«ОСВОЕНИЕ» ВСЕЛЕННОЙ
Глава 13ПЕРВАЯ ЦЕЛЬ — ЛУНА
…Человечество не останется вечно на Земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство.
Можно не сомневаться в том, к какой цели прежде всего направят свой путь межпланетные корабли, — этой целью будет второе светило неба, красавица Луна. И не потому, конечно, что она воспета поэтами, что к ней прикована фантазия людей уже с незапамятных времен. Выбор маршрута первого межпланетного полета определяется гораздо более прозаическими соображениями: Луна — ближайшее к Земле небесное тело, полет на Луну — самый простой из всех межпланетных полетов.
Луна движется вокруг Земли по эллиптической орбите, близкой к кругу. Расстояние от центра Земли до апогея лунной орбиты, то есть до точки этой орбиты, наиболее удаленной от Земли, равно 407 тысячам километров, а до перигея, то есть наиболее близкой точки лунной орбиты, — примерно 356 тысячам километров. Среднее расстояние между центрами Земли и Луны равно примерно 384 тысячам километров.[61] Когда Луна ближе всего к Земле, то между ними по прямой может уместиться всего 27 земных шаров. Полет самолета по прямой от Земли к Луне соответствовал бы по протяженности примерно девяти кругосветным перелетам.
Расстояние от Земли до Луны ничтожно по космическим масштабам — оно в сотни раз меньше, чем до других, даже ближайших к Земле небесных тел. Это обстоятельство и является решающим при выборе Луны в качестве первого пункта назначения полета в мировое пространство.
Меньшее расстояние от Земли — это прежде всего меньшая продолжительность межпланетного полета, а значит, и намного меньшие трудности и опасности, связанные с таким полетом. Это преимущество будет особенно важным в первое время, когда все «рифы» и «подводные течения» океана мирового пространства еще будут недостаточно хорошо знакомы капитанам и штурманам межпланетных кораблей.
Второе преимущество небольшого расстояния до Луны не является столь очевидным, но в действительности играет очень большую роль. Полет на Луну — это единственный пример полета с Земли, когда расстояние межпланетного корабля от Солнца меняется в полете столь незначительно, что этим изменением можно пренебречь. Но это значит, что притяжение к Солнцу практически не будет оказывать никакого влияния на полет корабля,[62] влияния, которое оказывается решающим в случае более дальних полетов на планеты. В частности, это значит, что любой корабль, подготовленный к полету на Луну, может стартовать практически в любое время, в любую минуту, не дожидаясь особо выгодного взаимного расположения станций отправления и назначения, как это оказывается необходимым в случае полета на планеты. Это же относится и к обратному полету на Землю. Поэтому в будущем, когда межпланетные полеты станут заурядным явлением, будут такими же будничными, как и полеты самолетов на земных авиалиниях, пассажирские корабли, скажем, Москва — Луна, будут курсировать с такой же регулярностью, как скорые поезда Москва — Сочи. Полеты же на Марс или Венеру будут скорее напоминать проход кораблей по Северному морскому пути, в котором участвует сразу целый караван судов, используя для этого наивыгоднейшее время года.
На первый взгляд может показаться, судя по обычным земным представлениям, что сравнительно небольшое расстояние, которое должно быть пройдено межпланетным кораблем в полете на Луну, в сотни раз меньшее, чем в любом другом межпланетном полете, дает еще одно очень важное, если не решающее, преимущество — оно требует меньшего расхода топлива. Может показаться, что в связи с необходимостью большого расхода топлива в настоящее время возможны лишь межпланетные полеты на сравнительно небольшие расстояния — в частности полет на Луну, а более дальние полеты на планеты пока невозможны.
Однако такое впечатление было бы ошибочным. В любом земном путешествии, все равно — по суше, воде или воздуху, чем больше расстояние, которое мы должны проехать, тем больше количество расходуемого топлива, потому что двигатель автомобиля, парохода или самолета работает в течение всего времени путешествия. Иначе получается в межпланетном путешествии. Здесь во много раз более дальний полет может потребовать во много раз меньшего количества топлива — в этом заключается одна из особенностей полета в мировом пространстве. В межпланетном полете двигатель корабля работает, расходуя топливо, лишь ничтожную часть общего времени полета. Во все остальное время двигатель остановлен и корабль летит за счет накопленной при работе двигателя кинетической энергии. Примерно так поступают шоферы, когда они ездят «с накатом» — сначала автомобиль разгоняют, а потом двигатель выключают и машина идет за счет приобретенной скорости. Только в случае межпланетного полета такой «накат» осуществляется обычно 1–2 раза, в начале пути и при необходимости изменить направление или скорость движения корабля.
Расход топлива в межпланетном полете определяется поэтому не проходимым расстоянием, а другими факторами, главным образом тем, какие поля тяготения приходится преодолевать кораблю в полете, и, значит, тем, какой массой обладает небесное тело, к которому совершается полет. А в этом отношении Луна — далеко не идеальная цель из-за своей сравнительно большой массы. Неудивительно, что путешествие на Луну потребует большего расхода топлива, чем некоторые другие межпланетные полеты на расстояния, в десятки и сотни раз большие, — например полет на многие астероиды.
Луна является совершенно своеобразным небесным телом, исключением в семье спутников планет солнечной системы — семье, насчитывающей, кроме Луны, 30 известных членов.[63] Это отличие заключается в том, что Луна — спутник-гигант, она гораздо ближе по размерам и по массе к своей планете — Земле, чем какой-либо другой спутник.[64] Диаметр Луны меньше земного всего примерно в 3¾ раза, он равен 3476 километрам. В этом отношении другие спутники сильно уступают Луне. Спутник Нептуна, Тритон, меньше своей планеты в 10 с лишним раз,[65] первый спутник Урана, Титания, — примерно в 30 раз, спутники Марса, Юпитера и Сатурна меньше своих планет в сотни раз. Примерно такое же соотношение и в величинах масс спутников. Масса Луны меньше массы Земли примерно в 81,5 раза, масса Тритона меньше массы Нептуна в 290 раз; массы спутников Юпитера и Сатурна меньше массы своих планет в десятки и сотни тысяч раз.
Мы можем, если угодно, гордиться такой «исключительностью» пары Земля — Луна и той редкой по красоте картиной, которая предстанет перед глазами будущих межпланетных путешественников, наблюдающих эту «двойную звезду» с борта космического корабля где-нибудь на трассе Земля — Венера. Однако, с точки зрения интересов астронавтики, мы не можем не пожалеть о том, что Земля так велика и что мы живем, например, не на Марсе, масса которого в 10 раз меньше земной. Точно так же мы не можем не пожалеть и о том, что Луна так велика и что мы не имеем крохотного, недалеко расположенного спутника, подобного, например, марсианским Фобосу и Деймосу, диаметр которых равен всего 16 и 8 километрам и которые находятся от Марса на расстоянии всего 9380 и 23 500 километров. Если бы мы жили на Марсе, не говоря уже о Меркурии, то, пожалуй, межпланетные корабли уже бороздили бы безбрежные дали мирового пространства: скорость отрыва от Марса, равная всего 5 километрам в секунду, без особого труда может быть достигнута современной реактивной техникой. Если бы Земля поменялась с Марсом спутниками, мы получили бы замечательные межпланетные базы, и в этом случае не было бы необходимости в сооружении искусственных маленьких «лун» только потому, что настоящая Луна «плоха» с точки зрения астронавтики.
Астронавтику не устраивает ни значительная масса Луны, из-за которой она обладает собственным полем тяготения (с ним приходится серьезно считаться), ни сравнительно большое расстояние ее от Земли.
Поле тяготения Луны как бы накладывается на земное. Если двигатель межпланетного корабля уже выключен, а сопротивление воздуха отсутствует (или мы им пренебрегаем), причем полет совершается так близко от Земли, что мы считаемся лишь с земным тяготением, то на корабль действует только одна сила тяжести, направленная к центру Земли.[66] Чем ближе к Луне, тем притяжение к ней больше, и, наконец, мы вынуждены начать с ним считаться. Теперь уже на корабль действуют две силы: одна — направленная к центру Земли, другая — к центру Луны. Равнодействующая сила должна быть найдена, очевидно, по правилу параллелограмма; она уже будет направлена не к центру Земли, а куда-то между Землей и Луной.[67]
Наконец в своем полете к Луне корабль, по какому бы маршруту он ни летел, обязательно достигнет такой точки, в которой обе силы притяжения, к Земле и Луне, уравняются. Конечно, это будет гораздо ближе к Луне, чем к Земле, ибо масса Земли больше. Так как сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, а отношение масс Земли и Луны равно примерно 81, то, например, на полпути между Землей и Луной сила притяжения к Земле будет все еще в 81 раз больше, чем к Луне. Очевидно, что обе силы сравняются, когда расстояния корабля до центров Земли и Луны будут относиться, как √81:1, то есть когда расстояние до центра Земли будет примерно в 9 раз больше, чем расстояние до центра Луны.
Очевидно, что точек, отвечающих этому условию, существует в пространстве между Землей и Луной бесконечно много, так что эти точки образуют целую поверхность. Эта поверхность обладает замечательной особенностью. Она является как бы своеобразной границей: по одну сторону от этой поверхности корабль будет падать на Землю, а по другую — на Луну.
Особенный интерес представляет одна точка этой поверхности, лежащая на прямой, соединяющей центры Земли и Луны; она находится на расстоянии всего 38 тысяч километров от центра Луны. Очевидно, в этой точке на корабль не действуют вообще никакие силы: две равные и противоположно направленные силы не дают равнодействующей. Значит, в этой точке, которую называют критической, или нейтральной, корабль, если он не обладает собственной скоростью (то есть скоростью относительно системы Земля — Луна), теоретически должен был бы находиться бесконечно долго. В критической точке вес тела равен нулю, но уже не потому, что тело не давит на опору, свободно падающую вместе с ним, как на искусственном спутнике, а потому, что на него на самом деле не действует сила притяжения.
Путешественник, который решил бы добраться до Луны по лестнице, как это рассказывается в сказках, до критической точки поднимался бы вверх головой, в самой этой точке мог бы отдохнуть, не пользуясь лестницей, а дальше должен был бы повернуться головой к Земле: теперь для него «низ» был бы уже на Луне.[68]
Главный вопрос, который возникает при организации любого межпланетного полета, в том числе и полета на Луну, это — сколько понадобится израсходовать топлива. От этого, как уже было отмечено выше, зависит, возможен ли вообще данный полет и каким должен быть межпланетный корабль.
В случае простейших космических полетов вблизи Земли, например полетов орбитальных ракет, эта задача решается, как мы видели в предыдущей главе, сравнительно просто.
Если бы Луна не обладала собственным полем тяготения, то полет на Луну был бы таким же обычным полетом, но на большую высоту, соответствующую расстоянию Луны от Земли. Для достижения какой-нибудь точки лунной орбиты кораблю при отлете с Земли нужно было бы сообщить такую начальную скорость, чтобы его скорость в заданной точке лунной орбиты стала как раз равной нулю. Очевидно, эта скорость несколько меньше скорости отрыва, при которой скорость корабля становится равной нулю, как известно, только в бесконечности. На первый взгляд может показаться, что эта разница должна быть значительной: ведь от лунной орбиты до бесконечности еще такой длинный путь. Однако на самом деле это не так и разница оказывается меньше 1 процента.
Притяжение к Луне меняет дело, причем в лучшую сторону, если только характер встречи ракеты с поверхностью Луны не имеет значения, как, например, будет с первыми автоматическими ракетами, которые должны будут лишь сообщить о своем столкновении с Луной, допустим, с помощью какой-нибудь яркой вспышки или столба дыма.
Положительное влияние притяжения к Луне сказывается в этом случае двояко. Прежде всего ракета должна теперь достичь за счет скорости, полученной при взлете с Земли, уже не лунной орбиты, а той нейтральной поверхности между Землей и Луной, на которой притяжение к ним уравнивается.[69] Дальнейшее движение ракеты к Луне будет происходить благодаря притяжению к ней — ракета просто упадет на Луну. Правда, при этом скорость ракеты в момент столкновения с поверхностью Луны достигнет примерно 2⅓ километра в секунду; она будет больше скорости артиллерийского снаряда, вылетевшего из ствола самого дальнобойного орудия. Такое «прилунение» ракеты будет напоминать скорее обстрел Луны прямой наводкой. Однако, как мы условились, в данном случае это нас не беспокоит. Так как высота, которой должна достичь ракета за счет толчка с Земли, теперь меньше примерно на 40 тысяч километров, то должна быть меньше и начальная скорость ракеты. 40 тысяч километров — это около одной десятой всего пути, но поле тяготения Земли с расстоянием быстро ослабевает, и потому уменьшение начальной скорости ракеты из-за этих 40 тысяч оказывается ничтожным: оно меньше 0,1 процента.
Положительное влияние поля тяготения Луны сказывается и в том, что оно, накладываясь на земное поле, ослабляет его, уменьшая силу, с которой ракета притягивается к Земле в полете от Земли до нейтральной поверхности. Это дополнительно уменьшает необходимую начальную скорость ракеты, но тоже очень ненамного, примерно на 0,2 процента. Следовательно, положительное влияние притяжения к Луне очень невелико, и им можно пренебречь.
Зато гораздо больше трудности, с которыми связано это притяжение в тех случаях, когда нужно обеспечить плавную посадку межпланетного корабля, на Луну. Чтобы корабль не разбился при посадке, его нужно затормозить таким образом, чтобы к моменту встречи с поверхностью Луны скорость корабля равнялась нулю. В этом случае недопустима даже та небольшая скорость, с которой совершает посадку самолет на аэродроме, — ведь на Луне-то посадочных площадок нет!
Так как Луна не обладает атмосферой, то торможение может быть достигнуто только с помощью двигателя самого корабля. Для этого либо корабль должен повернуться на 180°, кормой к Луне, либо спереди на нем должны быть установлены специальные двигатели для торможения. Так или иначе, реактивная тяга двигателя должна быть в этом случае направлена в сторону, обратную направлению полета, и постепенно уменьшать его скорость. Такое торможение двигателем было предложено Циолковским. Затрата энергии топлива на это торможение будет не меньше той, которая необходима для сообщения кораблю скорости отрыва от Луны, равной примерно 2⅓ километра в секунду. В действительности же она будет больше, так как в общем случае корабль и Луна при встрече будут обладать различными скоростями и эта разность скоростей тоже должна будет погашаться двигателем.
Если мы имеем в виду полет на Луну с последующим возвращением на Землю, то это же влияние поля тяготения Луны скажется второй раз при отрыве от нее. Снова придется сообщать кораблю скорость 2⅓ километра в секунду, чтобы он достиг точки, с которой может начаться его падение на Землю.
Теперь мы можем примерно оценить полную величину идеальной скорости, по которой должен быть определен минимальный запас топлива на межпланетном корабле, совершающем полет на Луну и обратно:
| Начальная скорость при взлете с Земли | 11,5 километра в секунду |
| Торможение при посадке на Луну | 2,3 " |
| Взлет с Луны | 2,3 " |
| Всего | 16,1 километра в секунду |
Однако в действительности запас топлива на корабле должен быть гораздо больше этого минимального.
Прежде всего, скорость корабля у нейтральной точки не должна равняться нулю, при этом затрата топлива будет минимальной, но зато чрезмерно возрастет длительность полета. Так, например, если скорость корабля на высоте 1600 километров будет равна 9,9 километра в секунду, то корабль пересечет нейтральную точку со скоростью, близкой к нулю.[70] Если же увеличить скорость при взлете всего на 100 метров в секунду, то есть довести ее до 10 километров в секунду, то скорость корабля в нейтральной точке будет равна примерно 1,4 километра в секунду, а общая продолжительность полета сократится при этом вдвое — со 100 до 50 часов. Вероятно, скорость в нейтральной точке будет близка к 1 километру в секунду. Но это значит, что должны быть увеличены начальная скорость при взлете корабля с Земли, затрата энергии на торможение при посадке на Луну и начальная скорость при взлете с Луны. Общее увеличение идеальной скорости при этом можно оценить примерно в 1,5 километра в секунду. Если учесть еще неизбежные потери скорости в полете, а также необходимый резерв топлива на корабле для компенсации ошибок управления и проч., то величина идеальной скорости получается не меньше 20 километров в секунду.[71]
При скорости истечения газов из двигателя 3 километра в секунду формула Циолковского дает в этом случае для отношения начальной и конечной масс корабля величину около 800. Это соотношение является практически неосуществимым, и поэтому совершить такой полет на Луну при современном уровне развития реактивной техники невозможно. Увеличение скорости истечения до 4 километров в секунду, вполне возможное в будущем, уменьшило бы потребное соотношение масс корабля до 150, что уже принципиально может быть осуществлено с помощью многоступенчатого поезда, но его вес при взлете с Земли даже с ничтожной полезной нагрузкой составлял бы десятки тысяч тонн, то есть равнялся бы весу гигантских океанских теплоходов. Вот какое пагубное влияние оказывает массивность спутника Земли, если мы хотим совершить посадку на него. Поэтому «взятие» Луны таким прямым штурмом, лобовой атакой, вряд ли удастся. Здесь будет уместнее планомерная осада, тщательная подготовка к решающему штурму.
Конечно, уже сейчас возможна посылка на Луну ракеты с задачей лишь просигнализировать о благополучном прибытии[72] — ведь такая ракета должна во многом уступать советской космической ракете, запущенной 2 января 1959 года. Вслед за этой ракетой можно было бы послать на Луну ракету, снабженную радиоустановкой и измерительными приборами: она могла бы рассказать ученым о своих лунных «впечатлениях». Добавление к такой установке телевизионного передатчика позволило бы и увидеть поверхность Луны в непосредственной близости. Понятно, что для этого нужно создать аппаратуру, способную выдержать страшный удар о лунную поверхность, либо, что вернее, обеспечить плавную, безударную посадку ракеты на Луну.
Одним из этапов подготовки к полету на Луну будет, несомненно, облет Луны межпланетным кораблем на сравнительно небольшом расстоянии от нее, сначала опять-таки без людей, а затем и с людьми. Такой полет имел бы разностороннее значение и, в частности, позволил бы наконец заглянуть на недоступную нам до сих пор «заднюю» сторону Луны, которая никогда не видна с Земли. Для совершения облета придется затратить лишь немногим большую энергию, чем для простого полета к лунной орбите. Идеальная скорость в этом случае (без учета посадки на Землю) равнялась бы 13–14 километрам в секунду, что при современном значении скорости истечения около 3 километров в секунду может быть достигнуто с помощью поезда из 3–4 ракет.
Полет автоматической ракеты на Луну или вокруг Луны уже вполне под силу современной технике. В частности, эта задача может быть решена и с помощью ракеты, послужившей для запуска советских искусственных спутников Земли. Что же говорить о советской космической ракете, пролетевшей в непосредственной близости от Луны и превратившейся в искусственную планету? Эта ракета обладала даже избыточной скоростью по сравнению с необходимой для облета Луны, а ведь она несла огромный полезный груз… В общем, односторонний полет на Луну уже не представляет никаких неразрешимых проблем.
Иное дело — полет на Луну людей с возвратом на Землю. Эта задача непосильна для современной науки и техники. Решить ее помогут искусственные спутники Земли.
Уже на примере полета на Луну можно видеть все значение искусственных спутников Земли для межпланетных сообщений, если использовать эти спутники для заправки топливом межпланетных кораблей.
Пусть, например, на высоте 500 километров над Землей создана заправочная станция — топливохранилище, мчащееся вокруг Земли по круговой или слегка эллиптической орбите со скоростью 7,6–7,7 километра в секунду. В цистернах этого хранилища могут быть постепенно накоплены сотни и тысячи тонн топлива, перебрасываемого с помощью грузовых ракет-«танкеров» с Земли.
Межпланетный корабль Москва — Луна подлетает к заправочной станции и выравнивает свою скорость со скоростью этого искусственного спутника. Теперь они мчатся рядом вокруг Земли. Для разработки техники заправки топливом в мировом пространстве можно использовать значительный опыт, накопленный авиацией по заправке в полете реактивных самолетов топливом с летающих «танкеров» — тяжелых и более тихоходных самолетов. Уже сейчас имеются случаи, когда небольшие быстроходные реактивные самолеты при совершении дальних перелетов пополняют таким образом свои баки в полете, и даже не раз и не два. Для этого им приходится лишь несколько снизить скорость своего полета до скорости «танкера», то есть самолета-заправщика.
В самое последнее время в авиации достигнуты особенно большие успехи в отношении совершенствования заправки топливом в полете. Теперь уже с одного заправщика могут одновременно заправляться сразу несколько самолетов. С успехом осуществляется также заправка в полете и тяжелых самолетов. Именно это позволило осуществить кругосветный беспосадочный перелет трех американских самолетов в январе 1957 года. Эти восьмимоторные реактивные самолеты покрыли расстояние чуть больше 39 100 километров примерно за 45 летных часов, летя со средней скоростью 850 километров в час; для этого им пришлось несколько раз заправляться топливом в воздухе.
Для полета к заправочной станции межпланетный корабль должен обладать, как было указано в прошлой главе, идеальной скоростью порядка 10–12 километров в секунду. После заправки придется снова включить двигатель корабля, чтобы увеличить скорость от круговой до скорости отрыва. Для этого надо будет улучить наиболее выгодный момент в отношении положения спутника на его орбите.[73] Скорость отрыва со спутника меньше, чем с Земли; в данном случае будем считать ее равной 11 километрам в секунду. Чтобы увеличить скорость корабля от круговой скорости 7,6 километра в секунду до скорости отрыва 11 километров в секунду, нужна добавочная скорость 3,4 километра в секунду. Идеальная скорость корабля, на которую приходится рассчитывать его запас топлива, уменьшится при этом на 8,1 километра в секунду, так как вместо непосредственного взлета с Земли, требующего скорости 11,5 километра в секунду, теперь нужна скорость 3,4 километра в секунду. Следовательно, идеальная скорость теперь будет равна не 20, а примерно 12 километрам в секунду. При скорости истечения 3 километра в секунду необходимое отношение масс корабля уменьшится соответственно с 800, как указывалось ранее, до 40–50. Как видно, заправка в пути не только позволит уменьшить запас топлива на корабле, но и вообще сделает данный полет практически осуществимым.
Можно предложить и такую схему полета на Луну с использованием заправки в воздухе, пока не созданы специальные искусственные спутники-топливохранилища. Вместо одного корабля весом, скажем, 20 тысяч тонн одновременно взлетают три ракеты весом по 6000 тонн. На высоте 500 километров ракеты превращаются в спутников Земли, причем две из них заправляют третью, которая отправляется в дальнейший полет. На небольшом расстоянии от Луны этот корабль оставляет на орбите запасные баки с топливом, которые становятся на какое-то время спутниками Луны, а сам совершает на нее посадку. На обратном пути он «прихватывает» баки. Такие операции сводят к минимуму непроизводительную затрату топлива на разгон и торможение самого же топлива, что является, вообще говоря, главной бедой астронавтики.
Продолжительность полета до Луны будет зависеть от избранного маршрута и главным образом — скорости полета. Как и при путешествии по Земле, чем быстрее будет совершаться полет на Луну, тем дороже он обойдется, так как потребует большего расхода топлива.
Наименьшая скорость, которую корабль должен иметь у Земли, чтобы достичь Луны, равна 11,1 километра в секунду. При скорости 11,2 километра в секунду корабль умчится в бесконечность,[74] так как эта скорость есть скорость отрыва. Поэтому все орбиты корабля, целью которого является облет вокруг Луны, должны иметь начальную скорость между 11,1 и 11,2 километра в секунду. При минимальной скорости 11,1 километра в секунду корабль долетит до Луны примерно за 115 часов. При скорости 11,2 километра в секунду полет будет длиться примерно 50 часов. Дальнейшее увеличение скорости будет сильно уменьшать продолжительность полета. Как известно, советская космическая ракета, стартовавшая 2 января 1959 года, пролетела расстояние от Земли до Луны за 34 часа. При начальной скорости 15,2 километра в секунду продолжительность полета будет равна 10 часам, при скорости 21,2 километра в секунду — 6 часам. Таким образом, удвоение начальной скорости сокращает продолжительность полета почти в 20 раз. Это уже явная особенность астронавтики: на Земле так не бывает.
Экспресс Москва — Луна будет совершать свой полет за сутки или даже за одну ночь, как сейчас идут поезда из Москвы в Ленинград. Конечно, организация таких курьерских перелетов станет возможной только тогда, когда будут найдены более калорийные топлива, да и то, очевидно, только при заправке в пути. Наиболее вероятной будет продолжительность полета порядка двух — трех суток. За все это время двигатель корабля будет работать не более 10 минут — при взлете с Земли и посадке на Луну. Весь остальной путь корабль пролетит, не расходуя ни капли топлива. Иначе ни о каком межпланетном полете нельзя было бы и мечтать.
Глава 14В ПОЛЕТ К ПЛАНЕТАМ
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.
Глава 15КОСМИЧЕСКИЕ ТРАССЫ
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!
Глава 16В ШТУРМАНСКОЙ РУБКЕ МЕЖПЛАНЕТНОГО КОРАБЛЯ
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!
Глава 17ВЗЛЕТ, ПОСАДКА…
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.
Глава 18ТРОЙНОЙ ПРЫЖОК
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!