля — очень важная часть любого космического полета. Подробнее об этом мы расскажем в главе 17. Здесь же отметим, что, вероятнее всего, экипаж корабля будет освобожден от управления им во время взлета. Это неудивительно: при взлете на экипаж будут действовать большие инерционные перегрузки, сильно затрудняющие движения человека. В подобных условиях экипаж не сможет обеспечить столь важное при взлете безошибочное управление. Корабль будет управляться либо автоматически, либо с наземной станции управления. Поэтому мы не удивимся, увидев, что и штурман лежит в кресле в течение всего взлета, не прикасаясь к своему обширному арсеналу навигационного оборудования.

Но вот взлет закончен, двигатель выключен. Корабль мчится за счет накопленной скорости по заранее намеченному пути. Только какая-нибудь неожиданность, какие-нибудь непредусмотренные обстоятельства могут изменить этот путь. Не будет неожиданностей — и корабль будет мчаться в пространстве, поглощая колоссальные расстояния, пока не достигнет желанной цели. Пусть это случится через дни, недели, даже месяцы — все равно, раньше или позже, корабль будет у цели.

Что же делать в этих условиях штурману? Неужели он начинает действовать только тогда, когда появляются эти неожиданности, и не будь их, мог бы так и не встать со своего кресла?

Увы, дело обстоит, к сожалению, совсем иначе. Современная техника пока еще не в состоянии справиться с трудностями, связанными с необозримостью пространств, преодолеваемых в межпланетном полете. Правда, с этими трудностями не справляется пока что и астрономия. Ведь для того, чтобы рассчитать траекторию полета корабля, отправляющегося в путешествие к какой-либо планете, нужно точно знать положение этой планеты в любой момент времени. Необходимо также знание положения и других планет, чтобы учесть возмущения траектории корабля под действием притяжения к этим планетам. Ну что же, астрономия позволяет определить положение планет с точностью до 14-й значащей цифры, то есть с гораздо большей точностью, чем это необходимо астронавтике. Мало того, в изучении солнечной системы в последние годы достигнуты громадные успехи — положение планет предвычислено на столетие вперед, определено их влияние друг на друга. Это позволяет весьма точно предвычислять и любую траекторию полета межпланетного корабля в течение почти всего XXI века. Так эта высокая точность вычислений, казавшаяся излишней для астрономии, получит использование в астронавтике.

Однако эта точность в известной мере кажущаяся. Ведь при определении расстояний в астрономии до сих пор обычно имеют дело с измерением углов, которые действительно определяются весьма точно. Уже по найденным величинам углов определяют абсолютную величину расстояния, относя ее к так называемой астрономической единице, за которую принято среднее расстояние от Земли до Солнца, то есть большая полуось земной орбиты. Если бы эта астрономическая единица была точной, то и все другие расстояния, определяемые астрономией, были бы также точными. К сожалению, астрономическая единица, равная, как это принято считать, 149 675 тысячам километров, определена лишь с точностью плюс-минус… 17 тысяч километров! Поэтому точный расчет траектории корабля оказывается невозможным, в нем всегда имеется элемент неуверенности.

Но даже если бы можно было заранее рассчитать с любой желаемой точностью маршрут корабля и прочертить кривую полета его в мировом пространстве, то практически пока невозможно, как говорят, «реализовать» эту кривую, то есть заставить корабль придерживаться ее в полете. И это связано именно с невиданными расстояниями, которые должен пройти космический корабль, расстояниями, опрокидывающими все обычные представления «земной» техники.

При этих расстояниях любое, казалось, самое пустяковое отклонение от заданных значений скорости корабля в момент остановки двигателя и угла, определяющего направление начальной скорости, может настолько отклонить корабль от намеченного маршрута, что это приведет к полной неудаче полета.

К чему приведут, например, небольшие отклонения от величины и направления начальной скорости корабля, летящего на Марс, видно из следующего. Лучшие теодолиты, то есть приборы, с помощью которых измеряют углы в астрономии и при геодезических съемках, в хороших условиях наблюдения позволяют достичь точности, при которой ошибка не превышает одной дуговой секунды. Это значит, например, что угол в 15° может быть измерен так, что его величина окажется равной 14 градусам 59 минутам и 59 секундам или же 15 градусам 1 секунде. И даже подобная ничтожная ошибка в направлении начальной скорости корабля отклонит его от предполагаемой точки встречи с Марсом примерно на 1000 километров. Гораздо более вероятна при запуске корабля значительно большая ошибка, примерно в одну минуту, то есть в 60 секунд. При этом корабль в конце своего пути отклонится в сторону уже примерно на 50 тысяч километров.

То же касается отклонения и в величине скорости. Если истинная начальная скорость корабля, то есть скорость после выключения двигателя, будет отличаться от нужной всего на 1 процент, то корабль отклонится от цели на 800 тысяч километров! Это значит, что Марс останется далеко в стороне, и кораблю придется несолоно хлебавши возвращаться на Землю…

Даже при полете на Луну точность запуска ракеты должна быть очень высокой. Так, если взлетная скорость ракеты равна 10,7 километра в секунду на высоте 500 километров, то для того, чтобы ракета совершила посадку на Луне на расстоянии не более 150 километров от заданной точки, скорость ракеты должна отклоняться от заданной не более чем на 0,5 метра в секунду, а угол направления этой скорости — не более чем на 0,5 минуты!

Наилучшие результаты, которых можно добиться при современных знаниях и современном уровне техники, все-таки далеко не устраивают астронавтику. Отклонения в величине скорости и угла ее направления при старте межпланетного корабля, которые могут быть достигнуты с помощью наиболее совершенных из имеющихся приборов, все же в десятки и сотни раз больше допустимых.[107] Значит, без внесения поправок в курс корабля уже в полете, очевидно, не обойтись. Вот почему, главным образом, и нужен штурман на межпланетном корабле.

Чем раньше будут обнаружены отклонения корабля от заданного курса и сделаны соответствующие поправки, тем меньше топлива будет на это израсходовано. Поэтому штурман прежде всего и примется за эту работу.

Какие же задачи придется решать штурману и какими методами он их сможет решить?

Первой задачей штурмана космического корабля, как и всякого штурмана на Земле, является определение местонахождения корабля.

Предложено много способов, которые позволили бы штурману межпланетного корабля ориентироваться в мировом пространстве. Конечно, когда-нибудь это пространство будет иметь оборудованные трассы, снабженные топливозаправочными станциями, радиомаяками и проч., и тогда жизнь экипажей «флота мирового пространства» станет легче. Но и тогда методы космонавигации будут важнейшим средством обеспечить успех полета.

Пока же радионавигация в мировом пространстве — дело более далекого будущего, и астронавтам придется пользоваться в качестве ориентиров лишь небесными светилами — Солнцем, планетами (в том числе и той, к которой совершается полет), звездами, которые всегда видны. Уже сейчас в авиации широко пользуются методами астронавигации, то есть ориентировки по небесным светилам. Первые опыты такой ориентировки были произведены с воздушных шаров еще в конце прошлого века. В разработке методов астронавигации большая роль принадлежит авиации нашей страны.

Космонавигация в мировом пространстве будет основываться на достижениях и опыте авиационной астронавигации. Однако многое в межпланетном полете не будет похожим на полет в пределах земной атмосферы. На черном небе будет видно во много раз большее число звезд, непривычным будет поведение планет и жгучего Солнца и многое другое. Потребуется разработка сложных способов вычисления, специальных приборов, составление звездных карт и т. п.

Чтобы определить положение на земной поверхности, нужно указать две координаты: долготу и широту. Межпланетный полет — это полет в пространстве, и для определения положения корабля в данный момент нужны три координаты. Две из них могут быть отнесены к плоскости эклиптики, которая, как было указано выше, в какой-то мере заменяет земную поверхность в космическом полете, поскольку в большинстве случаев подобные полеты будут совершаться именно в этой плоскости. Третья координата будет показывать отклонение от плоскости эклиптики.

Можно, например, определять положение межпланетного корабля, совершающего полет в солнечной системе, расстоянием его от Солнца и «долготой», то есть положением точки на окружности данного радиуса, отсчитываемого от Солнца. Это позволило бы расчертить всю эклиптику невидимой сеткой меридианов и параллелей, как это сделано на карте земного шара. Вероятно, имело бы смысл построить эту координатную сетку по так называемой системе «условных меридианов», разработанной советскими штурманами для полетов в районе Северного полюса. Эта система устраняет неудобства, связанные с пересечением всех земных меридианов в точке полюса. Каковы эти неудобства, видно хотя бы по тому, что в точке полюса даже остановившиеся часы показывают правильное время! В новой системе введены условные меридианы, пересекающиеся лишь в бесконечности. Но ведь и меридианы солнечной системы тоже пересекаются в бесконечности.

При такой системе определения положения корабля «широтой» могло бы считаться расстояние его от плоскости эклиптики. В обычных полетах внутри солнечной системы широта не будет изменяться вовсе или будет изменяться незначительно.

Определить расстояние корабля от Солнца штурман сможет различными способами. Так, например, можно просто измерять видимый диаметр Солнца, который, очевидно, уменьшается пропорционально расстоянию. Правда, этот метод не очень точен. Так, если при измерении углового диаметра Солнца (то есть угла, под которым виден этот диаметр) допустить ошибку в одну угловую секунду, то это приведет к ошибке в определении расстояния корабля от Солнца, если этот корабль находится примерно на земной орбите, равной примерно 150 тысячам километров.

Простым и довольно хорошим методом определения этого расстояния может служить измерение количества тепла или света, излучаемого Солнцем. Как известно, это количество изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния, то есть при увеличении расстояния вдвое оно уменьшается вчетверо. Для такого измерения можно воспользоваться специальной термопарой, например, полупроводниковой, то есть термистором. Температура этой термопары, если ее сконструировать должным образом, будет зависеть только от расстояния корабля от Солнца. Правда, предварительно надо будет точно установить, не меняется ли солнечное излучение по времени, сохраняется ли оно достаточно постоянным. Иначе колебания в величине солнечного излучения будут приняты за необъяснимые колебания расстояния корабля от Солнца, которые поставят штурмана в тупик!

Долгота корабля тоже может быть определена с помощью Солнца. Только на этот раз придется следить за положением Солнца по отношению к звездам. Так как при путешествиях в пределах солнечной системы относительное расположение звезд практически не изменяется (звезды слишком далеки для этого!), то сами по себе звезды не могут служить для определения положения корабля, то есть его координат в пространстве. Но одна из звезд находится на неизмеримо меньшем расстоянии по сравнению со всеми остальными, эта звезда — наше Солнце. Поэтому при движении корабля относительное расположение Солнца среди неподвижных звезд будет изменяться, что и может служить для определения координат корабля. Неподвижная звездная сетка, покрывающая небо, и скользящее по этой сетке Солнце позволят определить и третью координату корабля — его широту, то есть отклонение от плоскости эклиптики.

Солнце — не единственное движущееся в звездной сетке небесное тело. Движутся и планеты. Поэтому они, как и Солнце, могут служить для определения положения корабля. С их помощью координаты корабля могут быть определены даже точнее, чем с помощью Солнца. Правда, для этого должно быть точно известно положение планет в данный момент, для чего на корабле должны находиться весьма точные часы. Без таких часов астронавтам никак не обойтись, они нужны для решения многих задач космонавигации. Но остановки за этими часами не будет. Уже сейчас созданы хронометры авиационного типа, основанные, например, на использовании резонансных частот колебаний некоторых атомов, в частности, металла цезия. Конечно, такие хронометрические устройства совсем не похожи на обыкновенные часы, но зато и точность они дают необыкновенную — она сравнима с точностью часов, которые за 100 лет отстали бы на… 1 секунду! Этот «атомный хронометр», установленный на межпланетном корабле, будет иметь небольшие размеры и вес не более 15–20 килограммов.[108]

Положение корабля может быть определено по одновременной фотографии двух каких-нибудь планет на фоне звезд. Можно определить и угол между двумя планетами. Если приборы, которыми пользуется штурман корабля, позволяют определять величину угла с точностью в одну угловую секунду, а его часы измеряют время с точностью в одну сотую секунды, то ошибка в определении положения корабля, путешествующего внутри орбиты Марса, не превзойдет 1600 километров. Это, конечно, очень высокая точность, вполне достаточная для целей космической навигации.

Одним из возможных и перспективных методов определения положения корабля в пространстве является использование радиоизлучения небесных тел. Радиоастрономия уже открыла много различных космических радиоизлучателей, и число их все время возрастает. Ряд подобных излучателей обладает такими особенностями излучения, что их нельзя перепутать с какими-нибудь другими. Это и позволяет определять положение корабля по местонахождению таких «ориентирных» космических радиоизлучателей. В будущем для облегчения ориентировки в космосе могут быть составлены специальные «радиокарты» мирового пространства, которые сослужат большую службу штурманам космических кораблей.

Но, как ни важно определение положения корабля в пространстве, неизмеримо более важным для штурмана является определение направления его движения и скорости в данный момент. Ведь именно это позволяет судить об отклонениях от заданного маршрута и графика полета и принимать решение о необходимых коррективах.

К сожалению, все ориентиры в мировом пространстве расположены на таком большом расстоянии, что пользоваться ими для определения величины и направления скорости, как это мы делаем, например, на Земле, оказывается очень не просто, в особенности если требуется достичь хорошей точности. Проще всего, пожалуй, пользоваться для этого уже известными приемами определения координат корабля. Ведь установив изменение координат за определенное время, например за сутки (малые промежутки времени здесь не годятся), можно определить и все, что относится к движению корабля, — его скорость, направление и т. д.

Так, например, можно фотографировать изображение Солнца, допустим, через каждые несколько часов на одну и ту же пленку. Если корабль движется в плоскости эклиптики, то все эти изображения будут расположены по одной прямой. Через определенное время, например 10 или 20 часов, можно сравнить размеры изображений Солнца в начале и конце этого промежутка времени и установить смещение изображения за это же время. Изменение величины изображения позволит судить об изменении расстояния от Солнца, а смещение изображения — об изменении долготы корабля (для определения траектории корабля необходимо не менее трех последовательных снимков). Можно вместо фотографирования измерять количество тепла или света, излучаемого Солнцем и поглощенного прибором на корабле за определенное время. Можно, наконец, воспользоваться для этой цели и движением планет.

Но неужели нет возможности измерить скорость движения корабля непосредственно в данный момент, а не ее среднее значение за довольно большое время?

Такая возможность имеется. Метод, о котором идет речь, уже не раз с успехом использовался наукой для определения скорости движения. В частности, астрономы с помощью этого метода установили, что многие звездные системы — галактики — удаляются от нас и определили скорость их «разбегания». Для этого они воспользовались так называемым эффектом Допплера.

Многие из читателей, наверное, наблюдали, как меняется тон паровозного гудка, когда мимо проносится на большой скорости железнодорожный поезд. Как только поезд промчится мимо станционной платформы и уже не приближается, а удаляется от вас, вы слышите гудок более низкого тона, басовитый. То же произойдет, если гудящий паровоз будет стоять неподвижно, а проноситься мимо него будете вы на проходящем поезде. Частота воспринимаемого звука меняется в зависимости от того, как направлена относительная скорость источника звука и наблюдателя. Если источник звука и наблюдатель сближаются, частота повышается, если удаляются — частота понижается. Это же явление наблюдается и в случае распространения электромагнитных волн — таковы общие свойства волнообразного движения. Например, если источник света удаляется от наблюдателя, то он кажется ему более «красным», то есть спектр излучаемого этим источником света как бы смещается в сторону более длинных волн — красных. Именно таким образом и было установлено упомянутое выше «разбегание» галактик.

Это дает принципиальную возможность определить скорость движения корабля путем измерения сдвига частот, или так называемой Допплеровской частоты радиосигналов, излучаемых передатчиком корабля. Так, в частности, удавалось поступать и с первыми советскими спутниками Земли. Если уловить на самом корабле радиоэхо сигнала, посланного кораблем и отраженного от какого-нибудь небесного тела, то, очевидно, Допплеровская частота удвоится — первый сдвиг произойдет при отражении сигнала от поверхности небесного тела, второй — при приеме этого радиоэха на корабле. В результате частота принятого сигнала будет отличаться от частоты посланного радиопередатчиком корабля, что и позволит определить величину относительной скорости корабля. Вот так же поступают иногда инспектора ОРУДа — регулировщики движения на скоростных автотрассах, когда хотят установить, не превышает ли дозволенную скорость водитель автомашины. Они облучают быстро идущую автомашину лучом радиопередатчика, установленного на служебном автомобиле или мотоцикле, и по Допплеровской частоте отраженного сигнала судят о скорости ее движения (шкала прибора показывает километры в час, так что пересчитывать ничего не приходится).

Правда, задача инспектора в этом случае неизмеримо проще задачи штурмана межпланетного корабля: направление движения обеих машин одинаково, а вот как направлены скорости межпланетного кораб-ля и небесного тела? Только зная эти направления, можно уверенно определить скорость корабля. Для этого можно воспользоваться, например, радиоэхом от двух разных небесных тел.

Кстати сказать, принципиально возможно использовать этот метод определения скорости корабля и без помощи эха. Нужно лишь установить истинную величину «красного смещения» для радиосигналов, излучаемых каким-либо космическим излучателем, и сравнить ее с величиной, измеренной с Земли; разница будет определяться собственной скоростью движения корабля.[109] Таким образом можно определить скорость корабля по «красному смещеник» не только радиоволн, но и видимого света звезд. Между прочим, в 1956 году впервые удалось непосредственно сравнить «красное смещение» радиосигналов, излучаемых одной парой галактик, с «красным смещением» излучаемого ею же видимого света. Очень интересно, что оба метода измерения дали одну и ту же скорость «убегания» галактик — примерно 17 тысяч километров в секунду.

В общем, можно сказать, что разработка методов космонавигации в основном еще впереди. Здесь непочатый край работы для ученых, штурманов, изобретателей. Может быть, со временем и кто-либо из юных читателей этой книги предложит метод, который станет наиболее принятым в астронавтике.

Конечно, в первое время, когда начнут совершаться межпланетные полеты, навигация в мировом пространстве будет осуществляться именно с помощью указанных выше методов, главным образом с использованием оптических средств. Может быть, только некоторую помощь штурману корабля окажут его коллеги, оставшиеся на Земле. С помощью радиолокационных станций они будут наблюдать за полетом корабля, сверять его курс с заданным и сообщать на корабль по радио о всех необходимых поправках. Вычисление таких поправок представляет собой весьма громоздкую и трудоемкую операцию, и оно будет осуществляться сложными электронными вычислительными машинами.

Зато потом, по мере освоения мирового пространства и накопления опыта межпланетных полетов, космонавигация все в большей степени будет становиться автоматической. За штурманом сохранится только наблюдение за действием автоматической навигационной аппаратуры и вмешательство в случае аварийной необходимости. Корабль поведут по курсу автоматы.

По-разному может осуществляться это автоматическое вождение корабля в Космосе.

Можно, например, создать сложный «автопилот-автоштурман», мозговой центр на корабле, который должен заменить штурмана. Такой автопилот представит собой, по существу, сложную электронную вычислительную машину, которую вряд ли удастся создать без широкого применения полупроводников. Да и с их помощью непросто придать такой машине приемлемые для космического корабля размеры и вес.

Перед взлетом автопилот получит задание в виде заранее рассчитанного маршрута. Это задание может закладываться в машину, например, в виде магнитной ленты, как это делается в некоторых из существующих электронных машинах. Выполняя полученное задание, автопилот станет включать и выключать в нужные моменты основной и рулевые двигатели корабля, осуществлять другие операции по его управлению. Все операции по определению координат корабля, его скорости и направления движения будут осуществляться также автоматически, хотя бы с использованием описанных выше методов. Так же автоматически автопилот рассчитывает все необходимые поправки к курсу, и сам же осуществит их с помощью органов управления корабля. Полученный исправленный курс автопилот вычертит на новой магнитной ленте или же изберет одну из запасных лент с заранее рассчитанными курсами.

Можно обойтись без сложного и громоздкого оборудования на борту корабля, если удастся обеспечить непрерывную радиосвязь корабля с Землей. В этом случае электронно-счетную машину автопилота можно установить на Земле. Понятно, что она окажется более совершенной, ибо исчезнут ограничения в размерах и весе. Приборы на самом корабле и на Земле станут непрерывно следить за полетом корабля и устанавливать все отклонения от заданного курса. Данные этих «наблюдений» получит наземный «мозговой центр», который выработает необходимые поправки к курсу и, в свою очередь, передаст их на корабль. Без вмешательства человека, автоматически, придут в действие органы управления корабля, чтобы выполнить команду, полученную с Земли. Курс выправится. Только в некоторые моменты полета, в частности при посадке на планету, управление кораблем придется осуществлять, очевидно, с его борта.

Со временем, когда мировое пространство будет освоено человеком и межпланетные полеты станут частыми и регулярными, окажутся возможными и методы автоматической радионавигации, широко применяемые в настоящее время в авиации и при наведении управляемых снарядов. Тогда уже исчезнет необходимость в определении координат корабля, величины и направления скорости его полета, без чего не может обойтись космонавигация при всех других методах, описанных выше. На помощь придет радиолуч радиолокационной установки — его можно «протянуть» от одной планеты к другой, для чего на планетах придется соорудить радиомаяки. Их можно соорудить и на спутниках планет или же сами маяки превратить в искусственные спутники планет или Солнца. Маяки могут излучать и «плавающие» радиолучи, периодически покрывающие значительную часть пространства, или же посылать радиоимпульсы во всех направлениях.

Но как же с помощью этих радиолучей управлять кораблем? Систем радионавигации может быть много. В одном случае радиолуч все время ведет корабль: он не выходит из луча так же, как не выходит из него наводимый на цель управляемый снаряд. Луч направлен все время на цель, и полет происходит по кратчайшей прямой — это потребует увеличенного расхода топлива и будет возможно только для курьерских перелетов более далекого будущего. В другом случае радиосигналы, получаемые кораблем от нескольких радиомаяков, установленных в разных точках пространства (достаточно четырех таких маяков), дадут радиоавтопилоту все необходимые данные для управления кораблем. В третьем случае… но, пожалуй, достаточно. Сейчас еще трудно сказать, какому методу радионавигации будет отдано предпочтение штурманами межпланетных кораблей будущего. Каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками. Одно ясно — по мере развития астронавтики участь межпланетных штурманов будет непрерывно облегчаться: им придут на помощь многие замечательные достижения науки, чтобы привести корабль к далекой цели с минимальной затратой топлива.

Но до тех пор штурманам космических кораблей придется нелегко. Мы уже говорили, как трудно установить отклонение межпланетного корабля от правильного курса. А ведь это только часть дела. Как устранить отклонения? Как заставить корабль снова лечь на нужный курс?

На первый взгляд кажется, что это очень просто. Стоит включить двигатель корабля — и он заставит его лететь в нужном направлении. В действительности дело обстоит гораздо сложнее. Конечно, поправки к курсу должны быть осуществлены с помощью двигателей корабля — основных или рулевых. Но в каком направлении и на какое время должна быть приложена к кораблю их тяга, чтобы получить нужный эффект? Ведь нужно иметь в виду, что приложение к кораблю силы в некотором направлении вовсе не вызовет его движения именно в этом направлении: вспомните детскую игрушку — гироскоп, который движется иногда совсем не туда, куда его толкаешь! Эффект этого действия силы в общем случае будет более сложным, так как полученное кораблем в результате действия силы ускорение сложится с ускорением, которое уже имеет корабль в своем движении по траектории.

Так, например, если к кораблю, летящему по эллиптической орбите вокруг Солнца, приложить силу, касательную к траектории, чтобы увеличить скорость, оказавшуюся меньше заданной, то в результате не только возрастет большая ось эллипса, но и увеличится его эксцентриситет. Точно так же сила, приложенная к кораблю в направлении, перпендикулярном траектории, не только изменит эксцентриситет эллипса, но и вызовет его вращение в пространстве.

Именно поэтому расчет необходимых изменений траектории полета корабля и есть такое сложное дело. Вероятнее всего, переход корабля с ошибочной траектории на нужную будет производиться не сразу, в результате одного приложения силы к нему, а в виде сложного маневра с переходом через промежуточные траектории.

Понятно, что осуществление всех необходимых расчетов штурманом корабля в полете представляет собой весьма нелегкую проблему. Каким бы хорошим математиком ни был штурман (а он должен быть очень хорошим математиком!), все равно ему не справиться с ней без помощи вычислительных машин — просто времени не хватит.

Сможет ли корабль поддерживать в полете двухстороннюю радиосвязь с Землей, с другими планетами или с другими кораблями, находящимися в мировом пространстве?

Специалисты-радисты утверждают, что эта связь — задача, посильная для современной радиотехники. Конечно, самое простое — связь Земли с кораблем, так как на Земле может быть сооружена мощная радиостанция, а дальность приема пропорциональна мощности, точнее — корню квадратному из мощности передающей станции. Больше всего потребная мощность будет в том случае, когда станция излучает радиоволны во всех направлениях. Расчеты показывают, что в этом случае наземная станция мощностью 100 киловатт может быть услышана на корабле, имеющем антенну площадью 1 кв. метр, с расстояния до 10 миллионов километров. Совсем не так много! Чтобы увеличить дальность приема в 5 раз, мощность передающей станции придется увеличить в 25 раз, то есть до 2500 киловатт. Но ведь наиболее мощные земные радиопередатчики имеют в настоящее время мощность порядка 1000 киловатт. Как же в таком случае обеспечить связь с кораблем, летящим, например, на Марс? Ведь для этого понадобится станция огромной мощности!

Но дело значительно облегчается, если станция будет передавать радиоволны только в нужном направлении — на корабль. При этом дальность приема станции даже мощностью 100 киловатт может достичь 100 миллионов километров. Нужно только точно знать местоположение корабля. Интересно, что положение может еще улучшиться, если воспользоваться неисчерпаемым источником холода мирового пространства. Действительно, эта, на первый взгляд, несколько неожиданная возможность связана с увеличением чувствительности радиоприемника при его охлаждении. Такое охлаждение уменьшает шумовой фон, покрывающий слабые радиосигналы, и потому позволяет принимать сигналы меньшей силы, или, что то же самое, на большем расстоянии. Предварительные расчеты показывают, что эта неожиданная служба, которую может сослужить нам Космос, позволит увеличить дальность приема раза в три.[110]

Увеличения дальности приема можно добиться, если перейти с голосовой радиосвязи на телеграфную или кодированную. Это позволяет растянуть продолжительность приема и, соответственно, принимать более слабые сигналы. Так, если обычное минутное послание растянуть при передаче на целый час, то дальность приема возрастет примерно в 8 раз. Все эти средства, включая использование на корабле антенны увеличенной поверхности, могут обеспечить прием земной радиостанции на корабле, совершающем практически любой полет в солнечной системе.

Гораздо сложнее, конечно, передача с корабля на Землю, так как возможная мощность станции на корабле, естественно, меньше. Зато, правда, облегчается остронаправленная передача, так как на корабле всегда знают, где Земля… Кроме того, в будущем, несомненно, будут найдены способы создать мощные и легкие передающие радиостанции для космических кораблей. Поэтому можно думать, что корабль будет в состоянии поддерживать двухстороннюю связь с Землей.

Если же понадобится связь одного корабля с другим, находящимся на таком большом расстоянии, что непосредственно ее установить не удастся (ведь это самый тяжелый случай), то можно будет воспользоваться связью через земную станцию или же через ретрансляционные автоматические станции, которые когда-нибудь начнут свою вечную вахту на космических трассах. Эти станции будут получать слабые сигналы и усиливать их для повторной передачи в пространство. Как видно, гений человека может преодолеть и, казалось бы, непреодолимые препятствия!

Скорее «сдаст» иной раз… сам радиолуч. Ведь даже ему, мчащемуся со скоростью света, придется затратить иногда немало времени, чтобы перекрыть огромные расстояния мирового пространства. Вот то, о чем никогда не должен будет забывать экипаж космического корабля и о чем никогда не задумываются радисты самолетов на Земле!

Курсантам авиашкол наибольшие переживания доставляет, пожалуй, посадка, знаменитые «три точки».

И в межпланетном полете едва ли не самый неприятный момент — посадка, хотя и по другим причинам, чем в авиации. Впрочем, взлет межпланетного корабля тоже по-своему неприятен. Вероятно, немало раз учлетам Школы командиров межпланетных кораблей придется совершать взлеты-посадки с инструктором, пока они получат право на самостоятельный вылет.

Взлет межпланетного корабля… Какая захватывающая картина! Сколько раз человеческая мысль рисовала себе эти волнующие мгновения расставания с родной Землей для гигантского прыжка к далеким мирам! Впрочем, гораздо проще представить себе напряжение последних минут перед стартом корабля, трогательные прощальные приветствия и последние просьбы, вроде передачи приветов общим марсианским знакомым, чем продумать все необходимое для обеспечения удачного старта.

А подумать придется о многом. Здесь и время взлета, и его направление, и скорость, и «программа» дальнейшего полета в земной атмосфере, и расход топлива на взлет, и самочувствие пассажиров, и многое другое.

Наиболее просто решается вопрос о месте взлета межпланетного корабля. К счастью, космопорт может быть расположен почти в любой точке земного шара, так что будущие межпланетные путешественники не должны будут обязательно отправляться к экватору, как это некоторые предлагают. Конечно, расположение точки взлета на экваторе представляет некоторое преимущество в том отношении, что при этом наиболее полно используется скорость вращения Земли вокруг своей оси. При взлете с экватора корабль получает дополнительную скорость — 465 метров в секунду. Чем больше географическая широта точки взлета, то есть чем ближе она к полюсам, тем меньше этот выигрыш, становящийся равным нулю при взлете с полюса. При расположении космопорта в средних широтах — скажем, в районе Москвы — прирост скорости составит примерно 260 метров в секунду. В погоне за остальными 200 метрами вряд ли будет иметь смысл отправляться за тропики, хотя, конечно, взлет с какой-нибудь высокогорной площадки, расположенной на Кавказе или Памире, был бы выгодным во многих отношениях.

Время отлета корабля не должно быть обязательно определено с точностью до секунд, и даже долей секунд, как это иногда пишут, так что и с этим дело обстоит сравнительно просто. Во всяком случае, не будет такой угрозы, что пропущенная для взлета секунда заставит перенести его на следующий день или даже на следующий год. Вместе с тем, конечно, полной свободы выбора в этом отношении тоже не будет. В частности, как уже указывалось в главе 15, полеты по направлению к Солнцу должны начинаться днем, а от Солнца — ночью, причем наивыгоднейшее время будет зависеть от географических координат, времени года, цели и проч.

Гораздо серьезнее вопрос о направлении взлета корабля, подвергнутый тщательному изучению еще Циолковским. Здесь приходится считаться с двумя противоречивыми требованиями. С одной стороны, продолжительность полета в земной атмосфере хотелось бы сделать минимальной, так как это уменьшило бы потери скорости из-за сопротивления воздуха. Для этого целесообразно пересекать атмосферу по кратчайшему пути, то есть осуществлять взлет вертикально. Но, с другой стороны, вертикальный взлет приводит к новым потерям в скорости корабля — под действием силы тяжести (так называемые гравитационные потери). Если корабль взлетает вертикально, то влияние силы притяжения к Земле уменьшает конечную скорость корабля, которую он приобретает в результате работы двигателя. Чем больше время такого подъема и меньше допустимые в полете ускорения, тем сильнее сказывается это тормозящее действие силы тяжести. Ведь если бы ускорение, сообщаемое двигателем кораблю, только равнялось ускорению силы тяжести, то корабль просто повис бы в воздухе, не набирая высоты. Это обстоятельство делает целесообразным горизонтальный взлет, при котором сила тяжести не уменьшает скорости корабля. А это значит, что нет необходимости и увеличивать потребный запас топлива.

Какое же направление все-таки избрать: вертикальное, горизонтальное или наклонное?

Вообще говоря, в каждом конкретном случае можно было бы избрать наивыгоднейший угол наклона линии взлета в зависимости от допустимых в полете ускорений, лобового сопротивления корабля и других факторов. Именно так обычно и рисуют взлет межпланетного корабля — по длинной взлетной дорожке, уходящей на эстакаде высоко в небо. Однако, вероятнее всего, взлет межпланетного корабля будет осуществляться все же не так. Он будет скорее напоминать запуск тяжелых дальних ракет, описанных в главе 6, да и всех других высотных и космических ракет — ведь теперь уже накоплен немалый опыт в этом отношении.

Для взлета корабль будет, вероятно, установлен в вертикальном положении на свои собственные опоры — шасси, снабженные мощными амортизаторами, типа самолетных. Вертикальное положение корабля целесообразнее с точки зрения его прочности. Вдоль оси корабля при взлете или посадке действуют силы, в несколько раз превышающие его собственный вес, так что корабль рассчитан на эти продольные нагрузки. В боковом же направлений и прочность и жесткость корабля, имеющего легкую оболочку, явно недостаточны, он не рассчитан на большие поперечные нагрузки, и потому горизонтальное положение корабля, вероятнее всего, будет нежелательным. К слову сказать, и посадка корабля на планетах, в особенности лишенных атмосферы, будет заведомо производиться тоже в вертикальном направлении, на такое же опорное шасси.

Взлетать корабль будет вертикально и, поднимаясь так же вертикально, прямо в небо, начнет набирать высоту, чтобы как можно скорее пересечь наиболее плотные слои атмосферы, оказывающие наибольшее сопротивление полету. На высоте между 10 и 20 километрами приборы управления полетом корабля отклонят направление полета от вертикального. Корабль начнет полет по криволинейной траектории на восток.

Кстати, об управлении кораблем в полете. Этому вопросу, естественно, уделено много внимания во всех работах по астронавтике, начиная с Циолковского, ибо межпланетный корабль должен быть свободно управляемым в любой момент своего полета. Циолковский не только впервые сформулировал проблему управления межпланетным кораблем, но и предложил решения этой проблемы, к которым в дальнейшем не было добавлено ничего принципиально нового. Некоторые из этих предложений Циолковского уже получили широкое применение в реактивной технике — в частности для дальних управляемых в полете ракет.[111] Для управления при полете в атмосфере корабль будет снабжен, очевидно, воздушными, аэродинамическими рулями, вроде применяемых на самолетах. Однако такие рули не могут, конечно, ничем помочь при полете в безвоздушном пространстве. Мало того: даже при полете в атмосфере они иногда не справляются с задачей. Так бывает, например, в начале взлета, когда скорость корабля еще недостаточна для того, чтобы рули были эффективными, а также при полете в верхних, разреженных слоях атмосферы.

Поэтому корабль будет снабжен наряду с воздушными еще и газовыми рулями, то есть рулями, расположенными в струе газов, вытекающих из двигателя. Поворот газовых рулей отклоняет реактивную струю, создавая боковое усилие, которое изменяет направление полета корабля. В некоторых случаях для этой же цели двигатель устанавливают на ракете так, что он сам может несколько поворачиваться, изменяя направление силы тяги. Этот метод управления принят для ракеты «Авангард» в США. Двигатель первой ступени этой ракеты установлен на шаровом шарнире, как это и предлагал Циолковский, и может поворачиваться примерно на 4–5° в каждую сторону от осевого направления.

Для управления кораблем, летящим в мировом пространстве, такие методы, однако, непригодны, так как включать главный двигатель корабля специально для целей управления не всегда будет целесообразно, а иногда и просто невозможно. Управление в мировом пространстве должно основываться на других принципах. Для этой цели можно, например, установить вспомогательные рулевые жидкостные ракетные двигатели.[112] Можно также использовать то обстоятельство, что летящий корабль не может быть без помощи внешних сил повернут вокруг своего центра тяжести.[113] Если внутри корабля вращать какую-нибудь массу в одну сторону, то корабль сам начнет вращаться в другую. Следовательно, для целей управления можно установить внутри корабля быстро вращающийся диск. С его помощью можно поворачивать корабль в нужном направлении.

Конечно, так можно повернуть корабль только вокруг его центра тяжести. Для изменения направления полета корабля без двигателя не обойтись.

Но вернемся к нашему взлетающему кораблю. Криволинейный полет корабля с работающим двигателем будет продолжаться со все возрастающей скоростью, переходя постепенно почти в горизонтальный. На высоте около 100 километров корабль будет лететь уже под небольшим углом к горизонту, почти горизонтально. Такой облет Земли будет длиться до тех пор, пока скорость корабля станет круговой (около 7,9 километра в секунду). Как только его скорость станет больше круговой, корабль начнет удаляться от Земли.

Продолжительность разгона корабля, то есть его полета с работающим двигателем, будет определяться величиной ускорения при взлете и необходимой скоростью. Очевидно, чем больше ускорение и чем меньше конечная скорость, тем короче будет этот период разгона. О потребной конечной скорости мы уже говорили выше, она должна быть не меньше, чем скорость отрыва, а может быть, и намного больше, если совершается курьерский полет. Наиболее вероятна конечная скорость в диапазоне от скорости отрыва, то есть примерно 11 километров в секунду, до освобождающей скорости, то есть 16,7 километра в секунду.

Что касается ускорения корабля, то должна быть избрана наибольшая возможная величина этого ускорения. Теоретически наивыгоднейшим было бы мгновенное увеличение скорости корабля от нуля до конечной скорости, так как при этом не было бы никаких потерь скорости, связанных с разгоном корабля.[114] Но это, конечно, невозможно. Мало того: ускорения при разгоне корабля должны быть, в общем, весьма небольшими, что связано главным образом с теми инерционными перегрузками, которые может выдержать человек. Правда, не только одно это ограничивает допустимые ускорения при взлете — ограничивает их и прочность корабля; он тоже рассчитывается на определенные инерционные нагрузки, при увеличении которые сильно увеличивается расчетный вес корабля. Кроме того, ускорения ограничиваются и тем, что скорость корабля на малых высотах, в плотном воздухе, не может быть слишком большой из-за опасности перегрева корабля в полете — опасности, которая является главной при посадке корабля.

Однако решающим оказывается влияние инерционных перегрузок, допустимых с точки зрения здоровья пассажиров. Вероятнее всего, в связи с этим будет принята величина ускорения корабля при взлете, равная примерно 40 метрам в секунду за каждую секунду взлета, то есть в 4 раза превышающая ускорение земного тяготения.

Принятая величина ускорения означает, что при вертикальном взлете корабля его скорость будет увеличиваться каждую секунду на 30 метров, а при горизонтальном — на 40 метров в секунду, как это показано на рисунке на стр. 205. Так как вертикальный подъем длится до тех пор, пока корабль не достигает высоты 10–20 километров, то к концу вертикального взлета скорость корабля составит примерно 1 километр в секунду. Такие скорости не представляют еще опасности в отношении нагрева на высотах больше 20 километров. Время вертикального подъема будет равно примерно 35–40 секундам, то есть меньше чем за ¾ минуты корабль будет уже на высоте более 20 километров. Дальнейший разгон будет происходить по криволинейной, все более пологой траектории с увеличением скорости каждую секунду в среднем примерно на 35 метров в секунду.[115] При этом условии конечная скорость, допустим, 11,5 километра в секунду, будет достигнута на пути полета, равном примерно 1600 километрам. Время такого полета составит около 5 минут, а общее время разгона с работающим двигателем — менее 6 минут.

К моменту остановки двигателя, то есть в конце так называемого активного участка траектории, корабль будет находиться на высоте, вероятно, немногим меньше 1000 километров над Землей. Эта высота должна быть учтена при определении необходимой конечной скорости, так как с увеличением расстояния от Земли скорость отрыва уменьшается. На высоте 1000 километров скорость отрыва будет равна уже не 11,2 километра в секунду, а примерно 10,5 километра в секунду, что несколько уменьшает потребное время работы двигателя и соответствующий расход топлива.

Однако этот выигрыш будет, наверное, перекрыт возникающей под действием силы тяжести потерей скорости корабля при взлете. Если считать, что в среднем за все время разгона по этой причине теряется скорость от 2 до 3 метров в секунду, то общая потеря составит 700 — 1000 метров в секунду.

Дополнительное уменьшение скорости будет вызвано сопротивлением, которое оказывает воздух летящему с большой скоростью межпланетному кораблю. Точный подсчет этой потери скорости межпланетного корабля в настоящее время невозможен, несмотря на все успехи науки о полете в воздухе — аэродинамики. Быстрое развитие реактивной авиации привело к необходимости расчета лобового сопротивления самолетов, летящих со скоростью, близкой к скорости звука, и на высотах больше 15 километров. С этой задачей аэродинамика больших скоростей, так называемая газодинамика, справляется уже неплохо. Однако полет межпланетного корабля будет протекать в условиях, сильно отличающихся от полета самых скоростных и высотных современных самолетов. В большей мере здесь подходит опыт, полученный в самые последние годы при испытаниях тяжелых дальних и стратосферных ракет, а в еще большей мере — опыт запуска первых советских искусственных спутников Земли и космической ракеты, но этот опыт еще очень мал.

Межпланетный корабль при взлете проходит через ряд режимов полета, начиная с самых малых скоростей и высот и кончая полетом на огромных высотах, в весьма разреженной атмосфере и с колоссальной, космической скоростью — в десятки тысяч километров в час.

Точные законы сопротивления при полете в таких условиях науке пока неизвестны, хотя эти вопросы подвергаются в настоящее время тщательному теоретическому и экспериментальному исследованию. Ясно, во всяком случае, что сопротивление при таком полете по своей физической сути связано с иными явлениями, чем хорошо изученное обтекание в полете с околозвуковыми скоростями в плотном воздухе. Главное здесь заключается в том, что при полете в плотном воздухе его можно рассматривать как непрерывную, сплошную жидкую среду — так велико число столкновений молекул воздуха с поверхностью летящего тела каждое мгновение. Совсем иначе обстоит дело на огромных высотах, где воздух очень разрежен. В этих условиях летящее тело не обтекается потоком сплошной «жидкости», а бомбардируется дождем изолированных, свободных молекул. Сопротивление при таком свободно-молекулярном обтекании подчиняется совсем иным законам. Кроме того, между этими двумя крайними режимами существуют различные переходные. Наибольшая величина лобового сопротивления будет, как показывает приближенный расчет, соответствовать полету корабля на высоте около 10 километров.

Все это позволяет в настоящее время оценить потерю скорости межпланетным кораблем при взлете, связанную с воздушным сопротивлением, только приближенно. Конечно, эта потеря будет зависеть от формы и размеров корабля. Очевидно, корабль должен будет иметь, по крайней мере при взлете, форму большой крылатой ракеты. Крылья, весьма полезные при взлете в качестве стабилизатора, а также отчасти и в связи с развиваемой ими подъемной силой, оказываются необходимыми при посадке. Вероятно, они будут сделаны стреловидными и, может быть, выдвижными, как на некоторых экспериментальных самолетах. Это позволит изменять площадь поверхности и стреловидность крыльев в зависимости от скорости полета корабля — по мере разгона крылья будут убираться, а их стреловидность увеличиваться.

Различные сферические и другие плохо обтекаемые формы кораблей, которые иной раз предлагаются в связи с отсутствием воздушного сопротивления в мировом пространстве, приведут к недопустимой потере скорости при взлете и потому вряд ли найдут применение.[116]

Чем больше по размерам корабль, тем меньшую относительную потерю скорости при взлете вызовет воздушное сопротивление.

Расчет, произведенный для стратосферной ракеты весом 50 тонн, показал, что скорость ракеты к концу активного участка траектории, то есть к моменту конца разгона ракеты двигателем, уменьшается за счет воздушного сопротивления примерно на 5 процентов. Поэтому можно думать, что для тяжелых межпланетных кораблей, основная часть траектории полета которых пролегает в верхних, самых разреженных слоях атмосферы, потеря будет не больше этой, а даже меньше. Вряд ли мы сильно ошибемся, если предположим, что потеря скорости межпланетного корабля при взлете из-за сопротивления атмосферы не превысит 3 процентов, то есть составит примерно 300 метров в секунду.[117]

Общая потеря скорости межпланетного корабля при взлете с Земли будет равна сумме обеих потерь, вызываемых действием земного тяготения и воздушным сопротивлением. Величина этой потери зависит от весьма многих факторов, но она, вероятно, будет близкой к 1000–1500 метрам в секунду. Эта скорость должна быть прибавлена к необходимой конечной скорости корабля в конце активного участка траектории, чтобы получить величину идеальной скорости, по которой должен быть подсчитан запас топлива на корабле. Следовательно, в наилучшем случае, когда должна быть получена только скорость отрыва, которую, как мы видели выше, можно принять равной 10,5 километра в секунду, идеальная скорость равна 11,5 — 12 километрам в секунду.

Для посадки межпланетного корабля на Луну или другое небесное тело, не обладающее атмосферой, но имеющее собственное поле тяготения, нужно погасить скорость корабля относительно этого тела торможением с помощью двигателя.

На строго определенном, заранее рассчитанном расстоянии от поверхности небесного тела нужно включить двигатель корабля, для того чтобы сила реакции струи вытекающих из него газов постепенно снизила скорость корабля до нуля. Если торможение начнется слишком рано, на большом расстоянии от посадочной площадки, то это приведет к значительному перерасходу топлива. Теоретически было бы выгодно погасить всю скорость корабля сразу, чтобы корабль внезапно остановился у самой поверхности планеты, но это, конечно, невозможно, и поэтому при торможении также должны быть использованы максимально допустимые инерционные перегрузки.

Если планета обладает атмосферой, хотя бы даже разреженной, то значительная часть общего торможения корабля при посадке может быть осуществлена путем использования сопротивления, которое оказывает эта атмосфера летящему кораблю. Разреженность атмосферы не служит большим препятствием, ибо торможение происходит на значительных высотах, где давление все равно невелико. Так, например, атмосфера Марса намного разреженней земной, и давление у поверхности Марса соответствует земному давлению на высоте 15–16 километров. Но уже на высоте примерно 28–30 километров давления в марсианской и земной атмосферах одинаковы, а на еще больших высотах давление в атмосфере Марса становится даже больше земного. Поэтому торможение в атмосфере при посадке на Марс вполне возможно. Таким образом может быть сэкономлено значительное количество топлива, но…

Но такая посадка — это в буквальном смысле слова игра с огнем, ибо незначительная ошибка в расчете, ошибка пилота — и корабль может вспыхнуть ярким факелом, так что в лучшем случае поверхности планеты достигнут обугленные и оплавленные остатки того, что было кораблем Вселенной. Судьба метеоров, как говорят, «сгорающих» в атмосфере, то есть разрушающихся в ней под ударами молекул воздуха, встанет грозным призраком перед командиром межпланетного корабля, осмелившимся на риск подобной посадки.[118] И все же возможность такой посадки нельзя не использовать. Точные знания науки в сочетании с безошибочным автоматическим управлением должны сделать эту посадку абсолютно безопасной.

С явлением нагрева в полете приходится считаться уже сейчас в скоростной авиации. Этот нагрев происходит в результате того, что мчащийся с большой скоростью самолет набегает на неподвижный воздух и сжимает его. Эффект получается такой же, как если бы поток воздуха с большой скоростью набегал на неподвижную поверхность и внезапно останавливался, тормозился этой поверхностью. Кинетическая энергия воздушного потока при таком торможении переходит в тепло, которое подводится к поверхности самолета, увеличивая ее температуру. При малых скоростях полета нагрев практически отсутствует — как известно, кабины самолетов приходится даже искусственно обогревать, потому что на больших высотах царит сильный мороз. По мере роста скорости аэродинамический нагрев самолета становится все бóльшим[119] наконец он не только устраняет необходимость в отоплении кабины, но становится столь значительным, что приходится скорее думать о ее охлаждении.

Уже сейчас в кабинах скоростных реактивных самолетов в некоторых случаях температура поднимается до 100° и более.

Тут, очевидно, уже никакой тренировкой делу не поможешь. Проблема охлаждения кабины летчика становится очень грозной.

Нагрев самолета при полете в воздухе заставляет подумать не только о летчике, но и о самом самолете. Как известно, самолеты строятся из легких и прочных сплавов алюминия и магния. Но прочность таких сплавов очень быстро уменьшается с ростом их температуры. Применять нагруженные детали из этих сплавов можно только до сравнительно невысоких температур, не превышающих примерно 200°. Поэтому дальнейшее увеличение скорости полета с соответствующим увеличением нагрева самолета может заставить отказаться от применяющихся теперь в самолетостроении легких сплавов и перейти на другие, более жаропрочные, но, увы, и более тяжелые материалы.

Вот почему на новейших скоростных самолетах начинают все шире применяться сплавы титана, легкие и сохраняющие прочность при гораздо более высоких температурах. Не зря титан называют иногда металлом будущего в авиации. Вот почему некоторые новейшие самолеты построены из нержавеющей стали. Вот почему в кабинах некоторых из таких самолетов установлены рефрижераторные, холодильные, установки для охлаждения летчика, а заодно и важнейших частей самолета. Подобные установки мало похожи на комнатные холодильники. Их холодопроизводительность достаточна, чтобы охладить в жаркий день средних размеров театр, создав в нем приятную прохладу.[120]

Но, конечно, такие меры не являются радикальными, ибо это не борьба с аэродинамическим нагревом самолета в полете, а приспособление к нему. Грядущее увеличение скорости полета может сделать все эти меры несостоятельными. Ведь уже сейчас в полете стратосферных ракет достигаются температуры во многие сотни градусов. Так, дальняя ракета, о которой мы говорили в главе 6, на нисходящей ветви траектории своего полета нагревается до 700°.[121]

Совершенно очевидным становится единственно возможный путь устранения перегрева самолета в полете — этот путь, по существу, во многом определяет направление дальнейшего развития авиации. Он заключается в увеличении высотности самолетов. Летать быстро можно только на большой высоте, и чем быстрее, тем, вообще говоря, выше. На больших высотах воздух разрежен. Это уменьшает его сопротивление и, значит, потребную мощность двигателя, которая при полетах с большой скоростью у Земли могла бы стать несоразмерно большой. Вместе с тем на больших высотах нагрев самолета уменьшается. Разреженный воздух сообщает ему меньше тепла, а излучение его самолетом в окружающее пространство увеличивается, поэтому температура поверхности самолета снижается. При космических скоростях полет должен совершаться на очень больших высотах, чтобы не было перегрева. Вероятно, полностью эта опасность будет исключена на высотах порядка 100 километров. Именно на этих высотах появляются обычно вспышки метеоров. Холодные небесные камни врываются в атмосферу со скоростью в десятки тысяч километров в час. В результате аэродинамического нагрева камни сильно раскаляются и в большинстве случаев испаряются, превращаясь в раскаленный, светящийся сгусток газов и паров, который мы и видим как «падающую звезду». Точнее говоря, светится главным образом подушка уплотненного и раскаленного воздуха, мчащаяся перед метеором. Температура в ней достигает 200 000°, давление — сотен атмосфер. Только наиболее крупные метеориты, или же обладающие меньшей скоростью, достигают поверхности Земли. Поэтому так сравнительно редки случаи падения на Землю метеоритов, в колоссальном количестве врывающихся ежедневно в земную атмосферу.

Кстати сказать, если до последнего времени метеоритами интересовались только астрономы, работающие в области метеоритики, то теперь они привлекают большой интерес специалистов по ракетной технике и астронавтике. Это неудивительно, ведь метеориты — единственные пока «космические корабли», совершившие «посадку» на Землю. И нужно сказать, что в общем эта посадка происходит довольно благополучно. Как установлено специальными исследованиями, железные метеориты теряют сравнительно небольшую массу на испарение, да и прогрев их оказался неожиданно малым, всего на глубину нескольких миллиметров, хотя поверхность метеорита нагревается до нескольких тысяч градусов и оплавляется. Чем это объясняется? Может быть, секрет заключается в специфической структуре, то есть строении, железных метеоритов? Не зря этим так интересуются сейчас металлурги, которым предстоит создавать сплавы для ракет и космических кораблей.

Технику посадки корабля на Землю можно представить себе следующим образом, хотя, конечно, окончательная разработка этой проблемы может быть сделана только после получения гораздо большего опыта полета самолетов и ракет в верхних слоях атмосферы. Корабль должен приближаться к Земле под малым углом к ней, чтобы поле земного тяготения вначале мало сказывалось на его скорости. Вот почему посадка, как указывалось в предыдущей главе, должна напоминать горизонтальный выстрел из пушки. Затем включается двигатель, и скорость корабля в результате торможения его реактивной струей постепенно снижается. В связи с уменьшением скорости корабля траектория его становится более крутой, и двигатель выключается. Этому может соответствовать высота порядка 50 — 100 километров. Дальнейший спуск происходит с использованием аэродинамического торможения, в чем большую роль играют крылья корабля. Дополнительное увеличение тормозящего эффекта может быть получено с помощью аэродинамических тормозов, широко применяющихся в авиации закрылков, и т. п. Могут быть применены и специальные парашюты для торможения, которые уже применяются в авиации.

Когда скорость корабля уменьшится до 100–150 метров в секунду, он начинает вертикальный спуск на парашюте, кормой вперед, причем скорость снижения постепенно падает до 10–15 метров в секунду. Вблизи Земли летчик корабля на короткое мгновение снова включает двигатель, последний толчок, гасящий остатки скорости, — и корабль тихо и плавно садится на амортизированные опоры.

Вместо первоначального гашения скорости корабля при приближении к Земле с помощью двигателя можно и его осуществить, используя сопротивление атмосферы, как было предложено еще Циолковским, а затем Кондратюком, Цандером и другими. Для этой цели корабль должен совершать многочисленные полеты вокруг Земли по все укорачивающимся эллиптическим орбитам. Пролетая вблизи Земли, он будет постепенно гасить свою скорость в результате сопротивления атмосферы. Для необходимого снижения скорости должно быть сделано много таких кругосветных облетов, и хотя они не связаны с расходом топлива, но опасны и утомительны. Может оказаться, что одним только аэродинамическим торможением вообще нельзя будет ограничиться, в особенности в первое время, из-за нагрева, который может привести к расплавлению металлических стенок корабля.

Вероятно, целесообразнее будет при посадке на Землю примерно половину всей скорости корабля погасить с помощью двигателя, а остальную половину — в результате аэродинамического торможения. Реально будет, в особенности на первое время, если мы увеличим идеальную скорость межпланетного корабля при взлете с Земли на 5–6 километров в секунду, имея в виду обратную посадку, то есть, попросту говоря, возьмем с собой соответственно больше топлива.

Эта затрата топлива будет сведена к минимуму, когда в будущем — по мере развития науки, изучения явлений теплопередачи в условиях полета межпланетного корабля в верхних слоях атмосферы, получения более жаропрочных конструкционных материалов и усовершенствования систем охлаждения — можно будет осуществить всё или почти всё торможение корабля только за счет аэродинамического сопротивления. При этом не будет необходимости строить весь корабль из особо жаропрочных материалов. Достаточно будет изготовить из этих материалов только определенные участки поверхности крыла.

Для такой посадки корабль должен иметь совершенные аэродинамические формы, что возможно будет осуществить, вероятно, только при использовании идеи Кондратюка о посадочном планере. По этой идее межпланетный корабль при приближении к Земле освобождается от всех ставших ненужными частей конструкции, превращаясь в небольшой посадочный планер, имеющий кабину для экипажа, крыло и органы управления. Возможно, что рациональной окажется посадка корабля на поверхность какого-нибудь большого водоема.

Конечно, при конструктивной разработке посадочного планера будут использованы все достижения, которые к тому времени накопит авиация. В частности, не исключена посадка планера на тяжелый самолет-носитель, как это уже осуществляется в авиации для легких самолетов-истребителей, которые могут в полете отделяться от несущих тяжелых самолетов-бомбардировщиков и снова совершать «посадку» на них. Точно так же может быть использован опыт создания самолетов вертикального взлета и посадки; в настоящее время уже разработано немало опытных самолетов подобного рода, и этой проблеме уделяется большое внимание.

Есть все основания считать, что командир межпланетного корабля, приближающегося к Земле, сможет обеспечить его посадку в любом заданном пункте земной поверхности. Значит, корабли смогут взлетать и садиться в подмосковном космопорте с таким же успехом, как и самолеты во Внуковском аэропорте. Все-таки приятно знать, что после «поездки» на Марс окажешься у самого дома и специальным экспедициям не придется разыскивать тебя по всему земному шару.

Тройной прыжок… Одно из самых красивых легкоатлетических упражнений, в котором сочетаются сила, ловкость, изящество, точный расчет.

Вот прыгун разбегается по сорокаметровой дорожке. Толчок от деревянного бруска — и спортсмен уже в воздухе. Но это не просто прыжок в длину. Коснувшись земли, прыгун снова отталкивается от нее. Используя накопленную скорость, он как бы летит в воздухе, перебирая ногами, взмахивая руками, весь вытянувшись вперед, как птица. И снова, уже в третий раз, взвивается спортсмен в воздух. Третий, заключительный прыжок — рекорд поставлен!

Но какое все это имеет отношение к астронавтике? Уж не является ли тройной прыжок, чего доброго, лучшим видом спортивной тренировки для будущих астронавтов в соответствии с новейшими достижениями науки о межпланетном полете?

Нет, дело совсем в другом. Мысль о тройном прыжке действительно приходит в голову в связи с некоторыми последними достижениями астронавтики, но речь здесь идет совсем не о спортивной подготовке будущих экипажей межпланетных кораблей.

Выше уже не раз указывалось, что наиболее выгодный межпланетный полет — это полет ступенчатый, с пополнением запаса топлива в пути, для чего могут быть использованы естественные или искусственные спутники планет. Легко понять, почему это так. Ведь если сразу взять на корабль все необходимое топливо, то большую часть его придется израсходовать на само это топливо, на его разгон или торможение. Другое дело, если «лишнего» топлива на корабле не будет.

Выгодность такого ступенчатого метода полета можно оценить на примере полета все на тот же Марс.

Пусть сначала наш корабль, стартующий с Земли в далекий путь к Марсу, имеет на борту весь запас топлива, необходимый для осуществления этого полета. Примем, что идеальная скорость для полета с Земли на Марс, посадки на нем и возвращения на Землю составляет 45 километров в секунду. При скорости истечения газов из двигателя 4 километра в секунду, которую можно рассчитывать получить в течение ближайшего десятилетия, необходимое отношение масс корабля (взлетной массы к массе корабля после выработки всего топлива) должно равняться в соответствии с формулой Циолковского примерно 76 тысячам. Это значит, что на тонну веса самого корабля при взлете должно приходиться примерно 76 тысяч тонн топлива. Конечно, построить такой корабль нельзя. Максимально возможное значение отношения масс для многоступенчатого корабля можно принять, вероятно, не больше 150. Значит, такой полет на Марс неосуществим.

Облегчим теперь задачу, допустив, что на Марсе имеется поселение людей и организовано производство ракетного топлива. Это значит, что идеальная скорость корабля при взлете с Земли должна теперь быть примерно вдвое меньшей. При этом отношение масс корабля при взлете с Земли будет уже равным только 275, да при взлете с Марса в обратный путь на Землю столько же, то есть всего 550. Вместо 76 тысяч тонн топлива на тонну веса корабля — всего 550. Вот какой огромный скачок!

А теперь попробуем использовать для заправки топливом не только Землю и Марс, но и их спутники — Луну и Деймос. Наш корабль совершит при этом как бы тройной прыжок в мировое пространство — с Земли на Луну, потом на Деймос и только затем уже на Марс.

Можно принять для расчета следующие значения идеальной скорости: для полета с Земли на Луну и обратно — по 16 километров в секунду; для полета с Луны на Деймос и обратно — по 9 километров в секунду; для полета с Деймоса на Марс и обратно — по 6 километров в секунду. При все той же скорости истечения, равной 4 километрам в секунду, это потребует следующих значений отношения масс корабля: для полета с Земли на Луну — 55; для полета с Луны на Деймос — 9,5; для полета с Деймоса на Марс — 4,5; или всего на весь полет

Это значит, что всего будет израсходовано на полет 137 тонн топлива на 1 тонну веса корабля, причем одновременно на корабле должно быть запасено не более 54 тонн из этих 137.

Такой полет осуществим, хотя он и не прост, причем если бы иметь вместо массивной Луны небольшой искусственный спутник Земли, то эффект был бы еще более разительным. Вот какое преимущество дает тройной прыжок в Космос! Но это еще не все.

Вся космическая трасса разбивается при таком полете на три участка: полет в поле тяготения Земли, полет в поле тяготения Марса и связывающий эти два участка полет в поле солнечного тяготения — основной по продолжительности и дальности.

Условия полета корабля на каждом из этих участков оказываются различными. И легко видеть из-за чего. Конечно, все дело в силе тяжести.

Корабль, летящий на обоих крайних участках трассы, то есть совершающий взлет или посадку на Земле или другой планете, вынужден преодолевать мощное притяжение к ней. Другое дело — корабль, летящий на основном, среднем участке трассы. На такой корабль действует только притяжение к Солнцу. Но вследствие большого расстояния от Солнца притяжение к нему гораздо меньше, чем притяжение к любой планете вблизи ее поверхности. Вблизи Земли, например, притяжение к Солнцу меньше, чем притяжение к Земле, в 1650 раз.

Однако кораблю далеко не безразлично, какую силу тяжести ему приходится преодолевать, — от этого зависит и то, какой двигатель должен быть установлен на корабле, и сама конструкция корабля, и даже его внешний вид. Корабль, летящий на крайних участках космической трассы, должен был бы сильно отличаться от корабля, совершающего полеты на среднем участке этой трассы.

Но возможно ли, чтобы межпланетный корабль в полете менял свой вид, становился совершенно другим?

Нет, конечно, сделать это вряд ли возможно. Зато можно заставить летать на разных участках трассы не один и тот же, а разные корабли. В этом случае межпланетные путешественники должны будут совершать в пути две пересадки, причем для них наиболее целесообразно использовать межпланетные станции — искусственные спутники Земли и планет, как это и предлагал Циолковский.

На одном корабле пассажиры взлетят с Земли, затем на спутнике пересядут на другой корабль, совершающий рейсы между этим спутником и спутником Марса, например, а оттуда уже третий корабль доставит их на самый Марс. Не правда ли, подобное путешествие будет еще более похоже на тройной прыжок, совершаемый межпланетными путешественниками в мировом пространстве?

Такой метод осуществления межпланетного полета открывает совершенно новые и замечательные возможности, помимо уже отмечавшихся выше преимуществ использования искусственных спутников. Эти возможности таятся в особенностях полета на среднем участке космической трассы, в поле одного только солнечного тяготения.

Если корабль, взлетающий с Земли, должен иметь мощный двигатель и быть очень прочным и, значит, тяжелым, то корабль, совершающий рейсы между искусственными спутниками, может быть легким и иметь двигатель, развивающий очень небольшую тягу.

Понятно, почему это так. Ведь двигатель корабля, взлетающего с Земли, должен развивать такую тягу, чтобы ускорение корабля по крайней мере в 3–4 раза превышало ускорение силы тяжести на Земле. Но это значит, что тяга двигателя должна по крайней мере настолько же превосходить вес корабля. Если корабль весит при взлете, например, 500 тонн, что для межпланетного корабля вовсе не так много, то его двигатель при взлете должен развивать тягу более 2000 тонн. Естественно, что двигатели такой огромной тяги должны иметь большие размеры и вес.

Чем больше и тяжелее двигатель, тем больше и тяжелее сам корабль. Но не только поэтому корабль, взлетающий с Земли, неизбежно получается очень тяжелым. Результатом огромных ускорений при взлете корабля с Земли являются большие силы инерции, действующие на корабль. Чтобы выдержать эти инерционные перегрузки, корабль должен быть прочным и, значит, массивным, тяжелым.

Иная судьба у корабля, совершающего хоть и длительные, но легкие «прогулки» между спутниками на среднем участке трассы. Солнце притягивает его с небольшой силой, и преодолеть ее не так уж трудно. Двигатель корабля может иметь поэтому небольшую тягу, а сам корабль, не нагруженный большими силами инерции, может быть очень легким. Форма такого корабля, не совершающего полет в земной атмосфере, может быть избрана любой. Это, в частности, значительно упростит задачу создания искусственной тяжести на корабле, которая, вероятно, окажется необходимой именно на среднем участке трассы, как самом продолжительном.

Но если двигатель корабля, совершающего рейсы между орбитами искусственных спутников, должен иметь очень небольшую тягу и работать в течение длительного времени (чтобы значительно увеличить скорость корабля при малом ускорении), то невольно напрашивается мысль, нельзя ли в этом случае применить какой-нибудь другой реактивный двигатель вместо жидкостного ракетного. Ведь жидкостный ракетный двигатель тем именно и характерен, что способен развивать огромную тягу в течение сравнительно короткого времени, что и делает его особенно подходящим для кораблей, совершающих полет вблизи планет. Здесь же условия совсем иные, поэтому и свойства двигателя должны быть другими.

Еще Циолковский рассматривал различные возможные двигатели для этой цели. Ряд предложений появился и после Циолковского, но обычно все они отвергались, так как подобные двигатели не годились для полета вблизи Земли. Тройной прыжок, как мы видим, открывает широкие возможности в этом направлении.

Прежде всего возникает мысль, нельзя ли использовать для полета межорбитного корабля силу давления солнечных лучей? Существование этого давления было экспериментально подтверждено русским физиком П. Н. Лебедевым еще в 1900 году. Для того чтобы установить наличие такого давления и измерить его величину, Лебедеву пришлось осуществить тончайший эксперимент, поразивший даже тех, кто знал выдающиеся способности Лебедева как блестящего экспериментатора. Тонкость этого эксперимента связана с очень малой силой светового давления. Солнечные лучи давят, например, на пластинку, поставленную поперек их распространения на таком расстоянии от Солнца, как и Земля, с силой, равной примерно полкилограмма на квадратный… километр! Это очень малая сила,[122] но все же она играет большую роль в природе. Световое давление отворачивает от Солнца хвосты комет; оно же, как предполагают, имеет важное значение в жизни звезд, в частности ограничивая их максимальный размер.

Расчеты, связанные с использованием давления солнечных лучей для передвижения межпланетных кораблей в поле солнечного тяготения, были произведены Цандером. Используя тончайшие пластинки металла, можно снабдить корабли зеркалами огромной поверхности, отражающими солнечные лучи. Толщина этих листов металла может составлять тысячные доли миллиметра. Зеркало из тончайших, допустим алюминиевых пластинок, укрепленных на проволочном каркасе, может быть очень легким. По расчетам Цандера, при поверхности в 0,1 квадратного километра вес зеркала составит примерно 300 килограммов. Однако такое зеркало создаст силу всего в 50 граммов. Под действием этой силы скорость корабля весом 50 тонн (на Земле) будет увеличиваться каждую секунду всего на одну сотую миллиметра в секунду. Нет, очевидно, давление солнечных лучей неспособно разогнать межпланетный корабль даже в поле одного только солнечного тяготения.

Но если солнечные лучи, падающие на корабль извне, неспособны решить эту задачу, то, может быть, ее можно решить, используя давление световых лучей, которые будет испускать сам корабль? Если установить, скажем, на корабле мощный прожектор, то пучок света, отбрасываемый им, создаст реакцию точно так же, как оказывает давление пучок солнечных лучей, падающий на зеркало. Однако и эта реакция слишком мала, чтобы можно было создать световую ракету. Чтобы увеличить силу реакции светового пучка, нужно нагреть поверхность, излучающую этот пучок, до температуры в миллионы градусов. А это, конечно, невозможно.

Правда, для излучения света не обязательно должна иметься нагретая поверхность, существуют и другие методы получения светового излучения. Известна, например, так называемая хемилюминесценция — явление излучения света, сопровождающее некоторые химические реакции. При этом в световую энергию преобразовывается непосредственно химическая энергия вещества, а не тепловая энергия, как при обычном тепловом излучении. Однако до настоящего времени неизвестны химические реакции, которые сопровождались бы излучением световой энергии нужной нам интенсивности.

Наука знает, правда, и метод получения светового излучения огромной интенсивности без участия тепловой энергии. Это световое излучение связано с некоторыми ядерными превращениями вещества. Известно, например, что работающий атомный котел является мощным источником так называемого гамма-излучения, которое представляет собой такое же электромагнитное излучение, как и свет, но только с гораздо меньшей длиной волны, то есть более жесткое. Другой пример связан с явлением так называемой «аннигиляции» (этот термин, означающий буквально «уничтожение», не очень удачен), происходящим, например, при столкновении обычного отрицательного электрона с положительным (позитроном). В результате такого столкновения обе эти элементарные частицы исчезают, излучая два кванта света — фотоны большой интенсивности. Принципиально возможен такой же процесс «аннигиляции» более массивных частиц, при котором интенсивность светового излучения будет соответственно большей. Можно представить себе пока еще не существующий ядерный реактор, в котором будет происходить упомянутый выше процесс «аннигиляции» массивных частиц с соответствующим излучением огромных световых потоков. Это, правда, только принципиальная схема, далекая от практического осуществления. Когда эти процессы будут открыты и осуществлены, появится реальная возможность создания ракетного двигателя, в котором тяговая сила будет создаваться мощным потоком излучаемых в одном направлении фотонов.

Такая, как ее называют, фотонная ракета представит идеальные возможности для осуществления сверхдальних космических полетов, полетов к звездам. Тяга, создаваемая фотонной ракетой, будет относительно небольшой, но для полетов в межзвездном пространстве, вдалеке от массивных небесных тел, большая тяга и не понадобится. Однако это пока еще весьма отдаленная перспектива астронавтики, дело довольно далекого будущего. Приходится признать, что для создания реактивной тяги, движущей межпланетный корабль, пока еще нужно обязательно отбрасывать вещество. Излучение обладает для этого слишком малой массой.

В обычном жидкостном ракетном двигателе, как мы знаем, отбрасываемым веществом являются молекулы газов, продуктов сгорания топлива. Чтобы газы вытекали с большой скоростью, в двигателе должно быть создано высокое давление. Количество газов, вытекающих каждую секунду, должно быть большим, иначе тяга будет невелика.

Но двигатель межорбитного корабля должен развивать, как мы видели, небольшую тягу. Это позволяет использовать такой двигатель, в котором происходит отброс гораздо меньшей массы, чем в жидкостном ракетном двигателе, но зато с гораздо большей скоростью. Чтобы заставить вытекать из двигателя вещество с большой скоростью, можно воспользоваться вместо силы давления электрическими силами.

Можно, повидимому, использовать так называемую атомную псевдоракету, то есть силу реакции продуктов атомного распада, вытекающих из двигателя. Понятно, что осколки атомных ядер, вылетающих из такого двигателя, будут обладать огромной скоростью.

Другим из возможных реактивных двигателей этого рода является электронный или ионный двигатель. В этом двигателе реактивная тяга создается в результате истечения из него частиц вещества, имеющих электрический заряд, — электронов или ионов. Эти частицы разгоняются до большой скорости с помощью действующих на них электрических и магнитных полей.

Такой разгон электрически заряженных частиц широко применяется в технике. Достаточно указать на обыкновенный электрический ток, текущий по проводникам. Иногда в специальных лабораторных установках (так называемых ускорителях, например, циклотронах и др.) удается разгонять электрически заряженные частицы до огромных скоростей — в десятки и даже сотни тысяч километров в секунду.

Идея электрического ракетного двигателя не является новой, она принадлежит Константину Эдуардовичу Циолковскому и высказана им в 1911 году.

В своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованной в 1911 году в журнале «Вестник воздухоплавания», Константин Эдуардович писал:

«Может быть, с помощью электричества можно будет со временем придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам. И сейчас известно, что катодные лучи в трубке Крукса, как и лучи радия, сопровождаются потоком электронов, масса каждого из которых, как мы говорили, в 4000 раз меньше массы атома гелия, а скорость достигает 30 — 100 тысяч километров в секунду, то есть она в 6 — 20 тысяч раз больше скорости обыкновенных продуктов горения, вылетающих из нашей реактивной трубы».

Рассматривалась эта идея электрического ракетного двигателя позднее и в трудах других основоположников астронавтики — француза Эно Пельтри, румына Оберта и др.

В настоящее время устройство электрического (ионного) двигателя можно представить себе следующим образом. На межпланетном корабле устанавливается мощный генератор электрического тока — динамо-машина. Энергия, необходимая для привода этого генератора, может быть получена с помощью атомной силовой установки или же за счет улавливаемой энергии Солнца.

Электрический ток, вырабатываемый генератором, используется для зарядки пластин гигантского конденсатора, представляющих собой, например, плоские тонкие проволочные сетки. В результате этого между пластинами конденсатора создается разность электрических потенциалов, которая и разгоняет электрически заряженные частицы вещества — ионы.

В специальной ионизационной камере от обычных молекул отрываются электроны, и таким образом получаются положительно заряженные частицы — ионы. Предлагается, например, для получения ионов пропускать пары цезия или рубидия через раскаленную платиновую сетку (журнал «Флайт», март 1959 г., и др.). При этом атомы этих металлов будут превращаться в ионы. Затем образовавшиеся ионы пропускаются между пластинами конденсатора и вытекают наружу с большой скоростью, например, равной 100 километрам в секунду или даже более. При таком истечении и создается реактивная тяга, необходимая для полета корабля.

Можно представить себе ионный ракетный двигатель и в виде приспособленного для установки на ракете ускорителя заряженных частиц. Подобные ускорители давно уже поставлены на вооружение ядерной физики, с их помощью ученые разгадывают тайны строения атомных ядер.

В спиральном канале-трубопроводе такого ускорителя частицы будут разгоняться до огромных скоростей, а затем выпускаться через прямой участок трубы наружу. При этом будет возникать необходимая для полета корабля реактивная тяга. Недостатком подобного метода является, однако, малое число излучаемых частиц и, следовательно, малая величина тяги. Правда, развитие ионных двигателей такого рода могло бы в значительной мере устранить этот недостаток.

В частности, по одному из проектов ионный двигатель должен быть создан на принципе линейного ускорителя заряженных частиц, в котором эти частицы движутся только по прямым траекториям. В двигатель вводятся распыленные частицы рабочего вещества или же это вещество в виде газа. Под действием электронов, бомбардирующих частицы, они ионизируются, то есть превращаются в ионы. Те частицы, которые не стали ионами, отсасываются специальным вакуум-насосом, а ионы, имеющие положительный электрический заряд, проходят через ускоритель, где с помощью импульсов тока высокого напряжения разгоняются до больших скоростей. Вытекающий из двигателя поток ионов и создает реактивную тягу. Электроны, образовавшиеся при ионизации частиц, также выбрасываются из двигателя в том же направлении с помощью специальной «электронной пушки». Это необходимо для того, чтобы двигатель и ракета не заряжались в результате истечения ионов.

Конечно, ионы в таком двигателе разгоняются до несравненно меньших скоростей, чем в ускорителях элементарных частиц, — здесь нет необходимости в подобных скоростях. Все же скорость истечения ионов может быть гораздо больше, чем из обычных жидкостных ракетных двигателей. В этом несомненное преимущество ионных межорбитных кораблей.

Но ни на минуту нельзя забывать и о недостатках ионных двигателей, связанных, главным образом, с требованиями, которые предъявляются к электрическим силовым установкам ионных ракет. Эти установки должны генерировать электрический ток очень большой силы, а их мощность при сколько-нибудь значительной тяге двигателя становится колоссальной. Так, если ионный двигатель рассчитан на такую тягу, какую развивают двигатели современных реактивных самолетов, то его мощность будет большей, чем самой крупной из существующих гигантских гидроэлектростанций! Вот почему ионные двигатели могут быть применены лишь в тех случаях, когда их тяга невелика, как, например, в случае межорбитных космических кораблей.

Вот как может выглядеть проект экспедиции на Марс, совершаемой по методу тройного прыжка с использованием ионных ракет. Вся экспедиция совершается на 10 ионных межпланетных кораблях, которые собираются на искусственных спутниках Земли из частей, доставляемых на грузовых ракетах с Земли. Для доставки этих частей и экипажа кораблей используется целый флот из 50 грузовых трехступенчатых ракет, которым придется совершить около 1000 полетов. Каждая ракета весит при взлете примерно 6500 тонн; две первые ступени каждой ракеты возвращаются на Землю на парашютах, третья — в планирующем полете, для чего она делается крылатой.

Вес каждого межорбитного ионного корабля, на котором астронавты достигнут орбиты Марса, будет больше 3500 тонн. На трех небольших кораблях, весом по 200 тонн, 50 человек смогут совершить посадку на Марс. Один из этих трех кораблей останется на Марсе, а на двух остальных счастливчики, побывавшие на Марсе, возвратятся ко всей межпланетной армаде, поджидающей их на орбите у Марса. Три межпланетных ионных корабля вместе с двумя посадочными останутся на орбите у Марса, превратившись в искусственных спутников Марса, а на семи остальных кораблях участники экспедиции возвратятся на орбиту искусственного спутника Земли, откуда с помощью ракет будут доставлены на Землю.

По расчетам, вся эта экспедиция продлится около трех лет и потребует, конечно, больших средств. Так, например, на операции по снабжению, то есть на полеты грузовых ракет, придется затратить около 5 миллионов тонн топлива, а на полет межпланетных ионных кораблей — примерно 40 тысяч тонн.

Этот же автор (проект принадлежит Брауну) предложил затем более простой план организации экспедиции на Марс, требующий значительно меньших затрат. По новому проекту экспедиция состоит уже только из 12 человек, из которых 9 человек совершают посадку на планету. На орбите у Земли, в Космосе, собираются два межпланетных ионных корабля, один — с пассажирами, другой — с грузом, в том числе с небольшим кораблем, на котором будет совершена посадка на Марс. Вес каждого из этих кораблей при отлете с земной орбиты — 1700 тонн. Для переброски всего необходимого на орбиту у Земли, на которой будут строиться и снаряжаться межпланетные корабли, на этот раз понадобится 335 полетов трехступенчатых ракет взлетным весом 1280 тонн, имеющих на борту 10 тонн полезной нагрузки. Общий расход топлива на эту «упрощенную» экспедицию составит 445 тысяч тонн. История уже знает воздушные операции, потребовавшие больших затрат топлива для самолетов.

Для того чтобы можно было организовать подобную экспедицию, нужны еще годы (если не десятилетия) настойчивых исследований, нужна совместная работа многих ученых, конструкторов, инженеров, рабочих, должны быть решены сложнейшие научно-технические задачи. Но зато как велико будет значение этой победы, одержанной людьми в борьбе с природой!

Какие трудности и опасности ждут будущих межпланетных путешественников, оказавшихся с глазу на глаз с мировым пространством? Сможет ли человек выдержать все испытания межпланетного полета?

Ответ на эти вопросы может оказаться решающим для будущего астронавтики.

В настоящее время еще нельзя со всей определенностью дать такой ответ — для этого потребуются многочисленные и разнообразные исследования в лабораториях ученых и при экспериментальных полетах высотных ракет. Как и при решении других физиологических проблем, вначале эти исследования будут произведены на животных.

Уже сейчас ведутся такие исследования. Животные не раз помещались на высотных исследовательских ракетах; у нас в стране собачки совершали полеты на высоту до 450 километров. Совершенно исключительное значение имеет исторический полет первого космического путешественника — Лайки на советском искусственном спутнике Земли. Эти опыты подготовляют проникновение человека в Космос.

Мы можем пока лишь предварительно оценить опасности межпланетного путешествия, основываясь на имеющихся знаниях в различных областях науки. К счастью, предварительная оценка, как мы увидим ниже, не дает пока оснований считать, что осуществление межпланетного полета окажется невозможным из-за того, что человек не сможет его перенести. Хотя различные опасности, которые ждут человека в межпланетном пространстве, и являются серьезными, вероятно, их можно избежать. К такому выводу пришел и Циолковский, впервые рассматривая различные опасности межпланетного путешествия. Новейшие исследования подтверждают этот вывод основоположника астронавтики.

Мировое пространство будет во всем враждебно человеку, осмелившемуся проникнуть в него. Какие только опасности и трудности не ждут путешественника в этом безграничном «океане»! Полное отсутствие воздуха, жесточайший холод и палящие лучи Солнца, вредные, а то и смертоносные лучи, бескрайные пространства и многомесячный полет, столкновение с небесными камнями, полное исчезновение тяжести и временами, наоборот, чрезмерное ее увеличение, да и кто знает, что еще… И все должно быть, конечно, тщательно изучено и взвешено до того момента, как межпланетный корабль отправится в свой далекий рейс, ибо любая, даже самая ничтожная ошибка, малейший просчет могут оказаться роковыми для человека в его единоборстве с силами стихии.

Единственное, что может спасти человека, решившего вторгнуться в полные опасностей просторы мирового пространства, — это всесторонняя защита от всех возможных воздействий этого пространства. Астронавты, пустившиеся в межпланетное путешествие, должны будут подвергнуть себя добровольному длительному, часто на много месяцев, заключению в межпланетном корабле. Они смогут рассчитывать только на свои силы, свое мужество, свое умение, на запасы, которые у них есть с собой.

О многом придется подумать командиру межпланетного корабля, когда он будет снаряжать его, готовя в далекий и нелегкий путь.

Прежде всего, конечно, воздух. Пассажиры корабля должны все время дышать свежим, чистым воздухом. Значит, нужно непрерывно отводить из кабины ядовитую углекислоту, выделяющуюся при дыхании, и, наоборот, добавлять кислород, который при этом поглощается. Как это сделать? Какие запасы кислорода необходимы? Какое давление воздуха целесообразно поддерживать в корабле? Вот вопросы, на которые прежде всего надо дать ответ.[127]

Давление в пассажирской кабине межпланетного корабля будет целесообразно, вероятно, поддерживать несколько меньшим, чем обычное атмосферное давление у поверхности Земли, например, таким, как на каком-нибудь высокогорном курорте. Это уменьшит нагрузку на стенки кабины, упростит работу всей воздушной системы. Впрочем, большого значения этот вопрос иметь не будет: окончательный ответ на него исследователи получат на основании опыта первых полетов.

Отсасываемый из кабины воздух будет подаваться вентилятором в очиститель, освобождающий его от углекислоты. Методы очистки могут быть химическими, но возможно также применение холодильника, в котором находящаяся в воздухе углекислота будет вымораживаться, превращаясь в «сухой лед». Однако нужно учесть, что в холодильнике будут превращаться в лед и находящиеся в воздухе водяные пары. Если не принять меры для использования (регенерации) этой замерзшей воды, то взамен ее для восстановления необходимой влажности воздуха придется расходовать воду из запасов на корабле. Этот расход может составить около 60 процентов всей воды, потребляемой пассажирами корабля.

Добавка кислорода в воздух, освобожденный от углекислоты, будет происходить в газификаторе, в котором жидкий кислород, хранящийся на корабле в баллонах, превращается в газ. Затем воздух поступит в увлажнитель, где будет доведено до нормы содержание влаги в воздухе; в обогатитель, в котором к воздуху будут добавлены все необходимые ароматические и прочие вещества, и подогреватель, обеспечивающий нужную температуру. После этого вентилятор подаст свежеприготовленный воздух в кабину.

Необходимый запас кислорода на корабле будет определяться числом пассажиров и длительностью полета. Расчет этого запаса — не простое дело. Главным образом это связано с тем, что потребление кислорода человеком зависит от многих условий: интенсивности и характера труда, продолжительности сна и проч. В среднем можно принять для предварительных расчетов, что каждый пассажир корабля будет потреблять не более 1 килограмма кислорода в сутки, учитывая его относительную малоподвижность на корабле. Как видим, при полетах на сравнительно короткие расстояния проблема снабжения кислородом не представляет особых трудностей. Так, например, для путешествия трех пассажиров на Луну и обратно запас кислорода должен составлять 30–35 килограммов. В особенности упрощается эта проблема, если двигатель корабля использует жидкий кислород в качестве окислителя.

Однако при дальних полетах положение меняется. Так, при полете на Марс, длящемся около 9 месяцев, на каждого пассажира корабля должно быть запасено примерно 300 килограммов кислорода, да и то при условии, что кислород, необходимый для жизни на Марсе и обратного полета, будет заимствован из атмосферы Марса. Очевидно, в случае таких дальних полетов для снабжения пассажиров межпланетного корабля кислородом придется организовать на корабле лабораторию по добыванию кислорода. Можно, например, построить установку, в которой углекислота, выделяемая экипажем корабля при дыхании, будет снова расщепляться на углерод и кислород, для чего, конечно, придется израсходовать соответствующую энергию. Эта установка будет «дышать» так, как дышат растения: вдыхая углекислоту и выдыхая кислород. Правда, эта аналогия с растениями только внешняя: советскими учеными выяснено, что кислород, выделяемый растениями, получается не из углекислоты, а из воды, которую растения всасывают корнями.

Не менее важным, чем обеспечение пассажиров межпланетного корабля кислородом, будет удовлетворение их голода и жажды. Большое поле деятельности в этом отношении ждет специалистов и в области питания, которые должны будут изготовить разнообразный ассортимент необходимых для астронавтов продуктов питания. Определенную службу здесь может сослужить опыт, накопленный при организации полярных экспедиций, а также при проведении дальних авиационных перелетов. Однако все это только робкое начало — подобные задачи при организации межпланетных путешествий будут неизмеримо более сложными.

Трудно точно определить запасы пищи и воды, которые должны быть на межпланетном корабле. Для ориентировки можно принять, что минимальный запас воды должен составлять примерно килограмм в сутки на человека, учитывая, что вся вода, заключенная в воздухе (выделяемая при дыхании и испаряющаяся через кожу), будет извлекаться из него и использоваться — ведь общая потребность человека в воде составляет примерно 2–2,5 килограмма в сутки. Запас пищи может быть определен, исходя из нормы 0,5–1 килограмма в сутки на человека. Следовательно, суммарный суточный расход кислорода, пищи и воды каждым пассажиром межпланетного корабля составит примерно 2,5–3 килограмма, причем для надежности следовало бы взять верхний предел. Это, конечно, должно быть учтено при проектировании корабля, определении потребного расхода топлива и проч.

Очень точно должен быть рассчитан тепловой режим корабля, причем, как это ни кажется странным на первый взгляд (ведь столько писалось о «холоде» мирового пространства!), главные трудности здесь могут быть связаны с задачами не обогрева, а охлаждения корабля в полете. Это объясняется тем, что охлаждать вообще значительно труднее, чем обогревать. Конечно, в случае полета на окраины солнечной системы или даже за ее пределы надо будет думать не об охлаждении, а о нагреве, но в околосолнечном пространстве мощные потоки тепла, излучаемые нашим дневным светилом, заставят скорее позаботиться о том, как уменьшить их действие. Кроме того, надо помнить и о тех источниках тепла, которые находятся на самом корабле, вроде пассажиров корабля и его оборудования.

Как нагрев корабля извне, так и отдача тепла наружу в Космосе могут происходить только путем излучения. Вот почему огромное значение имеет характер поверхности обшивки корабля. При одних и тех же условиях на корабле может воцариться адская жара или столь же нестерпимый холод — в зависимости от того, каковы свойства обшивки.

Так, например, полированный металл, а еще лучше никелированный, может нагреться под прямыми лучами палящего Солнца до 300–400°. При тех же условиях поверхность из другого материала может иметь температуру ниже нуля. Это зависит от того, как поверхность поглощает солнечное тепло и отдает его в виде инфракрасного излучения. Варьированием этих свойств обшивки можно добиться, что ее температура будет сохраняться в допустимых пределах.

Ценный опыт в отношении регулирования температурного режима космического корабля был получен при запуске первых советских искусственных спутников Земли.

Как и указывалось выше, основные трудности были связаны с перегревом спутников в полете. Вот почему на третьем искусственном спутнике был применен более эффективный метод регулирования температурного режима с помощью автоматических поворотных створок жалюзи.

Конечно, на корабле придется иметь и свою систему отопления, которая при необходимости (при взлете и посадке, а также при полетах к Солнцу) должна превращаться в систему охлаждения — такое преобразование применяется в настоящее время и на Земле для некоторых зданий. Вместе с тем надо будет обеспечить и тщательную изоляцию кабины корабля, что создаст более стабильные температурные условия в ней.

Источником тепла практически во всех случаях может быть Солнце. Для этого на поверхности корабля будут расположены солнечные котлы, подогревающие жидкость, которая будет циркулировать в системе отопления кабины. В качестве такой жидкости, очевидно, удастся использовать один из компонентов топлива для двигателя — окислитель или горючее. Поверхность котлов будет выкрашена в черный цвет, чтобы лучше поглощать тепло солнечных лучей. Котлы можно будет прикрывать створками при взлете корабля, а также в случае их выключения. Эти створки, как и вся остальная поверхность корабля, будут, возможно, покрашены специальной краской, чтобы создать нужные условия теплообмена излучением. При длительных полетах к внешним планетам обогрев котлов можно улучшить с помощью раскрывающихся отражательных зеркал.

Если на корабле установлен атомный двигатель, то проблема отопления решается, конечно, просто, и в этом случае надобности в использовании энергии Солнца не будет.

Изоляция межпланетных путешественников на корабле не закончится, когда корабль совершит посадку на планету. Выбраться за спасительные стенки корабля можно будет только после тщательного изучения условий, существующих на планете. Конечно, во всех случаях выйти из корабля можно будет только в скафандрах, которые должны быть, вообще говоря, различными для разных планет.

Например, не исключено, что особенно сложными будут скафандры путешественников на Луну, Меркурий и другие небесные тела, лишенные атмосферы. Поверхность таких небесных тел может оказаться радиоактивной в результате многовековой непрерывной интенсивной бомбардировки первичными частицами космического излучения, от которых нас на Земле защищает атмосфера. Известно ведь, что в результате взрыва атомной бомбы поверхность почвы вблизи места взрыва становится радиоактивной вследствие облучения ее радиоактивными лучами. Вслед за тем почва начинает испускать вторичные радиоактивные лучи, очень вредные для живых организмов. Ходить по ней становится опасным в течение иной раз весьма длительного времени. Если то же происходит и с поверхностью лишенных атмосферы небесных тел, то прогуливаться по ним астронавты смогут лишь в скафандрах, ткань которых будет включать специальный защитный слой, например, свинца, кадмия и других веществ. Иначе такая прогулка может стать роковой.

Одной из серьезных опасностей, которые могут поджидать человека на небесных телах, являются неизвестные у нас на Земле бактерии, вполне возможно смертоносные для людей в связи с тем, что наш организм не приспособлен для борьбы с ними. Еще более опасными могут оказаться такие бактерии, занесенные на Землю межпланетным кораблем из какого-нибудь далекого мира. Несомненно, что после возвращения на Землю межпланетный корабль с его пассажирами надо будет подвергнуть строжайшему карантину. Обидно, конечно, лишать межпланетных путешественников людского общества после многих месяцев, а может быть, и лет пребывания вне Земли, но слишком уж велика в этом случае возможная опасность для всего человечества, чтобы допускать легкомысленную неосторожность.

Впрочем, не только после полета межпланетные путешественники должны будут провести некоторое время в полной изоляции внутри кабины корабля, но, вероятно, и до полета. В этом случае кабина превратится в своеобразный тренажер, подобный тем, которые широко применяются в авиации для тренировки летчиков. Не дни, а может быть, недели должны будут провести астронавты на корабле в условиях, максимально напоминающих действительный межпланетный полет. Только это поможет им по-настоящему освоить все оборудование корабля, научиться пользоваться всеми многочисленными приборами и вообще «акклиматизироваться» на корабле. Конечно, такая тренировка начнется еще до того, как корабль будет построен, с помощью специально созданного тренажера, но она не сможет заменить «генеральной репетиции» на самом корабле. Важно будет и предварительное «срабатывание» экипажа корабля на Земле, еще до взлета. Ведь заменить кого-нибудь из членов экипажа в полете будет потруднее, чем на какой-либо полярной зимовке…

Мы так привыкли к нашему весу, что обычно его вовсе и не замечаем, разве только врачи иногда советуют нам поправиться или похудеть. Поэтому вопрос о том, нужен ли нам наш вес, на первый взгляд может показаться странным.

Действительно, всякий человек на Земле имеет вес, причем вес, в общем, весьма постоянный, устойчивый. Увы, иначе обстоит дело в астронавтике. Находясь в межпланетном полете, вы можете сначала прибавить в весе к своим 50 или 60 килограммам еще трижды столько же и побить таким образом все существующие «рекорды», а потом мгновенно потерять не только благоприобретенные, но и свои собственные килограммы, став легче пушинки. Такие стремительные манипуляции с весом заставляют нас повнимательнее задуматься над тем, какую роль, в конце концов, играет вес в нашей жизни. Не приведут ли эти изменения веса к нарушению жизненно важных функций человеческого организма?

Наш вес — это сила, с которой нас притягивает Земля. Когда мы стоим, эта сила прижимает ступни наших ног к Земле, все тело давит на ноги, внутренние органы — один на другой, голова — на шею и т. д. Все эти силы давления и создают физиологическое ощущение веса.

Значительное увеличение веса связано с процессами разгона корабля — при взлете и торможения — при посадке. Инерционные перегрузки, возникающие при этом, могут сильно увеличить вес. Из-за вредного физиологического действия увеличенного веса инерционные перегрузки не должны быть больше четырех, то есть вес при наличии этих перегрузок не должен превышать учетверенного нормального веса. Но почему именно учетверенного? Так как увеличение инерционных перегрузок могло бы привести к существенной экономии топлива, то выбор величины допустимых перегрузок должен быть обоснованным.

В чем проявляется вредное действие увеличенного веса? Представьте себе, что веки ваших глаз стали во много раз тяжелее, «налились свинцом», как говорят в тех случаях, когда сильно хочется спать. Сила глазных мышц может в этом случае уже оказаться недостаточной, чтобы удержать веки открытыми и они будут непроизвольно закрываться. Вы ослепнете, не сможете ничего видеть. Это и случается с летчиками самолетов, выполняющих фигуры высшего пилотажа, — на мгновение, например при выходе из крутого пикирования, у них полностью или почти полностью теряется зрение, что иной раз может оказаться роковым.[128] Это только один из примеров проявления увеличенного веса.

Гораздо серьезнее влияние перемещений внутренних органов под действием увеличенного веса, так как такие перемещения могут сильно отразиться на важнейших функциях организма. Обычно увеличение веса выше допустимых пределов приводит не к механическому повреждению внутренних органов, а к нарушению деятельности сердца и мозга. Кровь становится во много раз тяжелее, сердце и кровеносные сосуды не справляются с многократно увеличенной нагрузкой, кровь скапливается в одном месте, например, в нижней половине тела, отливая от мозга, причем иногда и сердце опустошается и работает вхолостую. Человек может потерять сознание из-за кровяного голодания мозга, что иной раз случается с летчиками, вынужденными, например в боевых условиях, идти на превышение допустимых инерционных перегрузок. Не зря от летчиков требуется идеальное здоровье и физическая тренированность: одни и те же перегрузки совершенно различно сказываются на разных людях.

Интересно, что выяснить проблемы, связанные со столь важными для авиации и астронавтики инерционными перегрузками, ученым помогают… жирафы! Если у летчиков под действием перегрузки кровь отливает от мозга и из-за кровяного голодания клеток мозга наступает потеря сознания, то почему такое кровяное голодание мозга не происходит у жирафов, у которых сердцу так трудно подавать кровь в очень высоко расположенную голову? По всем теориям жирафы должны страдать из-за своей необычной «конституции» — большого расстояния от сердца до мозга. Мало того, когда жирафы после питья поднимают голову, то при этой «инерционной перегрузке», в соответствии с существующими представлениями, они должны были бы терять сознание. Что же помогает им так легко справляться с трудными условиями работы их кровеносной системы? Группа ученых проводит в настоящее время в Африке опыты, которые должны дать ответ на этот вопрос, интригующий медицину, авиацию и астронавтику.

Большое значение имеет продолжительность действия перегрузки. В течение коротких промежутков времени человек может выдержать очень большие перегрузки. Имеющимся в этом отношении опытом мы обязаны главным образом авиации. Так, можно считать, что перегрузке, не превышающей двух, то есть когда вес человека увеличивается вдвое, человек может подвергаться без заметного ущерба для своего здоровья в течение весьма продолжительного времени. Принятая в качестве допустимой при взлете межпланетного корабля перегрузка, равная четырем, может переноситься человеком (вес его увеличится в этом случае до 200–250 килограммов) в течение нескольких минут, вероятно, без серьезных нарушений функций организма.[129] В течение долей секунды могут быть перенесены перегрузки до 15 и даже 20, в этом случае человек может «весить» более тонны! Подобные перегрузки возникают, например, при прыжках в воду в самый момент погружения в нее.

Для исследования влияния больших инерционных перегрузок на человеческий организм, как и для тренировки летчиков, еще Циолковским были предложены и теперь используются специальные установки. Применяется, например, длинная рельсовая дорожка, по которой с помощью ракетного двигателя разгоняется тележка с сидящим на ней человеком; эта тележка потом резко тормозится для создания перегрузки. При некоторых испытаниях на такой установке человек выдерживал 35-кратную перегрузку в течение ¹/₅ секунды. Для этой же цели служит своеобразная карусель-центрифуга, представляющая собой длинный, в 15–20 метров, рычаг с укрепленным на его конце сиденьем для человека или испытательной кабиной. Центрифуга вращается вокруг своей оси с помощью электродвигателя. Такая установка позволяет создавать практически любые перегрузки в течение неограниченного времени: перегрузка создается при вращении центробежной силой. При испытании с различными животными перегрузка достигала многих десятков. Несомненно, что подобные установки будут использованы в будущем и для тренировки астронавтов.[130]

Легко понять, почему в различных положениях человек по-разному переносит перегрузку. Отток крови от мозга или, наоборот, прилив к нему крови, а также нагрузка на сердце при инерционных перегрузках зависит от веса действующего на эти органы «столба» крови, который, в свою очередь, определяется высотой этого «столба». Хуже всего поэтому действуют перегрузки на стоящего человека. Когда человек сидит, то он может выдержать гораздо большие перегрузки, особенно если эти перегрузки действуют от головы. Наибольшие перегрузки он может выдержать, когда лежит. Вот почему с появлением первых реактивных самолетов, при полете которых могут возникать из-за большей скорости и большие перегрузки, конструкторы стали пытаться укладывать летчика на живот или на спину. Это позволяло им также уменьшать поперечное сечение фюзеляжа самолета, что приводило к уменьшению лобового сопротивления и увеличивало скорость полета. Однако надо сказать, что такое лежачее положение не слишком понравилось летчикам, хоть им было и легче переносить инерционные перегрузки при выполнении фигур высшего пилотажа. В настоящее время обычно поступают иначе. Летчика усаживают в так называемое противоперегрузочное кресло. Когда самолет неподвижен или перегрузка мала, например в горизонтальном полете или при взлете, летчик сидит в этом кресле, как в обычном. Если же перегрузка увеличивается, задняя спинка кресла автоматически откидывается назад, тем сильнее, чем больше перегрузка. При больших перегрузках летчик почти лежит на спине.

Вероятно, пассажиры межпланетного корабля будут сидеть в подобных креслах или же им с самого начала придется лечь на спину. Кресла для пассажиров должны быть достаточно упругими, чтобы принимать форму лежащего на них человека — это облегчит пассажирам перенесение нагрузки.

Циолковский рассматривал возможность помещения пассажиров при взлете межпланетного корабля в гидроамортизатор — сосуд, заполненный жидкостью со специально подобранным удельным весом, равным удельному весу человеческого тела. Поскольку любое тело, погруженное в жидкость, теряет в весе столько же, сколько весит вытесненная им жидкость, то пассажир, сидящий в ванне, предложенной Циолковским, не будет весить ничего, и в этом случае никакая перегрузка ему страшна уже не будет.[131]

Весьма вероятно использование в астронавтике специальных противоперегрузочных костюмов, которые уже применяются в авиации. Между двумя слоями ткачи такого костюма вдувается под давлением воздух, вследствие чего внутренний слой плотно облегает тело летчика и препятствует нарушению кровообращения.

Положение с перегрузкой могло бы оказаться критическим, если бы оно заставило совершать весьма длительный, постепенный взлет и такую же посадку. Однако, как было показано выше, при перегрузке, равной четырем, взлет будет продолжаться не более 6–7 минут, в течение которых эта перегрузка будет, вероятно, перенесена пассажирами корабля без чрезмерных неприятностей. Даже уменьшение перегрузки до трех увеличит продолжительность взлета только до 8 минут. Таким образом, опасения, связанные с действием перегрузки при взлете, которые так часто высказывались в прошлом, по всей вероятности являются преувеличенными.

Иначе обстоит дело с влиянием на человека полной потери веса, которая следует сразу же за исчезновением перегрузки при взлете. Как только двигатель корабля перестает работать и корабль оказывается в свободном полете, тяжесть на корабле исчезает и пассажиры перестают весить. Конечно, несколько обидно «похудеть» сразу на четверть тонны, но это совершенно неизбежно. «Невесомыми» пассажиры корабля будут во время почти всего полета — значит, в течение нескольких суток при полете на Луну или многих месяцев — при более дальних полетах. Как они будут себя при этом чувствовать? Это одна из важнейших проблем астронавтики.

Обычно в многочисленных фантастических романах и рассказах отсутствие веса у пассажиров межпланетного корабля преподносится как ощущение необыкновенной легкости, как чувство необычайно приятное и возбуждающее. Однако вряд ли это будет так на самом деле. Вероятно, первое впечатление от исчезновения веса будет связано с мгновенным ощущением потери опоры. Опора как бы внезапно уйдет из-под ног, и это вызовет инстинктивную попытку схватиться за что-нибудь, чтобы удержаться. Затем установится ощущение падения в бездонный колодец — надо думать, ощущение не для слабых душ. В течение всего времени невесомости вместо приятного ощущения легкости пассажиры межпланетного корабля будут находиться в состоянии постоянного напряжения. Однако можно надеяться, что человек в конце концов, в результате длительной и упорной тренировки, сможет приспособиться к этому состоянию.

Мы не знаем ни одной жизненно важной функции человеческого организма, выполнение которой зависит от веса. Дыхание, кровообращение, пищеварение, движение — все эти функции выполняются в результате действия нервной системы и мускулатуры (мышц) человеческого тела и от веса не зависят.[132] Точно так же не зависит от веса и действие органов чувств: зрение, слух, обоняние, вкус.

Вместе с тем отсутствие веса вызовет все же, как можно предполагать, ряд расстройств в человеческом организме. Опыт, накопленный в этом отношении наукой, еще чрезвычайно мал, и поэтому пока приходится ограничиваться, к сожалению, лишь предположениями, основанными на наших знаниях функций отдельных частей человеческого организма.

В человеческом организме имеется сложная система так называемых механорецепторов, которые дают мозгу, центральной нервной системе детальную информацию о всех видах механических возбуждений, испытываемых человеком. Среди таких механорецепторов различаются: вестибулярный аппарат внутреннего уха, который реагирует на перемещение человеческого тела; чувствительные клетки кожи, реагирующие на давление; мускульные веретёнца, заключенные во всех тех мускулах, которые передвигают и фиксируют части организма, и другие.

Механорецепторы играют большую роль в чрезвычайно важной психофизиологической функции — ориентировке человека. При обычных условиях ориентировка человека в пространстве достигается тем, что механорецепторы фиксируют направление силы тяжести по отношению к положению человека, а зрение устанавливает положение человека по отношению к окружающим предметам. Оба ощущения при этом вполне согласовываются, сливаясь в одно чувство ориентировки.

Но как только вес исчезает, механорецепторы отказывают в выполнении своих функций ориентировки. Если человек неподвижен, то они вообще будут «молчать», и ориентироваться можно будет только с помощью зрения. При движении человека механорецепторы будут возбуждаться, но только под действием сил инерции, которые будут сообщать вес, переменный по величине и направлению, отчего будут меняться и сигналы рецепторов. В этом случае картины, регистрируемые механорецепторами и глазами, будут расходиться. Исчезнет привычная автоматичность движений, та обычно даже не замечаемая нами согласованность всех перемещений органов человеческого тела, которая позволяет осуществлять целенаправленные действия, например при письме и т. д. Это может сильно ограничить работоспособность межпланетных путешественников.

Мало того, рассогласованность сигналов различных механорецепторов может вызвать потрясения психики человека; вспомните, как мы обычно пугаемся, когда встречаемся в повседневной жизни с проявлениями такой рассогласованности, например, когда шагаем «в пустоту», просчитавшись в числе ступенек лестницы, и др.

Жизнь в условиях невесомости на корабле будет настолько непривычной, что почти всем, обычно полностью автоматическим действиям путешественникам придется учиться заново. Так, например, когда мы ходим, то не задумываемся, конечно, в каком порядке осуществлять все необходимые движения, они получаются «сами собой», автоматически. Иначе будет на корабле — эта автоматичность будет нарушена, согласованность движений исчезнет, ходить надо будет учиться заново, причем это будет гораздо более трудной задачей, чем учиться ходить после длительной болезни.

Не просто будет в условиях невесомости и… спать. Действительно, в переходе ко сну участвует сложная цепь взаимозависимых действий различных органов человеческого тела, о которых мы, естественно, ни на минуту не задумываемся, а просто засыпаем — и все. В условиях невесомости эта согласованная цепь расстроится, некоторых привычных сигналов не будет (например, не будет ощущения опоры). Удастся ли при этом заснуть? Трудно сказать. Не исключено, что пока не выработается новая привычка, придется «помогать» путешественникам заснуть, крепко-накрепко привязывать их к постели. Так что сон в воздухе, в центре кабины, как это иногда рисуется некоторым, вряд ли удастся. Впрочем, он не удастся не только поэтому. Ведь в условиях невесомости достаточно небольшой силы, чтобы вывести тело из равновесия. Такой силой будет в этом случае реакция струи воздуха при дыхании. Нос спящего будет действовать, как заправский реактивный двигатель пульсирующего типа. Его реактивная «тяга» будет перемещать спящего и одновременно вращать в воздухе кабины до тех пор, пока он не уткнется куда-нибудь в стену.

Интересный пример необычности условий жизни путешественников при невесомости приведен одним немецким ученым. Представьте себя в каюте корабля. Вы стоите на полу, сверху над вами потолок, все как положено. Конечно, в этих условиях «низ» и «верх» — понятия условные, но ковер на полу и люстра на потолке не позволяют вам их перепутать. Теперь вы приседаете и отталкиваетесь от пола. При этом примерно на 1 секунду вы снова начинаете весить, правда, всего около 10 килограммов — этот вес создается силой толчка. Под действием этой силы вы отправитесь в полет к потолку. Когда он окажется в угрожающей близости к вам, вы поднимете руки, чтобы упереться в потолок; как видите, руки оказались поднятыми, а не опущенными — это все дань прежнему представлению о том, где верх, а где низ. Но вот произошло столкновение с потолком, ваши руки оперлись о него рядом с люстрой. В это же мгновение снова появился вес. Вы опять стали весить все те же примерно 10 килограммов и опять примерно на 1 секунду. Но на этот раз вес направлен… не туда! Теперь, в этот момент встречи, вес тянет вас к бывшему потолку, «бывшему», потому что он становится для вас уже полом, это согласовывается с привычными для человека ощущениями. Вам покажется, что вы делаете стойку на руках, то есть как бы совершили невидимое сальто в каюте! Таких примеров можно было бы привести немало.

Существует физиологический закон, по которому характер реакции органов чувств человеческого тела на какое-нибудь возбуждение зависит от того основного фона, на котором произошло это возбуждение. Это легко пояснить каким-нибудь примером, допустим, связанным со зрением, хотя этот закон относится ко всем органам чувств.

Человеческий глаз обладает огромным диапазоном чувствительности: наиболее слабый источник света, различаемый глазом, примерно в миллиард раз слабее наиболее сильного источника, который мы можем безболезненно видеть. Но один и тот же источник света будет виден нам по-разному в зависимости от общей освещенности фона. Так, например, мы почти не обращаем внимания на автомобиль, едущий днем с зажженными фарами — они почти не видны. Но зато ночью или в абсолютной темноте комнаты зажженная спичка нас ослепляет.

В соответствии с этим законом отсутствие веса на корабле приведет к повышенной реакции на такие возбуждения, которых в обычных условиях мы почти не замечаем. Небольшой поворот головы, например, будет ощущаться как быстрое вращение, и т. д. Особенно неприятно это будет во сне: при этом не будет спасительной функции глаз, дающих правильное представление о происшедшем. Поэтому, вероятно, путешественников будут во время сна мучить кошмары, связанные с самыми невинными движениями тела.

Да, нелегко будет жить в условиях невесомости, в особенности без привычки!

Опыт слепых полетов на самолетах показывает, что человек может подавить неправильную информацию механорецепторов и основываться на наблюдении приборов. Это очень важное свойство вырабатывается летчиками путем длительной тренировки. Однако некоторые исследования показывают, что такая дисгармония ощущений и чувств, вполне согласованных в обычных условиях весомости, может вызвать некоторые определенные формы морской болезни.

Возможно, что отсутствие веса сделает океан мирового пространства очень «бурным» для астронавтов, поскольку они могут оказаться подвергнутыми жесточайшим приступам «межпланетной болезни».

В частности, можно полагать, что при отсутствии веса появятся серьезные нарушения в действии вестибулярного аппарата внутреннего уха, являющегося органом, воспринимающим перемену положения и изменения в движении человеческого тела и играющим важнейшую роль в обеспечении равновесия тела в покое и движении.

По мнению других ученых, длительный космический полет в условиях динамической невесомости может вызвать у пассажиров корабля нарастающую сонливость и слабость. Серьезную проблему представляет также обратный переход от невесомости к нормальному или даже увеличенному весу. А ведь именно так будет обстоять дело в реальном межпланетном полете — после длительного периода невесомости в полете на основном участке космической трассы придется совершать посадку, при которой вновь возникнут инерционные перегрузки. Как справится организм, мышцы которого в большей мере атрофировались в результате длительной невесомости, с этими перегрузками? Пожалуй, это будет не просто.

Проблема динамической невесомости начинает уже интересовать и авиацию. Современные высотные реактивные самолеты могут при резком снижении с больших высот, где сопротивление воздуха очень мало, создавать для летчиков условия невесомости примерно на 45–50 секунд. Подобные полеты не вызывали болезненных ощущений у летчиков, как и затяжные прыжки парашютистов с больших высот.

Несколько иные результаты дали аналогичные испытания, проведенные в США. Об этих испытаниях было сообщено на Международном астронавтическом конгрессе в Риме в сентябре 1956 года. Испытаниям, которые проводились на двухместном реактивном скоростном самолете, было подвергнуто 16 человек, причем всего было совершено более 300 испытательных полетов. Чтобы создать условия невесомости, самолет вначале набирал скорость при пикировании, а затем совершал полет по параболической траектории; точнее говоря, эта траектория была эллиптической, но при столь малых расстояниях разница между обеими траекториями неощутима. При полете по восходящей ветви этой траектории, когда самолет набирал высоту, двигатель работал на полную мощность, а на нисходящей ветви, при снижении самолета — на уменьшенной мощности, равной примерно трем четвертям от максимальной. Летчик, управлявший самолетом, вел его так, чтобы акселерометр, установленный в кабине, показывал нуль. Это и значило, что на самолете установилось состояние невесомости, состояние свободного падения под действием силы тяжести — остальные силы (сила тяги двигателя и силы воздействия воздуха на самолет) при этом уравновешивались. Такое состояние длилось примерно 40 секунд. За это время проводились различные исследования, связанные с невесомостью, причем осуществлялась автоматическая киносъемка. Предметы «плавали» в воздухе в кабине, жидкость не выливалась из сосуда и т. д. Пассажир самолета за это же время подвергался ряду испытаний, в частности должен был попасть карандашом в центр нарисованного квадрата и др.

Целью испытаний было выяснение общего самочувствия испытуемых и проверка того, насколько нарушается при невесомости координация их движений. Результаты оказались поучительными: одни из испытуемых чувствовали себя превосходно, как они потом сообщали, другие — неважно, а третьи — просто скверно: они ощущали настоящие приступы «воздушной болезни». Это лишний раз показывает, что к отбору будущих межпланетных путешественников придется относиться очень осторожно — индивидуальные особенности организма имеют большое значение не только в отношении влияния на него инерционных перегрузок, но, оказывается, и в отношении реагирования на состояние невесомости.

Правда, все эти испытания в течение короткого времени очень непоказательны — они не дают правильного представления о том, как влияет на человека невесомость. Ведь и морская болезнь обычно проявляется не сразу, а примерно через 15–20 минут.

Поэтому возможно, что даже тот, кто хорошо переносит невесомость в течение полминуты, через четверть часа совершенно вышел бы из строя. Чтобы получить уверенный ответ на этот важнейший для астронавтики вопрос, следовало бы провести испытания большой длительности.

К сожалению, осуществить длительные испытания в условиях невесомости не просто. Даже весьма сложные установки для таких испытаний (первые установки были предложены еще Циолковским) все же не обеспечивают нужной длительности. Так, ведутся подобные опыты с использованием глубоких шахт угольных бассейнов, элеваторов и т. д. В этих опытах подвергающийся исследованию человек закрепляется в особой свободно падающей тележке и во время падения у него измеряется давление крови, изучается работа сердца и т. д.

Значительно более сложным, но зато и более эффективным было бы испытание с помощью высотных ракет, специально созданных для исследования влияния невесомости. По одному из зарубежных проектов («Журнал авиационной медицины», США, 1953 г.), такая ракета должна весить 21 тонну, из которых 17 тонн топлива. Сверху на ней устанавливается пассажирская кабина с человеком (общий вес полезной нагрузки примерно 1300 килограммов). За 2,5 минуты работы двигателя ракета должна уноситься на высоту около 70 километров, а затем еще лететь с остановленным двигателем около 230 километров, достигая более чем за 6 минут общей высоты подъема 300 километров. После остановки двигателя специальное устройство должно отделить кабину, которая в течение 5–6 минут будет лететь в свободном полете, а затем опустится на парашюте.

Пока еще такая ракета не создана, однако первые пассажиры уже летали, и не раз, в ионосферу с целью исследования влияния на них этого, по существу, космического полета и, главным образом, влияния невесомости в полете. Для полетов применялись специально приспособленные высотные ракеты, но летали на них не люди, а животные — мыши, попугаи, обезьянки, собачки. Их подвергали в полете детальным физиологическим обследованиям, автоматически снимали на кинопленку, изучая поведение в разных условиях, на разных этапах полета.

У нас в стране много раз летали на высоту до 210 километров (а в одном случае, в августе 1958 года, даже на высоту 450 километров) собаки, заключенные в герметическом отсеке высотной ракеты, причем в этом отсеке создавалась такая же искусственная атмосфера, какая будет существовать и в кабине межпланетного корабля.

Отсек с находящейся в нем собакой в конце полета отделялся от ракеты и опускался на парашюте, доставляя на землю в полной безопасности своего пассажира. В других случаях собаки находились на ракете не в герметическом отсеке, а в специальном «межпланетном» скафандре. В этих полетах скафандр прикреплялся к находящейся на ракете тележке, которая в нужный момент выбрасывалась из ракеты с помощью особого катапультирующего приспособления. Затем собака в скафандре тоже опускалась на парашюте.

В таких полетах на каждой ракете находилось по две собаки. Некоторые из них «налетали» в Космосе по нескольку часов, в частности, отличились собачки Альбина, Муха, Малышка, Козявка… Эти клички не случайны — приходилось подбирать «малогабаритных» пассажиров. Все собаки, летавшие в Космос, чувствуют себя сейчас превосходно. Их полеты, а также полет Лайки на искусственном спутнике дали много ценного для выяснения влияния космического полета на живые организмы. Получены данные и относительно влияния невесомости. Однако это никак не может заменить полета человека. Но и полет человека на высотной ракете не даст полного и исчерпывающего ответа, хотя, конечно, будет очень ценным, — слишком мало он длится. Ведь для окончательного заключения нужен не минутный, а часовой полет, полет в течение дней. Вот почему наиболее полно влияние невесомости будет изучено, когда появятся все более дальние и высотные пассажирские ракеты, а затем и искусственные спутники Земли с пассажирами на борту. Особенно ценными будут именно последние, так как продолжительность пребывания в условиях невесомости на спутниках будет практически неограниченной.

В настоящее время еще нельзя сказать со всей определенностью, понадобится ли создание искусственной тяжести на межпланетных кораблях и искусственных спутниках Земли или же удастся обойтись полумерами, вроде магнитных подковок на обуви. Вероятнее всего, искусственная тяжесть будет создаваться только на межпланетных кораблях, совершающих полеты между спутниками планет, то есть на основном участке космических трасс. При более коротком полете необходимости в этом не будет.

Мировое пространство, в котором будет совершать свой полет межпланетный корабль, хоть и не имеет воздуха, однако вовсе не «пусто». В нем действительно мало вещества. Однако это пространство очень богато энергией: оно пронизывается мощным излучением различного рода.

Как будет сказываться это излучение на здоровье астронавтов? Защитят ли их от действия излучения, если оно окажется вредным, стенки межпланетного корабля? Вряд ли можно пускаться в межпланетный полет, не имея точного ответа на эти вопросы, не будучи уверенным, что излучение, пронизывающее мировое пространство, не окажется смертельным или даже просто вредным для пассажиров межпланетного корабля.

Живя на Земле, мы не знаем в точности, что представляет собой излучение, пронизывающее мировое пространство. Благодаря фильтрующему действию земной атмосферы мы можем на поверхности Земли улавливать лишь слабые отзвуки тех мощных процессов, которые происходят в верхних слоях атмосферы под действием врывающихся в нее из мирового пространства лучей. Земной поверхности достигает лишь незначительная часть первоначального излучения. Однако наука сумела, используя тончайшие приборы, поднимаемые на большие высоты с помощью воздушных шаров-зондов и высотных ракет, разгадать эту загадку природы.

Благодаря успехам науки мы теперь довольно точно представляем себе характер излучения, пронизывающего мировое пространство, хотя, конечно, в дальнейшем могут быть обнаружены пока еще неизвестные виды этого излучения.

Некоторые виды излучения оказывают вредное действие на человеческий организм, а при больших дозах могут оказаться и смертельно опасными. Следовательно, вопрос, поставленный в начале этой главы, вовсе не является праздным. Пассажиры межпланетного корабля должны быть защищены от вредного действия разных видов космического излучения. Вряд ли можно считать успешным межпланетный полет, когда корабль доставит к цели лишь бренные останки путешественников, убитых в пути смертоносными лучами.

Основным источником излучения, пронизывающего пространство, в котором будет совершать свой полет межпланетный корабль, является Солнце. Солнце, как и другие звезды, шлет во все стороны мощные потоки электромагнитного излучения различных длин волн. Здесь и самые длинные из таких волн — длиной от миллиметров до метров и даже десятков метров — это радиоволны, их улавливают радиотелескопы и изучает радиоастрономия. К радиоволнам примыкают тепловые лучи Солнца, так называемые инфракрасные, несущие с собой основное количество тепла, излучаемого Солнцем и обогревающего Землю; с этими волнами уносится половина всей энергии, излучаемой Солнцем. Длина инфракрасных волн — от десятых долей миллиметра до микронов, то есть тысячных долей миллиметра.

Инфракрасные волны начинают так называемый оптический спектр электромагнитного излучения; правда, сами эти волны невидимы, но уже считаются световыми. Впрочем, не исключено, что имеются живые существа, зрительный аппарат которых реагирует и на инфракрасный свет. Рядом с инфракрасными лучами в сторону волн с меньшей длиной волны лежит видимый свет, причем длина световой волны определяет ее «цвет»: самые длинные волны — красные, самые короткие — фиолетовые.

Затем в спектре солнечного излучения идут еще более короткие световые волны — ультрафиолетовые, с длиной волны в десятые и сотые доли микрона. И снова эти волны человеческий глаз не видит, хотя, например, насекомые на них реагируют и в их жизни они играют большую роль.

Замыкают оптический спектр солнечного излучения рентгеновы лучи. Кто не знает об этих чудодейственных лучах, невидимых, но делающих видимыми все внутренности человека? Без них медицина стала бы слепой…

Электромагнитные волны с наименьшей известной длиной волны — так называемые гамма-лучи — в спектре солнечного излучения пока не обнаружены. Эти волны имеют длину волны в миллиардные доли миллиметра. Встречаются даже еще более коротковолновые гамма-лучи.

Но Солнце излучает не только электромагнитные волны. Во все стороны от Солнца мчатся потоки мельчайших электрически заряженных частиц вещества, извергаемые нашим дневным светилом. Это — ядра атомов водорода, так называемые протоны, одни из тех элементарных «камешков», из которых сложена вся материя. С огромной скоростью врываются эти частицы в земную атмосферу, вызывая одно из наиболее красивых явлений природы — полярные сияния.

Однако Солнце — основной, но не единственный источник излучения, которому будет подвергаться любой межпланетный корабль. Околосолнечное пространство пронизывают во всех направлениях еще и другие лучи, получившие в науке название космических. Этим названием ученые подчеркнули то обстоятельство, что источник космических лучей лежит где-то в мировом пространстве, он до сих пор точно не известен. В последнее время, правда, установлено, что наше Солнце имеет непосредственное отношение и к этому излучению, но космические лучи несутся на Землю практически равномерно со всех сторон, так что уж во всяком случае Солнце — не единственный источник этого излучения.

Впрочем, мы говорим «лучи», хотя в действительности в данном случае речь идет не о волнах, не об электромагнитном излучении, а о потоках вещества, потоках корпускул, мельчайших частиц. Эти частицы представляют собой, в основном, протоны, как и частицы, испускаемые Солнцем во время вспышек на нем, — об этих частицах мы говорили выше. Однако в космических лучах имеются, хоть и в небольшом числе, и другие частицы — тоже ядра атомов, но уже не водорода, а более тяжелых атомов. Из этих «других» частиц подавляющее большинство — так называемые альфа-частицы, то есть ядра атомов гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов (эти частицы примерно вчетверо тяжелее протонов). Небольшая часть ядер в космических лучах принадлежит более тяжелым атомам, вплоть до атомов индия — они в десятки раз тяжелее протонов. Но самое главное отличие космических частиц от протонов, излучаемых Солнцем, заключается в том, что космические частицы несут в себе неизмеримо большую энергию.

Какие же из перечисленных видов излучения, пронизывающего околосолнечное пространство, могут оказаться опасными для межпланетных путешественников?

Очевидно, опасными будут такие виды излучения, которые могут вызвать вредные биологические и химические изменения в человеческом организме.[133] Конечно, могли бы оказаться опасными и температурные колебания, связанные с тепловым воздействием излучения, например, резкий перегрев организма, но этот вопрос уже был рассмотрен нами в главе 20, и здесь мы считаем, что температура в кабине корабля поддерживается все время комфортной.

Теория и опыт показывают, что биологическое и химическое воздействия излучения тем больше, чем короче длина волны этого излучения. Коротковолновое, или, как говорят, жесткое, излучение оказывает гораздо более сильное воздействие этого рода, чем длинноволновое излучение. Так, относительно длинноволновое инфракрасное и видимое излучения Солнца, заключающие в себе около 95 процентов всей энергии этого излучения, вызывают в основном нагрев и лишь небольшие химические изменения. Другое дело, например, ультрафиолетовое излучение, в особенности его коротковолновая часть. Лучи, лежащие в так называемой ближней ультрафиолетовой области солнечного спектра, то есть сравнительно длинноволновой, вызывают хорошо известный всем обычный загар, полезный для человека, содействуют образованию витаминов в теле, дезинфицируют помещения, питьевую воду. Правда, эти же лучи при длительном сильном облучении могут повредить глаза, вызвать ожог кожи.

Иное дело — более жесткие, то есть коротковолновые, ультрафиолетовые лучи солнечного спектра. Они не достигают земной поверхности, их задерживает, отфильтровывает земная атмосфера, и это — счастье для всего живого на Земле, ибо эти лучи весьма вредны для живых организмов. Впрочем, если бы дело обстояло иначе, то жизнь на Земле, по-видимому, тоже развивалась бы иначе; если та часть ультрафиолетового излучения, которая достигает земной поверхности, оказывается безвредной и даже полезной для человека, то это не чудесная счастливая случайность, а результат длительного, многовекового приспособления человеческого организма к существующим на Земле природным условиям.

Межпланетный корабль будет подвергаться действию всего спектра солнечного ультрафиолетового излучения, в том числе и того, которое обычно отфильтровывается земной атмосферой. К счастью, металлическая обшивка корабля практически полностью защищает его пассажиров от действия этого вредного излучения. Сложнее обстоит дело с окнами корабля. Правда, можно и нужно, конечно, изготовить эти окна из такого стекла, которое не пропускает ультрафиолетовых лучей — подобные стекла имеются. Однако они под действием этих лучей со временем темнеют и становятся мало прозрачными. Чтобы сохранить прозрачность окон, крайне необходимую астронавтам, их придется, вероятно, защищать ставнями, не пропускающими ультрафиолетовых лучей, например металлическими. Обидно, конечно, что пассажирам космического корабля, буквально купающегося в лучах никогда не заходящего ослепительного Солнца, придется проводить долгие дни межпланетного полета при искусственном освещении.

Оказывается, однако, что при желании можно «видеть» и через металлическую оболочку корабля, если она изготовлена из особого металла. Этим металлом является германий, получивший в последнее время известность благодаря своим замечательным свойствам полупроводника. Конечно, и на межпланетном корабле будут широко применены полупроводниковые приборы различного назначения, изготовленные из германия. И вот, оказывается, этот самый германий обладает еще одним совершенно неожиданным свойством — он прозрачен для света. Правда, он пропускает не видимый свет, а инфракрасные лучи, но зато их он пропускает так же беспрепятственно, как обычное стекло — лучи видимого света. Вот почему, возможно, межпланетный корабль будет иметь, помимо обычных окошек из специального стекла, еще и окошки из германия. Через эти окошки, которые, конечно, никогда не помутнеют от действия ультрафиолетовых лучей или ударов микрометеоритов, астронавты смогут беспрепятственно вести фотографирование в инфракрасных лучах — а ведь такое фотографирование в астрономии иногда важнее, чем обычное. Можно, при желании, устроить и телевизор, на экране которого будет рисоваться картина, видимая из корабля в инфракрасных лучах! Это будет большим подспорьем для астронавтов.

Живя на поверхности Земли, мы не подвергаемся действию рентгеновского излучения Солнца и даже не знали бы о его существовании, если бы приборы, унесенные высотными ракетами на большие высоты, не установили его наличие. Правда, до сих пор установлено лишь существование сравнительно мягкого рентгеновского излучения Солнца — эти рентгеновы лучи имеют гораздо большую длину волны, чем те, с помощью которых нас просвечивают в амбулатории. С большой степенью уверенности можно считать, что обшивка корабля будет надежно защищать астронавтов от рентгеновского излучения Солнца.

По характеру вредного воздействия на человека ультрафиолетовые и рентгеновы лучи принципиально одинаковы, за тем лишь исключением, что первые действуют только на наружные части тела, тогда как вторые проникают внутрь его, поражая также и внутренние органы. Это вредное воздействие заключается в том, что мощные кванты света — фотоны, сталкиваясь с атомами и молекулами в тканях человеческого тела, выбивают из этих атомов и молекул наружные электроны, то есть ионизируют их, превращают в электрически заряженные частицы — ионы. В результате такой ионизации нормальная работа клеток человеческого тела нарушается.

При очень сильной ионизации, которая возникает, например, под действием радиоактивного излучения при взрыве атомной бомбы, болезненные изменения в организме («лучевая болезнь») могут быть очень опасными и даже смертельными.

Чем меньше длина волны ионизирующего излучения, тем больше энергия фотона этого излучения и, соответственно, больше число образуемых фотоном ионов. Поэтому рентгеновы лучи более опасны, чем ультрафиолетовые.

Еще более опасными являются так называемые гамма-лучи, вызывающие несравненно большую ионизацию.[134] Однако можно полагать, что интенсивность испускаемого Солнцем рентгеновского излучения мала, хотя исчерпывающих знаний в отношении его влияния на человека еще нет. Во всяком случае можно надеяться, что защитное действие оболочки межпланетного корабля сделает это излучение не опасным для астронавтов.

Сложнее с космическим излучением. Недаром проблема влияния космических лучей на межпланетных путешественников в последнее время привлекает все больший интерес и внимание астронавтики — эта проблема может стать камнем преткновения на пути в Космос, может оказаться непреодолимым препятствием. До сих пор мнения ученых об этом влиянии космического излучения расходятся, единодушия здесь нет. И если одни склонны к переоценке трудности этой проблемы, то другие, наоборот, проявляют, пожалуй, неоправданный оптимизм, недооценивая серьезность положения.

Мчащиеся с огромной скоростью частицы, входящие в состав космического излучения, образуют в организме, если они в него попадают, очень большое число ионов. В этом заключается главная неприятная особенность вредного действия космических лучей. Именно поэтому космические лучи производят в человеческом организме гораздо большие разрушения, чем другие виды излучения.

На Земле мы защищены от вредного действия космических лучей огромной толщей воздуха. Космические частицы не достигают земной поверхности, они сталкиваются с атомами воздуха. К нам долетают лишь частицы, образовавшиеся при таких столкновениях, то есть продукты происходящих при этом ядерных превращений. Эти вторичные частицы все еще обладают огромной энергией и потому чрезвычайно сильным ионизирующим действием. Однако это только жалкая тень того воздействия, которое оказали бы сами первичные космические частицы. На больших высотах ионизирующее действие космического излучения гораздо сильнее, чем у земной поверхности.

Как полагают ученые, вредное воздействие космического излучения связано не только с количеством образующихся в организме ионов, но и с тем, как эти ионы распределены по организму. Если человека облучить рентгеновыми лучами, то ионы распределяются в организме равномерно. Иначе обстоит дело в случае облучения космическими лучами. Путь каждой космической частицы, попавшей в организм, отмечается лавиной ионов, причем чем тяжелее частица, тем «гуще» оставляемый ею за собой ионный след. Вот такие же наэлектризованные колонны-«трубки» оставляют за собой в воздухе врывающиеся в земную атмосферу метеоры. Если альфа-частица перед своей остановкой, когда она уже потеряла всю скорость в результате столкновения с атомами и молекулами тела, и вызывает наибольшую ионизацию, образует в каждой клетке несколько десятков тысяч пар ионов, то тяжелая космическая частица образует несколько миллионов пар. Ученые считают, что столь высокая концентрация ионов при облучении космическими лучами увеличивает вред, причиняемый организму, по крайней мере раз в 10.

Если рассматривать след-трек, оставляемый тяжелой частицей в слое фотоэмульсии (этот метод широко применяется при исследовании космических лучей), то можно видеть, что из черточки ничтожно малой толщины он к концу становится уже довольно внушительным. Тончайший хлыстик как бы становится массивной дубиной. Конечно, истинные размеры следа все еще остаются достаточно малыми — они не превышают нескольких сотых миллиметра, но по сравнению с совершенно микроскопической толщиной до этого он является огромным. Клеткам тела уже не безразлична дыра, которую проделывает в них эта космическая пуля «дум-дум». В особенности чувствительны к таким пробоинам нервные клетки, сетчатка и хрусталик глаза и др. Тяжелые частицы могут вызвать ощущения боли при попадании в нервные окончания, могут создать очаги местной слепоты при попадании в глаз, могут привести и к гораздо более тяжелым последствиям, если затронут отдельные нервные центры головного мозга и другие важнейшие участки нашего тела.

К счастью, число тяжелых частиц в космическом излучении невелико. В среднем из 100 космических частиц, врывающихся в земную атмосферу, 82 являются протонами, 17 — альфа-частицами и только 1 — более тяжелой частицей.[135] Кроме того, общее число космических частиц также невелико — на большой высоте, где уже не сказывается «тень», создаваемая земным шаром, через каждый квадратный сантиметр в секунду проходят примерно 2 космические частицы. Именно это приводит некоторых ученых к предположению о безопасности космического излучения для астронавтов. Однако подобный вывод был бы поспешным.

Впервые ученые и врачи встретились с вредным биологическим воздействием ионизирующего излучения в связи с применением рентгеновых лучей в медицине. С тех пор дозу этого излучения, воспринимаемого организмом, стали измерять в условных единицах — рентгенах (за 1 рентген взята доза ионизации, при которой в 1 миллиграмме живой ткани образуется немногим больше 1,5 миллиарда пар ионов; в 1 куб. сантиметре воздуха это количество излучения вызовет образование примерно 2 миллиардов пар ионов).

К сожалению, установление предельно допустимых доз ионизации, которые могут быть восприняты человеком без какого-либо вреда, пока еще производится недостаточно строго. Приняты различные значения этих доз, недостаточно учитываются специфические особенности отдельных видов ионизирующего излучения и т. д. Особая сложность проблемы заключается в том, что вредное действие ионизации проявляется не сразу, а через некоторое время, по мере того как организм накапливает в себе его результаты. Когда человек подвергается действию опасного излучения, то он об этом даже не догадывается — природа не снабдила нас особым «чувством», регистрирующим облучение. Неудивительно, ведь до сих пор человек в природе нигде не встречался с подобным облучением. Эта опасность возникла вместе с развитием науки и техники, ее создал сам человек. Вредные последствия облучения проявляются только тогда, когда болезнь зашла уже далеко и даже не всегда оказывается возможным помочь заболевшему.

Сейчас еще нельзя с полной уверенностью сказать, каковы предельно допустимые дозы ионизации при космическом излучении. Называются разные цифры. Но одно является несомненным — короткое пребывание в Космосе не опасно. Только длительный межпланетный полет может представить в этом отношении серьезную опасность. Какова предельно допустимая длительность воздействия космического излучения на межпланетных путешественников, пока еще не известно. Одни ученые считают, что она очень велика, другие — что очень мала.

Вот почему так важны исследования этого вопроса, который может оказаться роковым для астронавтики. Ведь осуществить защиту от космического излучения, если выяснится, что доза ионизации, получаемая астронавтами, недопустимо велика, современными техническими средствами вряд ли возможно. Чтобы космические лучи заведомо не представляли опасности для межпланетных путешественников, корабль должен иметь защитную оболочку из свинца толщиной не менее 10 сантиметров, а из других металлов — еще более массивную. Конечно, такой корабль будет накрепко прикован к Земле.

Для исследования биологического воздействия космических лучей в настоящее время используются воздушные шары-зонды и высотные ракеты. С их помощью на большие высоты поднимаются кусочки живой ткани и животные — мыши, собаки, обезьяны и др. После приземления производится тщательное исследование тех изменений, которые произошли в живых тканях и организмах. В разных странах уже проведено много подобных полетов и получены некоторые интересные данные. Так, например, после суточного пребывания на высоте около 27 километров у некоторых мышей наблюдалось появившееся через несколько месяцев поседение волос, характерное для лучевой болезни. В других случаях, однако, никаких изменений обнаружено не было.

Конечно, все эти испытания относительно кратковременны, а большинство ученых приходит к выводу, что при кратковременном действии космическое облучение не опасно. Другое дело — длительное воздействие космических лучей, которое может привести к недопустимым для здоровья дозам ионизации. Однако опыты с длительным облучением космическими лучами можно будет провести, видимо, только с помощью искусственных спутников Земли. Вот почему запуска все новых спутников с таким нетерпением ждут и биологи. До выяснения же этого вопроса полеты людей на спутниках и межпланетных кораблях будут, очевидно, недопустимы.

Следует подчеркнуть, что мы еще далеко не до конца знаем все опасности, связанные с наличием в мировом пространстве различных не известных на Земле вредных излучений. Лучше всего об этом свидетельствуют данные об ореоле излучения, полученные с помощью первых искусственных спутников Земли (о них говорилось выше, в главе 11) и, в особенности, с помощью первой советской лунной космической ракеты. В этих исследованиях установлено, что Земля окружена своеобразным ореолом интенсивного излучения, о котором раньше даже не подозревали. Этот ореол, с двумя зонами наиболее интенсивного излучения, простирается на расстояние до 50 000 километров от Земли в экваториальном направлении. Чем ближе к полюсам, тем меньше протяженность указанного ореола. Так как интенсивность ионизации, вызываемой излучением в этом ореоле, в сотни раз больше, чем вне его в мировом пространстве, то длительный полет человека в опасной зоне может оказаться невозможным. Не исключено, что по этой причине придется даже располагать взлетные площадки для запуска космических кораблей в высоких широтах или же сразу после взлета направлять космический корабль в околополярные районы, свободные от указанного выше опасного излучения. Природа этого излучения еще не совсем ясна. Вполне возможно, как это указывалось выше, что оно является продуктом вторичных процессов, происходящих на Земле под действием космического излучения.

Так или иначе, это, как его назвали, земное корпускулярное излучение является установленным фактом. Кто знает, какие еще новые, не известные в настоящее время излучения существуют в Космосе? В частности, совершенно не исключено наличие такого же по характеру ореола излучения, только несравненно более мощного и протяженного, и вокруг Солнца. Многое здесь еще предстоит выяснить…

Сейчас еще трудно сказать, является ли космическое излучение невидимым барьером, воздвигнутым природой на пути любого живого существа, пытающегося проникнуть в тайны Космоса. Во всяком случае, это не остановит мужественных астронавтов — может только задержать, но не помешать покорению человеком мирового пространства.

Межпланетный корабль, мчащийся с большой скоростью в мировом пространстве, будет встречать на своем пути не только лучи и потоки невидимых элементарных частиц вещества. Мировое пространство будет расстреливать наш корабль в упор, прямой наводкой, артиллерией самых различных калибров. И каждый снаряд, поразивший корабль, может оказаться для него роковым.

Что же это за снаряды, грозящие гибелью межпланетному кораблю? Это метеорные тела, небесные камни, во всех направлениях бороздящие околосолнечное пространство. Эти «блуждающие снаряды» представляют собой одну из наибольших опасностей межпланетного полета.

Среди метеорных тел есть и ничтожные пылинки и громадные обломки крупных небесных тел — целые горы, несущиеся в мировом пространстве обычно в окружении свиты из более мелких тел. Есть изолированные метеорные тела, которые, возможно, сродни астероидам (о них шла речь выше), а есть и целые потоки, рои этих тел, мчащиеся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца и являющиеся, очевидно, остатками комет. Родиной абсолютного большинства метеорных тел является солнечная система, но некоторые из них рождены где-то в других звездных мирах.

Есть метеорные тела, движущиеся относительно Земли со сравнительно небольшими скоростями, а есть и такие, относительная скорость которых достигает 200 километров в секунду. Большая часть метеоритов — каменные, состоящие в основном из силикатов, то есть соединений кислорода с кремнием, и на четверть — из железа. Остальная часть — около одной десятой — железные метеориты, состоящие примерно на 90 процентов из железа и на 9 процентов из никеля (содержание никеля доходит иногда до 40 процентов).

В последнее время получены новые, весьма интересные сведения о строении метеоров, не достигающих земной поверхности и сгорающих в атмосфере. Эти сведения получены на основе исследований с помощью ракет. Конечно, ракеты не занимались ловлей таких метеоров в полете, но зато они позволили гораздо точнее, чем раньше, измерить плотность атмосферы на больших высотах. Сравнение этих измерений с данными, полученными ранее по результатам наблюдений за метеорами, со всей несомненностью установили, что метеоры должны иметь гораздо меньшую плотность, чем считалось ранее. Эта плотность в несколько десятков раз меньше, чем у воды. По одним предположениям, такая малая плотность объясняется тем, что метеоры состоят из замерзших газов, по другим, более вероятным, тем, что они являются не сплошными каменными и металлическими частицами, а рыхлыми телами, напоминающими скорее всего хлопья снега или копоти.

В свое время мир был потрясен катастрофой, последовавшей в результате происшедшего в тумане столкновения океанского парохода «Титаник» с плавающей ледяной горой — айсбергом. Но каким игрушечным кажется это столкновение по сравнению с возможной встречей межпланетного корабля с горой, мчащейся с ужасающей скоростью во тьме мирового пространства! После такой встречи от корабля не останется ни малейших следов.

Понятно, почему проблема столкновения корабля с метеорными телами привлекает к себе внимание астронавтики, — ведь она может оказаться роковой для самой возможности осуществления межпланетного полета. По существу, эта проблема сводится к двум самостоятельным вопросам. Во-первых, важно знать, какова вероятность столкновения межпланетного корабля с метеорными телами различного рода, то есть имеющими различные размеры, состав и скорость полета; во-вторых, нужно знать и то, к каким результатам может привести столкновение корабля с метеорным телом данного вида.

Насколько же реальна угроза столкновения межпланетного корабля с метеорным телом?

Судя по тому поистине колоссальному количеству метеорных тел, которые непрерывно врываются в земную атмосферу, создавая замечательную картину метеора — «падающей звезды», мировое пространство кишмя кишит метеорными телами.

Действительно, в земную атмосферу ежедневно врывается, как показали наблюдения, не менее нескольких десятков миллионов различного рода метеорных тел, а по некоторым данным, даже миллиарды этих космических снарядов, общей массой в несколько тысяч тонн. Поэтому часто высказывалось предположение, что пробиться через эту «огневую завесу» практически невозможно.

Однако такое пессимистическое заключение было бы по меньшей мере слишком поспешным.

Прежде всего, конечно, существует огромная разница между Землей, имеющей диаметр около 13 тысяч километров и мощное поле тяготения, и межпланетным кораблем длиной всего в несколько десятков метров и не имеющим собственного поля тяготения.

Кроме того, подавляющая часть всех метеорных тел, врывающихся в земную атмосферу, имеет столь ничтожные размеры, что столкновение с ними не представит для межпланетного корабля никакой опасности, и им можно поэтому пренебречь.

Чтобы попытаться определить путем теоретического расчета вероятность столкновения межпланетного корабля с метеорным телом, нужно знать плотность этих тел в околосолнечном пространстве, то есть общее их число, проходящее через пространство данного объема в единицу времени, и направления их полета. Единственным способом получить ответ на эти вопросы в настоящее время являются наблюдения за метеорными телами, падающими на Землю. Земной поверхности достигают лишь очень редкие, самые крупные метеорные тела. К числу наиболее крупных принадлежит, например, знаменитый Сихотэ-Алиньский метеорит[136] (1947 год) или не менее знаменитый Тунгусский метеорит, упавший в 1908 году на реке Подкаменной Тунгуске в Якутии и заставивший воспламениться фантазию писателей, не замедливших принять это небесное тело за взорвавшийся атомный корабль каких-нибудь марсиан или жителей Венеры.[137]

Подобные метеориты так редки, что о них не стоит и говорить.

Большинство метеорных тел земной поверхности не достигает, они сгорают в атмосфере, образуя яркий светящийся след метеора — «падающей звезды».[138] Этот след позволяет установить примерное число метеоров, падающих на Землю по ночам, и таким образом хотя бы очень приблизительно определить общее число метеоров, падающих за сутки.

В последнее время наряду с таким методом наблюдений появился еще один чрезвычайно ценный метод, позволяющий регистрировать падение гораздо более мелких метеорных тел, не улавливаемых при наблюдении в телескоп, и, кроме того, с равным успехом пригодный для наблюдений как ночью, так и днем. Этот метод основан на использовании радиолокационных станций.

Кинетическая энергия метеорного тела, с огромной скоростью врывающегося в земную атмосферу и сгорающего в ней, преобразуется в тепловую энергию, которая раскаляет «воздушную подушку», движущуюся перед метеором. Она также преобразуется в световую энергию, что и позволяет видеть метеор, и в энергию ионизации молекул воздуха, расположенных вблизи падающего метеора.

Распределение этих видов энергии примерно таково, что тепловая энергия в 100 раз превышает световую, а эта последняя в 100 раз превышает энергию ионизации, то есть только 1 процент всей кинетической энергии переходит в световую и 0,01 процента — в энергию ионизации, вся же остальная энергия переходит в тепло.

Тем не менее столб ионизированного воздуха, который образуется в атмосфере после пролета метеора, имеет в длину несколько километров и является тем несомненным признаком, по которому радиолокационная станция не только устанавливает сам факт пролета метеора, но и определяет его примерную величину. Радиолуч, посылаемый в небо, наталкивается на этот столб наэлектризованного воздуха и отражается от него, как от препятствия. Отраженный луч улавливается в качестве радиоэха приемной частью установки, что позволяет судить о высоте пролета метеора и его величине.

По имеющимся данным наблюдений, общее число метеорных частиц, с которыми грозит столкновение межпланетному кораблю, может быть оценено исходя из того, что на Землю в сутки падает примерно 100 миллионов таких частиц. При этом во внимание принимаются лишь частицы с массой не меньше 1 миллиграмма. Даже и такая ничтожно малая частица, по размерам не превышающая пылинки, если она имеет скорость в десятки километров в секунду, представляет собой смертельную опасность для человека, так как она произведет на него такое же действие, как и выстрел в упор из пистолета крупного калибра.[139]

Зная общую плотность метеорных тел и допуская, что во все стороны мчится одно и то же их количество, можно определить время, которое пройдет между двумя последовательными столкновениями межпланетного корабля с метеорным телом.

Такой расчет показывает, что столкновение межпланетного корабля с метеорным телом, которое может пробить его оболочку, будет происходить не чаще одного раза в десятки лет. Попадание молнии в человека является гораздо более вероятным событием у нас на Земле.

Правда, в каждом полете корабль будет обязательно сталкиваться, и по многу раз, с микроскопическими метеорными телами, имеющими диаметр меньше 0,01 миллиметра. Подобной метеорной пылью «кишмя кишит» наша солнечная система, в особенности в плоскости эклиптики. О ее существовании ученые судят по так называемому зодиакальному свету — яркому конусу, простирающемуся в вечернем небе с места, где зашло Солнце; он образуется метеорной пылью, рассеивающей солнечный свет, когда самого Солнца уже не видно. Некоторое время назад наука получила еще одно, несколько неожиданное, подтверждение существования межпланетного пылевого облака. Это подтверждение было найдено на дне… океана! Глубоководные экспедиции обнаружили на океанском дне отложения с очень большим, необычным для земной коры, но характерным для железных метеоритов содержанием никеля. Как попал никель на дно океана? Считается, что единственной возможностью является метеорная пыль. Оказывается, достигать земной поверхности, не успевая сгореть в атмосфере, способны не только самые большие метеорные тела, но и самые малые. На этот раз спасительной является именно малая масса пылинок. Поверхность пылинок настолько велика по сравнению с массой и энергией, что пылинка при падении в атмосфере не нагревается до большой температуры и благополучно достигает земной поверхности. На дне глубоких океанских впадин метеорная пыль накапливалась веками и там-то она и была обнаружена.

Конечно, метеорная пыль попадает и на сушу. Отмечены многократные подобные случаи, в частности в Сибири. Иногда пыль выпадает с дождем, отчего он приобретает красноватый цвет, что случилось, например, 2 июля 1941 года в районе Омска. А иногда пыль просто оседает на почве, например 3 сентября 1956 года тоже в Омске; хрупкие пылинки диаметром от пяти сотых до одной тысячной миллиметра содержали в себе железо, никель и другие металлы.

Кстати сказать, имеется предположение, что частицы метеорной пыли, медленно падающие на Землю (они дрейфуют в атмосфере 30–40 дней), могут оказаться центрами кристаллизации льда в переохлажденных облаках и поэтому вызывать осадки. Если это предположение верно, то искусственные спутники, регистрирующие появление метеорных дождей, могут тем самым сигнализировать о приближающемся периоде дождей настоящих.

Все имеющиеся данные показывают, что ежедневно на Землю падают тонны метеорной пыли. Космическому кораблю придется буквально пробиваться через толщу пыли; хотя, по расчетам, одна метеорная пылинка отстоит от другой на расстоянии 25–30 метров, из-за большой скорости корабля он будет встречаться с огромным числом пылинок.

Действительно, значительное число попаданий микрометеоритов было зафиксировано в полетах высотных ракет. Однако подобные столкновения способны лишь сделать матовой, испещрить ничтожными крапинками первоначально блестящую поверхность металла. Обычно для регистрации попаданий микрометеоритов на обшивке ракет укрепляют пластинки полированного металла, чтобы по изменению их поверхности судить о количестве и характере столкновений. Иногда заподлицо с обшивкой устанавливают небольшие микрофоны, в которых возникает характерный щелчок при каждом столкновении с метеоритом. Щелчок регистрируется на магнитной ленте или передается на Землю по радио. На третьем советском искусственном спутнике Земли для этой же цели были использованы пьезометрические датчики, в которых механическая энергия соударения метеорита со спутником преобразуется в электрический импульс. Таким образом удавалось судить как о количестве соударяющихся метеоритов, так и об их энергии. Эти данные передавались земным наблюдательным станциям.

Итак, микрометеоритов множество, но они не страшны кораблю, опасных же столкновений можно ждать лишь раз в десятки лет. Правда, когда корабль попадет в метеорный рой, вероятность столкновения резко увеличится, и вместо одного опасного столкновения в десятки лет оно может происходить примерно один раз в несколько месяцев.

Поэтому метеорных потоков, конечно, придется избегать, хотя и они не будут очень опасными для кораблей, совершающих полет на Луну, если учесть, что его длительность не превышает 100 часов. Ведь даже для советских искусственных спутников метеорные потоки не оказались опасными.

Второй важнейший вопрос в проблеме столкновения межпланетного корабля с метеорным телом связан с тем, какое разрушение будет причинено кораблю. Ведь как ни редки возможные столкновения корабля с достаточно крупным метеорным телом, в соответствии с приведенными выше расчетами, основанными на теории вероятности, но они все-таки возможны. Экипаж корабля, столкнувшегося с метеорным телом, вряд ли в последнюю секунду своей жизни найдет утешение в том, что это исключительно редкий случай.

Конечно, надо предусмотреть и редкую возможность столкновения, чтобы сделать межпланетный полет максимально безопасным и в этом отношении.

К сожалению, достоверными данными о разрушениях, причиняемых снарядами, мчащимися со скоростями до 100 и более километров в секунду, наука в настоящее время не располагает. Артиллерия имеет дело со снарядами, скорость которых не превышает обычно 1,5 километра в секунду.

Можно лишь предполагать, что основные разрушения, вызываемые столкновением корабля с метеорным телом, будут связаны со взрывным испарением самого метеорного тела и некоторой части оболочки корабля. Ведь уже при скорости 4–5 километров в секунду твердое тело становится подобным сильно сжатому газу — при столкновении оно взрывается. Именно этим объясняется, очевидно, то обстоятельство, что на месте падения Тунгусского метеорита не удалось обнаружить ни малейшего его кусочка — он испарился!

Большую опасность представляет также ударная волна, возникающая в оболочке корабля при столкновении с метеоритом. В особенности опасна эта волна для приборов и оборудования, связанного с оболочкой, — они почти наверняка выйдут из строя, не выдержав огромных, хотя и мгновенных, нагрузок. Это должно быть тщательно учтено при проектировании корабля.

Некоторые проведенные расчеты показали, что глубина проникновения метеорного тела в оболочку межпланетного корабля будет примерно пропорциональна диаметру этого тела. В самом легком случае, когда оболочка корабля изготовлена из стали, а метеорит каменный, он проникает в оболочку на глубину, примерно в 3 раза превышающую его диаметр. В самом тяжелом случае, когда оболочка сделана из дюраля, а метеорит железный, глубина проникновения составит примерно 16 диаметров. Это позволяет подсчитать, зная материал, из которого изготовлена оболочка, ее толщину, а также вероятность столкновения корабля с метеорным телом, как часто можно ожидать пробоя оболочки корабля при столкновении.

Оказывается, судя по этим приближенным расчетам, пробой стальной оболочки корабля толщиной в 1 миллиметр будет происходить примерно 1 раз в несколько месяцев полета (если считать, что метеоры имеют рыхлую структуру, о чем упоминалось выше, то вероятность пробоя гораздо меньше). Конечно, не всякое такое столкновение приведет к катастрофе — образовавшуюся пробоину можно закрыть пластырем; можно также сделать стенки пассажирской кабины протестированными, как это делается с топливными баками самолетов и, в последнее время, даже с самолетными и автомобильными шинами. В этом случае слой специального вещества, нанесенного на внутреннюю поверхность стенки, сам затянет пробоину.

Опасность пробоя оболочки корабля можно значительно уменьшить, если снабдить его специальным противометеорным защитным экраном. Изготовленный из листового дюраля толщиной в 1 миллиметр, в виде оболочки, облегающей корабль с зазором 20–30 миллиметров, экран уменьшит вероятность пробоя оболочки корабля с 1 раза за несколько месяцев до 1 раза за десятки лет, так как большая часть всех метеорных тел будет испаряться при столкновении с экраном. Экран защитит оболочку корабля и от опасного действия ударной волны.

Таким образом, угроза столкновения с метеорным телом не может оказаться препятствием для совершения межпланетного полета. И все же межпланетный корабль должен быть полностью избавлен от риска даже случайного столкновения, грозящего ему гибелью. Этого можно добиться с помощью радиолокационной установки на корабле. Радиолуч, посылаемый установкой, будет непрерывно «прощупывать» все пространство вокруг корабля на сотни тысяч километров. Если луч обнаружит метеорит,[140] то на экране у командира корабля вспыхнет предупреждающий сигнал. Включенные командиром или автоматом устройства определят скорость и направление полета опасного соседа корабля в мировом пространстве, произведут необходимые вычисления и, если имеется угроза столкновения, укажут необходимое изменение курса корабля. Двигатель корабля будет включен на мгновение, и этого будет достаточно, чтобы избежать трагического столкновения. Возможно, что вместо включения двигателя корабля можно будет воспользоваться лучистой «пушкой», посылающей с корабля навстречу метеориту мощный пучок электрически заряженных молекул[141] — ионов какого-либо вещества — или же коротковолновых радиолучей. Сила реакции этих лучей немного отклонит корабль, немного — метеорит, и в результате их ранее пересекавшиеся траектории разойдутся. Пассажиры межпланетного корабля смогут при удаче лишь на мгновение увидеть метеорит, когда он, освещенный мощным прожектором корабля, молнией промелькнет мимо иллюминаторов пассажирской кабины, как бы беззвучно напоминая о только что миновавшей страшной опасности.

Но, может быть, еще лучше воспользоваться, как это иногда предлагают, не лучистой, а обычной пушкой, с помощью которой в упор «расстрелять» разрывными снарядами приближающийся метеорит? Его осколки, даже если они и столкнутся с кораблем, не будут уже представлять для него большой опасности.

Во всяком случае метеорная опасность не остановит человека на его пути к далеким мирам.

Рано утром юных путешественников подняли с постели. Ночь на Луне длится, как известно, две недели, и столько же потом длится день, но в данном случае утро на Земле и утро на Луне совпадали. Это было раннее утро и на Луне, ибо скоро должно было взойти Солнце, которого здесь уже не видели полмесяца. Вот в чем заключался тот сюрприз, на который юным астрономам намекали еще на Земле; как ни бились они над этой загадкой в пути, так и не додумались до ее решения. Прибытие экскурсантов на Луну было заранее рассчитано так, чтобы они могли видеть восход Солнца на Луне — необычайно красивое и, как видите, довольно редкое явление. Зато, правда, длится восход Солнца на Луне не 1–2 минуты, как на Земле, а целый час.

Уже через полчаса все ребята во главе с руководителем, который был выделен для них на Луне, в скафандрах гуськом отправились на то место, которое было намечено для наблюдения за восходом Солнца. Пока ничто не указывало на близкое появление нашего дневного светила. Небо на востоке не было окрашено, как это бывает перед восходом Солнца у нас на Земле, потому что на Луне нет необходимой для этого атмосферы. Только холодно блистали мириады немерцающих звезд, да в наполненном их матовым свечением черном небе висел земной диск, все там же, где и вчера, при посадке. Он, как пришпиленный, стоял в одной и той же точке неба: ведь Земля не передвигается по лунному небосводу, как Луна по земному, так что на Луне не бывает ни восхода, ни захода Земли. Эта особенность лунного ландшафта честно служит людям на Луне — по положению Земли на небе они легко определяют свое местоположение на лунной поверхности. Заблудиться на Луне трудно, ведь Земля видна на всей поверхности Луны, которую мы всегда видим с Земли. Другое дело — на «задней» стороне Луны. Посадочная площадка была расположена сравнительно недалеко от края видимого с Земли лунного диска, в Море Дождей, вблизи знаменитой уединенной вершины Питон, и поэтому Земля стояла довольно низко. Если бы наши экскурсанты сели вблизи лунного полюса, они видели бы Землю у самого горизонта.

А как много звезд на небосводе! На Земле мы видим простым глазом около 3000 звезд, а здесь как бы пелена спадает с глаз… Впрочем, расположение знакомых, наиболее ярких звезд не изменилось — что значат по сравнению с расстоянием до звезд те 384 тысячи километров, которые отделяют Луну от Земли!

Внезапно на черном фоне неба ослепительно ярко засияли вершины высоких гор, точно освещенные мощными прожекторами. Сверкали только вершины; граница между ярким светом и черной тенью была необычайно резкой; этого не увидишь на Земле, где свет рассеивается в атмосфере.

И вот показалось Солнце. Оно совсем не было похоже на ярко-красный шар, который мы видим во время восхода на Земле. Солнце возникло, как ослепительная, пламенная гигантская звезда, предшествуемая короной, фонтанами, струями света. Незабываемая игра красок! А вдали от Солнца небо оставалось таким же бархатно-черным, наполненным матовым свечением, и так же блистали на нем звезды.

Косые лучи Солнца осветили все вокруг, и школьники огляделись. Странный, мрачный, безжизненный мир лежал перед ними.

Море Дождей, на котором они находились, как и другие «моря» на Луне, вовсе не было морем. И, конечно, там никогда не выпадало ни капли дождя. Точно так же и Болото Туманов, вблизи которого совершил посадку корабль, никогда не было болотом, и никогда над ним не расстилались туманы. Эти названия являются результатом заблуждения первых астрономов, начиная с Галилея, принимавших темные области на Луне за водные пространства. В действительности «моря» — огромные бесплодные каменистые пустыни, а более светлые места поверхности Луны образованы песчаными и глинистыми породами. Поверхность Луны покрыта слоем пыли, являющейся результатом вулканической деятельности и взрывов, происходивших при падении метеоритов. Нигде не видно ни малейшей совершенно гладкой, ровной площадки. Почва изрыта кратерами, или цирками, различной величины. Некоторые из них имеют диаметр более 100 километров. Вся местность вокруг изрезана глубокими расселинами и трещинами, покрыта грудами обломков пород и поэтому совершенно непроходима. Цвет почвы в основном темный, серый с коричневым, хотя некоторые кратеры имеют светлую поверхность, напоминающую пемзу; это сходство увеличивается пузырчатостью многих поверхностных пород.

Рельеф горных цепей резкий; всюду острые грани, выступающие пики; нигде не видно округлостей, плавных переходов — всего того, что связано у нас на Земле с действием воды и ветра.

Отсутствие атмосферы делает видимость на Луне очень хорошей, без свойственной Земле туманной дымки далей. Но здесь все так неприятно резко, такие резкие переходы от света к тени — полутеней, ласкающих взгляд на Земле, совсем нет. То, что находится в тени, увидеть нельзя, если рядом нет освещенных поверхностей. Ребята отчетливо, во всех деталях, видели горы, которые находились от них, как оказалось, на расстоянии 60 километров. Правда, эти горы показались им очень невысокими, тогда как в действительности они имели высоту около 7 километров, как величайшие горные цепи на Земле. Эта ошибка объясняется большой кривизной поверхности Луны, диаметр которой почти в 4 раза меньше земного: удаляющийся человек на Луне очень быстро скрывался за горизонтом — на расстоянии 5 километров его уже не было видно.

На Земле наши экскурсанты много слышали о том, что из-за малой массы Луны вес на ней в 6 раз меньше земного, и потому на Луне можно, не рискуя, спрыгнуть со скалы высотой в 20 метров или перепрыгнуть такой же ширины ущелье. Кое-кто из наших путешественников жаждал поскорее испытать эти ощущения, чтобы потом на Земле с гордостью рассказать об этом приятелям. Однако, к их сожалению, тяжелый скафандр со всем необходимым снаряжением делал их только немногим более легкими, чем на Земле, а массивность этих костюмов превратила подвижных ребят в весьма степенных «дядей», способных передвигаться по Луне лишь с удручающей медлительностью. Тут уж не до цирковых трюков!

Незаметно промелькнули дни, в течение которых юным астрономам разрешили погостить на Луне. Какими только интересными делами не были они заполнены! Школьники занимались астрономическими наблюдениями, невозможными на Земле. Фотографировали солнечную корону, устраивая искусственное «солнечное затмение», — для этого достаточно было закрыть солнечный диск кружком картона. Как потом гордились они этими уникальными снимками!

Запомнились школьникам экскурсии к различным «знаменитым» местам на Луне, вызывавшим в свое время жаркие дискуссии астрономов, — их загадки были разрешены только после посадки на Луну. Одним из первых они посетили расположенный недалеко от места посадки огромный кратер Платон, чтобы выяснить, почему цвет дна этого кратера становится более темным, когда на него падают солнечные лучи. Этот кратер привлекал их внимание еще и потому, что некоторые астрономы утверждали, будто видели в 1948 году вблизи него яркое желто-коричневое свечение — след падения огромного метеорита, вроде Тунгусского. Очень интересно было это проверить.

Побывали они и в кратере Аристарх, имеющем диаметр более 45 километров и глубину 1,5 километра. Центральный пик этого кратера — самое светлое пятно на лунной поверхности, видимой с Земли: он ярко сияет даже в пепельном свете Земли. Ребята выяснили, какая это порода так хорошо отражает солнечный свет. Интересно было выяснить и то, что это за темные радиальные полосы идут от центрального пика этого кратера наружу.

Были ребята и в кратере Теофил — типичном кратере с кольцевой горой по окружности и горой в центре, и в кратере, названном именем великого польского астронома Николая Коперника. По пути на Теофил они пролетали над самым центром видимого с Земли лунного диска. Любовались одним из высочайших горных хребтов на Луне, расположенным почти у самого южного полюса, — горами Лейбница, чьи вершины возносятся на высоту почти 9 километров над средним уровнем лунной поверхности. Там же, вблизи южного полюса, они видели один из самых больших кратеров на Луне, Клавий, — его диаметр превышает 200 километров, и один из самых глубоких кратеров, глубиной около 8 километров. Побывали они и в единственной в своем роде на Луне долине Альп, отгороженной высокими горами от Моря Дождей. Эта долина, имеющая 10 километров в ширину в самой широкой своей части и более 120 километров в длину, представляет площадку с гладкой поверхностью, какой-то гигантский разрез горной цепи, происхождение которого не получило еще удовлетворительного объяснения. Были они и у другой такой «диковинки» на Луне — Прямой Стены, расположенной в Море Облаков. Этот уступ — вертикальный обрыв высотой до 600 метров — очень поразил наших путешественников: отчего он такой прямой и высокий? Неужели он образовался во время какого-то страшного «лунотрясения»!

Побывав в Море Облаков, путешественники не смогли, конечно, не заглянуть и на расположенный недалеко от Прямой Стены кратер Альфонса, ставший знаменитым с тех пор, как советский астроном Н. А. Козырев обнаружил 3 ноября 1958 года вулканическое извержение, происходящее из центрального пика этого кратера. Ведь это был первый случай подобного рода!

Перелетев через Лунный Кавказ, ребята побывали в Море Ясности, у загадочного кратера Линнея, почти исчезнувшего на глазах изумленных астрономов, наблюдавших за ним с Земли. В прошлом столетии этот кратер был виден отчетливо, а теперь еле заметен. Как было не выяснить, что стряслось с этим необыкновенным кратером!

Лазили внутрь загадочного, как многое на Луне, кратера Тихо Браге, почти на самом южном краю лунного диска; этот кратер является центром самой мощной на лунной поверхности системы «лучей» — светлых полос, расходящихся от кратера почти по всей поверхности лунного диска. Эти «лучи» ничто не останавливает: ни горы, ни впадины. Что представляют собой таинственные «лучи» — следы взрывов при вулканических извержениях или при падениях гигантских метеоритов? Сконденсированные пары, заполнившие трещины, образовавшиеся вместе с самим кратером? Возвратившись на Землю, юные астрономы расскажут об этом своим товарищам.

Во время путешествий по Луне экскурсанты пользовались специальным экскурсионным ракетным кораблем. Они фотографировали и с корабля и после посадки все, что казалось им примечательным и что могло заинтересовать их друзей на Земле, — ведь им надо будет обо всем рассказать после возвращения.

С особенным интересом осматривали школьники сооружения, воздвигнутые на Луне за годы, которые прошли с тех пор, как первый человек ступил на лунную поверхность. Они познакомились с «подлунными» заводами по производству топлива для жидкостных ракетных двигателей межпланетных кораблей. Эти заводы уже не только полностью обеспечивали топливом корабли, совершавшие посадку на Луну, но и снабжали им межпланетные станции — искусственные спутники Земли и Луны. Контейнеры с топливом отправлялись на эти станции с помощью огромной электромагнитной катапульты.

Экскурсанты осмотрели гигантские солнечные энергостанции, снабжавшие электроэнергией и теплом предприятия и жилые сооружения лунных поселений. Были в центральной диспетчерской, откуда осуществлялось управление несколькими атомными электростанциями, расположенными на расстоянии до 150 километров от этой диспетчерской. Спускались в шахты рудников, в которых велась добыча многих редких и ценных металлов и минералов.

По вечерам в «подлунном» клубе ребята смотрели телевизионные передачи с Земли, причем в одной передаче, устроенной специально для них, они увидели своих родных и товарищей. Подолгу затягивались беседы с ветеранами, прожившими на Луне по нескольку лет и только отпуск проводившими на Земле, в черноморских здравницах и подмосковных санаториях. Эти беседы были едва ли не самым любимым времяпровождением ребят — так много интересного и увлекательного узнавали они о героической борьбе людей за освоение Луны.

С огромным удовольствием проводили ребята время и в таком же «подлунном» спортзале. Вначале, когда им предложили позаниматься спортом на Луне, это не вызвало никакого энтузиазма: «Не для этого же мы летели сюда, нам время здесь дорого, спортом мы и дома займемся…» Но потом каждый старался при первой же возможности заглянуть в спортзал — таким необычным и увлекательным оказался этот спорт на Луне! Колоссальных размеров спортзал, под который была приспособлена одна из обнаруженных на Луне гигантских пещер, был почти пуст. Когда ребята впервые вошли в него, они сначала не заметили ничего особенного, но затем ахнули, да так и остались с раскрытыми ртами: под самым куполом летал… человек! Он то парил на больших крыльях из какой-то прозрачной пластмассы, натянутой на легкий каркас, то стремительно бросался вниз, чтобы у самого пола снова взмыть вверх, Это было потрясающее, невиданное, захватывающее дух зрелище.

Вскоре ребята узнали, в чем секрет это-го «плавания» в воздухе на Луне, почему здесь люди смогли научиться искусству птиц. Секрет заключался в малой силе тяжести на Луне. При такой небольшой тяжести силы человеческих мышц уже оказалось достаточным для того, чтобы осуществить этот «безмоторный» полет. «Эх, жаль, — сейчас же подумали ребята, — что на Луне нет воздуха. Вот бы парить над лунными горами!» С большими предосторожностями разрешили и юным путешественникам полетать в спортзале. «Лучше этого ощущения ничего не было», — признавались они потом.

Во время пребывания на Луне выяснилось, что для ребят припасен еще один сюрприз. О нем рассказал штурман. Улетая с Луны, корабль облетит ее «заднюю» сторону, которая стала доступной людям только после того, как их межпланетные корабли смогли облететь вокруг Луны. Тысячелетиями люди наблюдают с Земли одну и ту же поверхность лунного диска, чуть больше половины, около ³/₅ всей поверхности Луны. (Ребята с интересом узнали, что по площади видимая нами с Земли поверхность Луны примерно равна поверхности Советского Союза.) Вот почему во всех планетариях мира одна сторона шара, изображающего Луну, была гладкой — люди не знали, какова эта часть Луны. Это объясняется тем, что вращение Луны вокруг своей оси под действием приливных сил, вызываемых силой земного тяготения, постепенно замедлилось. Когда-то оно было быстрым, теперь же Луна делает только один оборот вокруг своей оси за время одного полного обращения вокруг Земли, то есть примерно за месяц. Поэтому и обращена она к Земле всегда одной и той же стороной. Она лишь слегка покачивается относительно этого положения равновесия, что и позволяет чуть-чуть заглядывать «за Луну». Эти же приливные силы превратили Луну из шара в какое-то подобие гигантской груши, образовав на ней выступ высотой почти в километр, которым Луна и «глядит» все время на Землю.

И вот ребятам удастся видеть оборотную сторону Луны, сфотографировать ее, рассказать о ней потом друзьям. Какая удача!

Но ребятам повезло не только в этом. На черном небе Луны они увидели редкую гостью у «берегов Земли» — комету, «косматую звезду». Это была комета Галлея, которая движется вокруг Солнца по вытянутой эллиптической орбите, возвращаясь к нему раз в три четверти века (точнее раз в 76 лет). Кометы представляют собой, пожалуй, наиболее загадочные, хотя и весьма многочисленные, небесные тела в солнечной системе (еще известный астроном XVII века Иоганн Кеплер говорил, что «комет в небесном пространстве столько же, сколько рыб в океане»; советские ученые установили, что в пределах солнечной системы движутся тысячи миллиардов комет). Большая часть комет движется вокруг Солнца по орбитам, практически не отличающимся от параболы. Такие кометы возвращаются к Солнцу лишь раз за несколько десятков тысяч, а может быть, и сотен тысяч лет.

Кстати сказать, по новейшим представлениям, «поставщиком» комет является колоссальное «облако» ледяных глыб, образованных из замерзших газов с твердыми включениями. Эти глыбы сравнительно медленно движутся вокруг Солнца на огромных расстояниях от него — поперечник этого «кометного облака» в 2000 раз превышает поперечник нашей солнечной системы. Вот еще через какой «барьер» придется пробиться межзвездным кораблям! Некоторые из этих замерзших глыб, когда они приближаются к Солнцу на меньшие расстояния, и становятся кометами.

Комета Галлея, пожалуй, наиболее интересная из всех комет, которые наблюдались уже при нескольких возвращениях к Солнцу. Она очень ярка, тогда как все остальные кометы этого вида слабы. Ее период обращения — наибольший по сравнению с другими подобными кометами. Направление движения кометы Галлея — противоположное не только вращению планет вокруг Солнца, но и всех других известных комет; она в этом отношении единственное известное исключение.

Комета Галлея названа так по имени астронома — современника Ньютона. Галлей в 1682 году, во время очередного появления этой кометы, предсказал ее возвращение через 75 лет; это было первое предсказание такого рода. Возвращение кометы Галлея можно проследить по старинным рукописям на 2000 лет назад. Последнее появление кометы Галлея вблизи Солнца произошло в 1910 году. 19 мая 1910 года комета прошла между Солнцем и Землей на расстоянии 24 миллионов километров от Земли, так что Земля, вероятно, «пронзила» хвост кометы, имеющий гораздо большую длину — около 30 миллионов километров.

И вот эта комета снова вернулась…[143]

Наступил наконец и день возвращения на Землю. Пора было собираться — Солнце уже стояло над самым горизонтом. Вот-вот должна была наступить долгая лунная ночь с ее немилосердными морозами. Наши путешественники, в суете лунных дел совсем было забывшие о своем корабле, теперь его даже не узнали. Корабль по-прежнему стоял носом вниз на своих четырех «ногах», но теперь сверху на нем установили громадный добавочный бак с топливом. В этом баке, собственный вес которого составлял 3 тонны, помещалось 36 тонн топлива. Кроме того, на концах крыльев установили еще два шарообразных бака с топливом. Каждый из них весил всего по 250 килограммов, и в нем находилось по 3,25 тонны топлива. Таким образом, корабль весил теперь 68 тонн (весил бы на Земле столько, так как на Луне его вес составлял всего 11 тонн с небольшим), из которых 58,5 тонны приходилось на долю топлива.

Штурман-радист, о дружбе с которым ребята не забывали и во время пребывания на Луне, объяснил им, почему корабль при взлете с Луны весит меньше, чем при отправлении с Земли. Скорость отрыва от Луны равна всего 2⅓ километра в секунду (вот почему неудивительно, что Луна давным-давно растеряла свою атмосферу — молекулы газов обладали большей скоростью и навсегда покинули Луну). Кроме того, при посадке на Землю торможение двигателем погасит примерно только половину всей скорости падающего корабля, а остальная часть скорости будет погашена за счет сопротивления воздуха при полете в земной атмосфере. Вот здесь-то и пригодятся крылья — с их помощью корабль сможет совершить длительный планирующий полет вокруг Земли, при котором и будет погашена оставшаяся излишняя скорость.

— В общем, — сказал штурман, — запас топлива на обратный путь был определен исходя из того, что этого топлива должно было бы хватить на разгон корабля при отсутствии влияния тяжести и воздушного сопротивления до скорости 9,2 километра в секунду, что составляет только 60 процентов этой скорости при взлете с Земли. На уменьшении запаса топлива сказываются и уменьшение потерь скорости при взлете с Луны по сравнению с торможением во время посадки на нее, и меньший вес добавочных баков.

Тепло попрощавшись со своими лунными друзьями, захватив их письма на Землю, наши путешественники забрались снова в кабину корабля, имевшую тот же вид, что и в момент посадки на Луну. Та же пятиярусная спальня, опять экипаж под пассажирами и часы на полу.

Задраены двери, опробован двигатель, зеленая ракета — и корабль, вздрогнув, отрывается от Луны.

Тяга двигателя, равная, как вы, наверное, помните, 70 тоннам, способна сообщить кораблю, весящему при взлете с Луны 68 тонн, ускорение, почти равное земному: 10 метров в секунду каждую секунду. Это, конечно, в 6 раз больше, чем ускорение лунного притяжения, так что во время вертикального подъема скорость корабля увеличивается на 8 с лишним метров в секунду за каждую секунду подъема. Вес пассажиров в этот момент практически равен их земному весу, перегрузка равна единице.

Однако по мере выработки топлива вес корабля будет уменьшаться, а ускорение — увеличиваться, так как тяга двигателя при этом остается неизменной. К концу взлета, когда корабль приобретет скорость около 3 километров в секунду и все топливо из дополнительного бака будет выработано, корабль будет весить всего 32 тонны, и перегрузка достигнет двух. Все равно это меньше, чем при взлете с Земли, но всем было снова приказано лечь на койки.

Грохочет двигатель. Как интересно получается: внутри корабля, за изолированными стенками, его рев слышен, хотя и приглушенно, а провожающие корабль жители лунного поселения ничего слышать не могут, для них корабль взлетает бесшумно — по лишенному воздуха пространству звук не передается.

Совсем немного поднялся корабль над поверхностью Луны, а командир уже поворачивает его круто набок. Для этого ось двигателя несколько отклоняется от оси корабля — двигатель устроен поворотным, как это делается уже давно на тяжелых дальних ракетах. Теперь корабль увеличивает свою скорость, летя на сравнительно небольшой высоте над лунной поверхностью. Так лететь удобнее: потери скорости из-за притяжения к Луне отсутствуют, и пассажирам лучше видно, что делается внизу.

И ребята охотно пользуются предоставляемой им возможностью. Сначала они летят над уже знакомыми местами, узнают горы, моря, кратеры. Но вот все ближе лунный полюс, Земля уже почти скрывается за горизонтом, сейчас она совсем исчезнет, скрытая Луной. Перед глазами ребят расстилается картина лунной поверхности, еще никем не виденная с Земли. Обычный для Луны ландшафт, только, пожалуй, еще более изрезанный рельеф, еще более неровная поверхность.

Поверхность Луны меняет свой вид крайне медленно, так что за все время существования науки ученым не удалось установить сколько-нибудь достоверных изменений этой поверхности.[144] Конечно, нельзя сказать, что на Луне вообще ничего не случается. Ее поверхность подвергается непрерывной бомбардировке метеоритами, воздействию космических лучей и электронных потоков, мчащихся из мирового пространства. На Луну действует сила притяжения к Земле. Смена температур при переходе от дня к ночи и наоборот производит расслаивание горных пород на Луне. Однако из-за отсутствия атмосферы и влаги процессы изменения характера поверхности на Луне идут гораздо медленнее тех, которые происходят у нас на Земле.

Наиболее активные из этих процессов вызываются метеоритными дождями и сменой температур. При переходе от полудня к полуночи температура на поверхности Луны падает на 300° — жара в 130–140° сменяется трескучим морозом, достигающим 150–160°.[145] Однако эта смена температур происходит медленно, постепенно, и ее влияние на изменение лунной поверхности может сказаться только за многие миллионы лет.

Гораздо сильнее сказывается относительно резкая смена температур во время лунных затмений. Когда Земля становится на пути солнечных лучей, мчащихся к Луне, температура лунной поверхности, как показали измерения, снижается больше чем на 250° — с плюс 120° до минус 150° — в течение полутора часов.

Но лунные затмения происходят только на стороне Луны, обращенной к Земле; противоположная ее сторона избавлена от резких температурных изменений, и потому расслаивание лунных пород на этой, «задней», стороне происходит медленнее и ее поверхность оказывается более неровной.

Увлеченные наблюдениями, ребята даже не заметили, как был выключен двигатель и корабль перешел в свободный полет вокруг Луны, чтобы потом направить свой путь к Земле. Снова исчезла тяжесть. Ребят нельзя было оторвать от окон ни на минуту — так необычайно красива была открывающаяся перед ними картина. Два узких серпа: ближний, лунный, и дальний, меньший, земной, — сверкали в лучах Солнца, комета Галлея ослепительно блистала, разбросав на целую половину черно-бархатного неба свой распущенный хвост, Венера сияла над кометой драгоценным алмазом. Незабываемые мгновения!..

Быстро промелькнули два последующих дня в ставшей уже привычной, обжитой кабине корабля. Теперь ребята не отрывают глаз от все увеличивающейся в размерах Земли. Они узнают знакомые очертания материков, любуются отражением Солнца в океане, пытаются угадать точку на земной поверхности, в которой находится Москва.

Готовясь к посадке на Землю, командир корабля решил повернуть его носом к Земле. Это нужно и для торможения корабля с помощью двигателя, установленного в самом острие носа корабля, и для осуществления планирующего полета в земной атмосфере. Корабль должен иметь минимальное сопротивление, иначе торможение будет слишком резким — и корабль может раскалиться и вспыхнуть, повторив судьбу бесчисленных метеоров.

Загудел маховичок в кабине экипажа, раскручиваемый электродвигателем, и корабль стал медленно разворачиваться в противоположную сторону. Поплыли в сторону звезды, Земля. Только по их движению и можно было догадаться об этом повороте корабля. Теперь корабль мчится носом вперед, готовый к опасной встрече с земной атмосферой.

Ставший ненужным огромный топливный бак сбрасывается и сгорает в атмосфере, куда он врывается с огромной, космической скоростью.

Быстро движется стрелка, отсчитывающая теперь километры, оставшиеся до земной поверхности. Вот уже осталось 2000, 1500 километров. Промелькнул автоматический искусственный спутник, безостановочно движущийся вокруг Земли по двухчасовой орбите на высоте 1670 километров, то есть совершающий один полный облет Земли за 2 часа. Судя по форме этого спутника, он используется в качестве автоматической станции ретрансляции передач телевидения.

Скорость корабля превышает 10 километров в секунду, более 36 тысяч километров в час. Чтобы сделать посадку безопасной, надо уменьшить скорость корабля путем торможения его двигателем.

Командир включает двигатель, и снова на 3 с лишним минуты инерционная перегрузка вдавливает тела путешественников в пружинящие сетки коек. Скорость корабля снижается до 5 километров в секунду. Меньше чем через 40 секунд после начала торможения сбрасываются ставшие ненужными крыльевые баки.

Корабль начинает планирующий спуск с высоты в несколько сот километров. Больше одного полного оборота вокруг земного шара совершит он, пока его скорость снизится до скорости полета реактивных самолетов, потом станет еще меньше. Конечно, корабль летит навстречу Солнцу, на восток, то есть в том же направлении, в котором Земля вращается вокруг своей оси, — в этом случае вращение Земли помогает скорее погасить относительную скорость корабля. Вот уже видна на горизонте Москва. Она остается немного в стороне; корабль летит к тому же космопорту, с которого он недавно стартовал в свое далекое путешествие. Уже совсем близко аэродром космопорта. Движением ручки управления от себя командир корабля направляет его нос вниз, к Земле. Включенный двигатель гасит оставшуюся скорость — корабль плавно садится на заранее выпущенные «ноги»-шасси.

Приветственные крики, радостные возгласы, все машут руками, суетятся… Земля!

Вы скажете: «Мечта, фантазия». Верно, мечта. Конечно, фантазия. Но сколько таких дерзновенных мечтаний уже превращено наукой, творческим человеческим трудом в реальную действительность!

И мы твердо знаем, что придет время — и время это не за горами, — когда будет осуществлена и эта дерзновеннейшая из дерзновенных мечта человечества.

Мы убеждены, что осуществить эту мечту суждено советскому народу, строящему светлое будущее человеческого общества — коммунизм.

Мы твердо верим, что пройдут годы, и межпланетные корабли с людьми отправятся в полет к далеким и таким манящим мирам.

Разрешите же пожелать и вам, мои юные читатели, участвовать в таком полете.

I. ФОРМУЛА ЦИОЛКОВСКОГО — ОСНОВНОЙ ЗАКОН РЕАКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ (РАКЕТОДИНАМИКИ)

Формула служит для определения скорости ракеты.

В этой формуле

V — конечная скорость ракеты, которую она приобретает после выработки всего имеющегося на ней топлива. При этом полет ракеты считается происходящим в пространстве, в котором нет среды, оказывающей сопротивление полету, то есть атмосферы, и не действуют силы тяготения. Такое условное пространство Циолковский называл свободным. Эти условия существуют в мировом пространстве на достаточном удалении от звезд;

С — скорость истечения газов из сопла ракетного двигателя. Величины С и V должны исчисляться в одинаковых единицах; обычно такой единицей является м/сек или км/сек;

M нач. — начальная, или взлетная, масса ракеты, то есть ее масса до запуска двигателя (с полным запасом топлива);

M кон. — конечная масса ракеты, то есть ее масса после остановки двигателя из-за выработки всего топлива, находившегося на ракете. Значит,

(М топл. — масса топлива, запасенного на ракете перед стартом).

В литературе можно встретить и другие выражения для этой формулы, вытекающие из приведенной выше:

(m — отношение масс,

часто это отношение называют «числом Циолковского»);

(In — натуральный логарифм);

(е — 2,71828… основание натуральных логарифмов).

Иногда вводится понятие относительного запаса топлива μ_T, показывающего, какая часть взлетного веса ракеты приходится на долю топлива. Очевидно,

1. Скорость истечения газов из двигателя равна 2,5 км/сек, необходимая конечная скорость ракеты 15 км/сек. Каковы должны быть отношение начальной и конечной масс ракеты и относительный запас топлива на ракете?

Воспользуемся формулой V = 2,3·C·lgm.

15 = 2,3·2,5·lgm; lgm = 2,6; m≈400.

то есть вес топлива составляет 99,75 процента взлетного веса ракеты.

Такую ракету построить нельзя.

2. Отношение масс ракеты m= 10. Какова должна быть скорость истечения газов, чтобы ракета достигла скорости 8 км/сек?

Воспользуемся формулой V = 2,3·C·lgm.

Такую скорость истечения можно получить с помощью высококалорийных топлив.

II. ФОРМУЛА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЕЧНОЙ СКОРОСТИ СОСТАВНОЙ (МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ) РАКЕТЫ

Если составная ракета состоит из n ступеней, а скорость истечения газов из двигателей всех ступеней одинакова и равна С, то конечная скорость последней (n-й) ступени

V_n = 2,3·С·lg (m₁·m₂…m_n)

где m₁·m₂…m_n — отношения масс отдельных ступеней ракеты (1-й, 2-й… n-й), представляющие собой отношение начальной массы каждой ступени (включающей массу всех последующих ступеней в качестве полезной нагрузки) к этой же массе за вычетом массы топлива, запасенного на данной ступени.

Примеры использования формулы

Допустим, что ракета состоит из двух ступеней со следующими весовыми данными:

1-я ступень: вес ракеты — 2000 кг, вес топлива — 8000 кг;

2-я ступень: вес ракеты — 400 кг, вес топлива — 1600 кг.

Скорость истечения газов из двигателей обеих ступеней одинакова и равна С = 2500 м/сек.

Какова будет конечная скорость второй ступени ракеты?

По вышеприведенной формуле

V₂ = 2,3 ·2,5·lg15 = 6,76 км/сек.

Если бы ракета была не составной и имела такое же количество топлива, то ее конечная скорость была бы

= 4,02 км/сек.

Как выводится эта формула, например, для трехступенчатой ракеты

Но тогда V₃ = 2,3·C·lgm₁ + 2,3·C·lgm₂ + 2,3·C·lgm₃ = 2,3·C·lg(m₁·m₂·m₃).

III. ФОРМУЛА ТЯГИ РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Эта формула позволяет определить величину тяги реактивного двигателя любого типа. Формула получается на основе закона механики (следствие второго закона Ньютона), по которому изменение количества движения тела равно действующей на него силе (в единицу времени).

Для ракетного двигателя

R = M·C

где R — сила тяги в кг;

М — масса газов, вытекших из двигателя за секунду (масса равна секундному весовому количеству газов, деленному на ускорение земного тяготения, то есть где G_сек — в кг/сек

С — скорость истечения газов в м/сек.

Для воздушно-реактивных двигателей формула для тяги иная, так как изменение скорости воздуха, проходящего через двигатель, равно

C–V,

где V — скорость полета; добавкой топлива к воздуху обычно пренебрегают, так как она относительно невелика. Поэтому в случае воздушно-реактивного двигателя

R = М (С — V)

Примеры использования формул

1. В пороховой ракете сгорает 1 кг пороха в секунду. Газы вытекают со скоростью 1200 м/сек. Какую тягу развивает двигатель?

2. На реактивном истребителе установлен турбореактивный двигатель, через который в полете со скоростью 1440 км/час протекает 120 кг воздуха в секунду. С какой скоростью вытекают при этом газы из двигателя, если его тяга равна 6 т?

С ≈ 900 м/сек.

IV. ФОРМУЛА, СВЯЗЫВАЮЩАЯ СКОРОСТЬ ИСТЕЧЕНИЯ ГАЗОВ С ТЕПЛОТВОРНОСТЬЮ ТОПЛИВА

Скорость истечения газов из сопла ракетного двигателя зависит от теплотворности применяемого топлива и степени совершенства двигателя:

C_макс = 91,5√H

где С_макс. — максимальная теоретическая скорость истечения в м/сек,

Н — теплотворность топлива, то есть количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 кг топлива (измеряется в ккал/кг).

Значит, скорость истечения изменяется пропорционально корню квадратному из теплотворности топлива.

Пример использования формулы

На сколько увеличится теоретическая скорость истечения газов при переходе с пороха, имеющего теплотворность 1000 ккал/кг, на жидкое топливо (керосин + жидкий кислород) с теплотворностью 2400 ккал/кг?

C_пороха = 91,5√1000 = 2890 м/сек,

C_{ж. топл.} = 91,5√2400 = 4490 м/сек,

Конечно, истинные скорости истечения из-за различных потерь в двигателе будут иными, значительно меньшими (для пороха 1400–1800 м/сек, для жидкого топлива 2200–2500 м/сек).

Как выводится эта формула

В двигателе тепловая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию вытекающих газов. Если это преобразование происходит без потерь, то по закону сохранения энергии где А — тепловой эквивалент работы;

Следовательно, С =√2gH/A = √2·9,81·427 Н ≈ 91,5√Н

V. ФОРМУЛА, СВЯЗЫВАЮЩАЯ СКОРОСТЬ ИСТЕЧЕНИЯ С ПАРАМЕТРАМИ ГАЗОВ В ДВИГАТЕЛЕ

Влияние топлива на скорость истечения непосредственно сказывается через параметры газов в двигателе. Эта зависимость дается формулой где Т — абсолютная температура газов в камере сгорания двигателя;

μ — молекулярный вес продуктов сгорания;

const — приближенно постоянная величина для данного двигателя и данных условий его работы (точнее, она несколько зависит и от состава продуктов сгорания).

Значит, скорость истечения газов прямо пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры газов и обратно пропорциональна корню квадратному из молекулярного веса газов.

Пример использования формулы

На сколько изменится скорость истечения газов из жидкостного ракетного двигателя, если температура в нем увеличится с 2500 до 3000°К, а молекулярный вес газов уменьшится с 18 до 14?

По приведенной выше формуле

Значит, скорость истечения увеличится на 24 процента.

I. ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ НЬЮТОНА

где F — сила притяжения между двумя небесными телами;

f — константа тяготения (гравитационная постоянная),

m₁, m₂ — массы притягивающихся тел;

r — расстояние между центрами тяжести этих тел.

Какая сила притяжения больше и на сколько — Луны и Солнца или Луны и Земли?

Сила притяжения Луны и Солнца:

Сила притяжения Земли и Луны:

Очевидно,

Значит, Луна притягивается Солнцем примерно вдвое сильнее, чем Землей.

Вес тела и ускорение земного тяготения изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли:

Здесь G и g — соответственно вес тела и ускорение земного тяготения на высоте Н над Землей;

R — радиус земного шара (R — 6378 км);

G₀ — вес тела у земной поверхности.

На сколько уменьшатся вес и ускорение земного тяготения на высоте орбиты спутника, равной 800 км?

Изменение веса:

то есть вес уменьшится на 21 процент.

На столько же уменьшится и ускорение земного тяготения, то есть g = 9,81·0,79 = 7,75 м/сек².

II. ИСКУССТВЕННЫЙ СПУТНИК ЗЕМЛИ НА КРУГОВОЙ ОРБИТЕ

А. Круговая скорость

Как найти величину круговой скорости, то есть той скорости, с которой должен двигаться спутник, чтобы его высота над Землей оставалась неизменной?

Высота спутника не меняется в том случае если он каждое мгновение на столько же удаляется от Земли в своем движении по инерции, на сколько приближается к ней в результате непрекращающегося падения на Землю. Это и позволяет найти необходимую круговую скорость спутника.

Рассмотрим движение спутника за 1 секунду, причем для простоты будем считать, что спутник движется у самой поверхности Земли, то есть высота равна нулю. Тогда за 1 секунду спутник приблизится к центру Земли, в результате притяжения к ней, на величину

На эту же величину он должен удалиться от центра Земли, что позволяет построить прямоугольный треугольник (см. рисунок).

^{Так можно определить круговую скорость искусственного спутника Земли (масштаб построения не соблюден).}

По теореме Пифагора

V_окp. = √9,81·6 378 000 = 7910 м/сек.

Эту же задачу можно решить и иначе. Если высота спутника не меняется, то это значит, что его центростремительное ускорение в точности равно ускорению земного тяготения. (Это вовсе не означает, как иногда пишут, что центробежная сила «уравновешивает» вес спутника.)

Следовательно,

и

V_окp= √g₀R,

как и ранее.

Как изменяется круговая скорость с высотой орбиты спутника?

Очевидно; на высоте Н

V_кp = √g(R+H)

Но так как то

Это значит, что круговая скорость изменяется обратно пропорционально корню квадратному из расстояния до центра Земли.

Высота Н в км	Круговая скорость Vкр. в м/сек
0	7 910
255	7 760
1 000	7 360
1 670	7 040
35 800	3 080
384 000 (орбита Луны)	1 010

Б. Период обращения спутника

Время, за которое спутник совершит один полный оборот вокруг Земли, равно, очевидно, длине пути за оборот, деленной на круговую скорость:

(Т — так называемый сидерический, или звездный, период обращения).

Но вследствие чего

Подстановка значений R и g₀ дает следующую довольно точную для приближенных расчетов формулу:

T ≈ 0,01 (R+H)^3/2

Высота Н в км	Период обращения спутника Т в сек
0	5 070 (1,4 часа)
255	5 400 (1,5 часа)
1 000	6 340 (1,76 часа)
1 670	7 200 (2 часа)
35 800	86 400 (24 часа)
384 000	2,36·106 (27,3 суток)

III. СКОРОСТЬ ОТРЫВА (ПАРАБОЛИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ)

Скорость отрыва (или параболическая скорость) есть та скорость, которая должна быть сообщена телу у поверхности Земли, чтобы полностью преодолеть поле земного тяготения — удалить тело в бесконечность.

Величина скорости отрыва V_отр. определяется тем, что кинетическая энергия тела должна в этом случае в точности равняться работе преодоления поля тяготения; с помощью высшей математики получаем:

то есть работа полного преодоления поля земного тяготения равна работе поднятия тела при постоянном ускорении силы тяжести, равном его значению у земной поверхности g₀, на высоту земного радиуса R.

Так как √g₀R есть круговая скорость, то скорость отрыва V_отp. в 1,41 раза больше круговой скорости:

V_отр. = √2 V_кр = 1,41·V_кр

Высота Н в км	Скорость отрыва Уотр. в км/сек
0	11,2
300	10,9
1 000	10,4
1 670	9,9
35 800	4,3
384 000	1,42

IV. ОБЩИЙ ЗАКОН ДВИЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ В ПОЛЕ ТЯГОТЕНИЯ ОДНОГО НЕБЕСНОГО ТЕЛА

Примеры движения по кругу или по параболе, о которых шла речь выше, являются лишь частными случаями движения тела в поле тяготения небесного тела большой массы. Как известно из небесной механики, в общем случае орбитой такого движения является одна из кривых второго порядка (так называемых конических сечений): круг, эллипс, парабола или гипербола. Общий закон этого движения дается следующей формулой (так называемое уравнение живых сил, упрощенное для случая космического корабля, то есть тела небольшой массы):

или где V — скорость движения тела массы пренебрежимо малой по сравнению с М;

М — масса небесного тела;

f — гравитационная постоянная;

L — расстояние до центра тяжести небесного тела;

а — большая полуось орбиты;

g₀ — ускорение силы тяжести на поверхности небесного тела на расстоянии R₀ от его центра.

Как видно из формул, характер орбиты зависит лишь от величины, но не направления скорости V. Различные типы орбит соответствуют следующим частным случаям:

а) а = ∞,

орбита — парабола;

б) а > ◯, V < V_параб., орбита — эллипс;

в) L = а, V = V_круг =

частный случай эллиптической орбиты — круговая;

г) а < ◯, V>V_параб., орбита — гипербола (V _гиперб.).

Примеры использования формулы

По какой орбите будет двигаться космический корабль, летящий на расстоянии 100 000 км от центра Земли со скоростью 5 км/сек?

По формуле откуда a ≈ — 24 000;

так как а < ◯, то V = V_гиперб., орбита — гипербола.

V. ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ ОРБИТЫ

Наиболее важными для астронавтики являются эллиптические орбиты, по которым будут двигаться не только все новые искусственные спутники Земли, но чаще всего и космические корабли. Полет по гиперболической орбите — дело более отдаленного будущего (советская космическая ракета, запущенная 2 января 1959 года, летела в поле земного тяготения по гиперболе, а вокруг Солнца движется по эллипсу).

Формулы расчета эллиптических орбит могут быть получены из приведенного выше уравнения живых сил путем упрощений;

для движения вокруг Солнца:

где V — в км/сек,

L,a — в астрономических единицах (1 а. е. — расстояние от Земли до Солнца, равное примерно 150·10⁶ км);

для движения вокруг Земли:

где V — в км/сек,

L, а — в радиусах земного шара.

Примеры использования формул

1. Какова должна быть скорость корабля при взлете с Земли для того, чтобы он смог совершить полет на Меркурий по наивыгоднейшей, то есть касательной, эллиптической орбите?

^{Траектория полета на Меркурий по касательной эллиптической орбите.}

В этом случае

и

Так как круговая скорость Земли равна 29,8 км/сек, то, очевидно, кораблю при взлете нужно сообщить скорость против направления движения Земли по орбите, равную 29,8 — 22,3 = 7,5 км/сек.

2. Какова будет скорость корабля в упомянутой выше задаче на орбите Меркурия?

В этом случае L₂=0,387 а. е., а = 0,6935 а. е., вследствие чего

Так как круговая скорость Меркурия равна 47,9 км/сек (это можно проверить и так — она равна круговой скорости Земли, деленной на √0,387, то есть то корабль будет двигаться быстрее Меркурия на величину 57,5 — 47,9 = 9,6 км/сек.

^{Траектория полета ракеты с Земли на спутник.}

3. Какова должна быть взлетная скорость ракеты, доставляющей о Земли груз на искусственный спутник, находящийся на суточной орбите (высота 35 800 км), если сопротивление воздуха не учитывать? Какова будет скорость этой ракеты на орбите спутника?

В этом случае

При взлете L₁ = 1, поэтому

На орбите поэтому

Примечание. Для решения этой задачи можно воспользоваться соотношением, связывающим величины скоростей в апогее и перигее эллиптической орбиты:

V_ап· L_ап = V_пер. L_пер,

где V_ап., V_пер. — соответственно скорости движения в апогее и перигее (в задаче V₂, V₁);

L_ап, L_пер., — расстояния апогея и перигея от центра Земли (в задаче L₂, L₁).

Это соотношение непосредственно вытекает из закона сохранения момента количества движения.

Так как L_ап = L₂ = 6,6; L_пер = 1 и V_пер.= V₁ = 10,4 км/сек, то

Точно так же в предыдущей задаче

4. Какова будет скорость советской искусственной планеты в ее движении вокруг Солнца?

По предварительным сведениям, опубликованным в советской печати, наибольшее расстояние новой планеты от Солнца будет равно 197,2 миллиона километров, а наименьшее — 146,4 миллиона километров. Следовательно, большая ось орбиты будет равна 343,6 миллиона километров.

Но тогда и максимальная скорость планеты (в перигелии):

а минимальная скорость (в афелии):

VI. ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПОЛЕТА ПО ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ОРБИТЕ

При движении по эллипсу вокруг Солнца продолжительность полного обращения может быть определена с помощью третьего закона Кеплера, по которому квадраты времен обращения планет относятся как кубы их средних расстояний от Солнца (то есть кубы больших полуосей эллиптических орбит):

где Т — продолжительность одного обращения;

а — большая полуось эллиптической орбиты.

Проще всего производить сравнение с периодом обращения Земли, равным, как известно, одному году, или 365 суткам. Тогда

Т = 365·a^3/2

где Т — в сутках, а — в астрономических единицах.

При движении вокруг Земли период обращения можно сравнивать с периодом обращения кругового спутника у самой поверхности, то есть на высоте Н = О. Этот период равен, как указывалось выше, 5070 секундам.

Поэтому

Т = 5070·a^3/2

где Т — в секундах,

а — в радиусах земного шара.

Примеры использования формул

1. Какова продолжительность полета корабля с Земли до Меркурия по наивыгоднейшему касательному полуэллипсу?

Период обращения по наивыгоднейшему эллипсу

Т = а^3/2 = 0,693^3/2 ≈ 0,58 лет.

Продолжительность полета

2. Какова продолжительность полета грузовой ракеты с Земли до суточной орбиты по касательному полуэллипсу (сопротивлением воздуха и активным участком траектории пренебрегаем)?

Т=5070·3,8^3/2 = 37 600 секунд

Продолжительность полета

= 18 800 секунд, или ≈5,2 часа.

3. Какова продолжительность полета на Луну по наивыгоднейшему касательному полуэллипсу?

В этом случае поэтому Т = 5070 · 30,6^3/2 ≈ 860 000 секунд, или около 240 часов.

Продолжительность полета

≈ 120 часов (5 суток).

4. Какова величина больших полуосей орбит советских искусственных спутников?

В начале движения периоды обращения советских искусственных спутников равнялись:

первого спутника

Т₁ = 96,17 минуты = 5770 секунд;

второго спутника

Т₂ = 103,75 минуты = 6225 секунд;

третьего спутника

Т₃ = 106 минут= 6360 секунд.

По формуле Т = 5070 ^3/2 находим:

Истинные величины больших полуосей отличаются от приведенных выше приближенных, которые даны лишь в качестве иллюстрации.

5. Каков период обращения советской искусственной планеты, запущенной 2 января 1959 года?

Так как для этого случая а =1,145 (см. выше), то

Т = 365·1,145^3/2≈ 450 суток,

что соответствует данным, опубликованным в советской печати.

VII. ФОРМА ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ОРБИТЫ

Для определения эллиптической орбиты, помимо величины большой полуоси, необходимо знать еще один из элементов орбиты — малую полуось b, полуфокусное расстояние с или эксцентриситет е. Эти величины связаны следующими соотношениями:

полуфокусное расстояние

с = √a² — b²

эксцентриситет

Для искусственных спутников Земли очевидны также следующие соотношения:

средняя высота спутника над Землей

H_ср = a — 6378 км,

или где H_ап. — высота апогея орбиты;

H_пер.— высота перигея орбиты;

полуфокусное расстояние орбиты

Примеры использования формул

1. Определить элементы орбит советских искусственных спутников Земли по известным высотам апогея и перигея.

В соответствии с опубликованными данными примем следующие округленные значения для высот апогея и перигея советских искусственных спутников Земли:

H_пер. = 225 км (для всех трех спутников);[146]

H_ап.1 = 950 км, H_ап.2 = 1670 км, H_ап.3 = 1880 км.

Тогда средние высоты спутников над Землей будут равны:

для первого спутника H_ср1 =

для второго спутника H_ср2 =

^{Элементы эллиптической орбиты.}

для третьего спутника H_ср3 =

а полуфокусные расстояния соответственно:

Теперь можно определить величины больших и малых осей орбит:

a₁= H_ср1+6378 = 588 + 6378 = 6966 км,

а₂ = 948 + 6378 = 7326 км,

а₃ = 1053 + 6378 = 7431 км,

2. На сколько орбиты советских искусственных спутников Земли отличаются от круга?

Эксцентриситет орбит советских спутников весьма мал, то есть эллиптические орбиты спутников весьма мало отличаются от круга:

Действительно, разность полуосей орбит равна:

а₁ — b₁ = 6966–6955 = 11 км,

а₂ — b₂ = 7326–7290 = 36 км,

а₃ — b₃ = 7431–7385 = 46 км,

В масштабе чертежа, на котором схематически изображены орбиты советских спутников, эта разность неощутима, и орбиты практически становятся кругами.

^{Схематическое изображение орбит первых советских искусственных спутников Земли.}

I. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАНЕТ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ)

II. ЭЛЕМЕНТЫ ОРБИТ ПЛАНЕТ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

III. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СПУТНИКОВ ПЛАНЕТ

IV. ЭЛЕМЕНТЫ НЕКОТОРЫХ АСТЕРОИДОВ

V. НЕКОТОРЫЕ ПЕРИОДИЧЕСКИЕ КОМЕТЫ, НЕОДНОКРАТНО ВОЗВРАЩАВШИЕСЯ К СОЛНЦУ

VI. МЕТЕОРНЫЕ ПОТОКИ

VII. НЕКОТОРЫЕ ЗВЕЗДЫ

Циолковский К. Э. Полное собрание сочинений, т. П. М, Изд. АН СССР, 1954.

Труды по ракетной технике. М., Оборонгиз, 1947.

Звездоплавание (в юбилейном сборнике «Константин Эдуардович Циолковский»). М., Оборонгиз, 1932.

На Луне. М., Трудрезервиздат, 1956.

Цандер Ф. А. Проблема полета при помощи ракетных аппаратов. М., Оборонгиз, 1947.

Кондратюк Ю. В. Завоевание межпланетных пространств. М., Оборонгиз, 1947.

Чернышев Н. Г. Проблема межпланетных сообщений в работах К. Э. Циолковского и других отечественных ученых. М., «Знание», 1953.

Космодемьянский А. А. Знаменитый деятель науки К. Э. Циолковский. М., Военное издательство, 1954.

Перельман Я. И. Межпланетные путешествия. М., 1936.

Оберт Г. Пути осуществления космических полетов. М., Оборонгиз, 1948.

Эно Пельтри. Космические полеты. М., Оборонгиз, 1950.

Ноордунг. Проблема путешествия в мировом пространстве. М., Оборонгиз, 1948.

Станюкович К. П. О космических полетах. М., «Молодая гвардия», 1956.

Карпенко А. Г. Проблемы космических полетов. М., «Знание», 1955.

Добронравов В. В. Космическая навигация. М., «Знание», 1956.

Меркулов И. А. Космические ракеты. М., «Знание», 1955.

Ляпунов Б. В. Открытие мира. М., «Молодая гвардия», 1959.

Васильев М. Путешествие в Космос. М., Госкультпросветиздат, 1955.

Гильзин К. А. От ракеты до космического корабля. М., Оборонгиз, 1954.

Зигель Ф. Ю. Искусственный спутник Земли. М., Учпедгиз, 1959.

Штернфельд А. А. Искусственные спутники. М., Гостехтеориздат, 1958.

Победоносцев Ю. А. Искусственный спутник Земли. М., «Знание», 1957.

Петров В. Искусственный спутник Земли. М., Военное издательство, 1958.

Левантовский В. И. Рассказ об искусственных спутниках. М., Г остехтеориздат, 1957.

Артемьев И. Первый искусственный спутник Солнца. М., Детгиз, 1959.

Рябчиков Е. Вымпелы на Луне. М., Детгиз, 1960.