Глава двенадцатая. Космический корабль

В недалеком будущем, возможно уже в следующем десятилетии, будет созвана международная конференция по космическим полетам. Она будет отличаться от всех других подобных конференций тем, что большинство ее делегатов будут составлять юристы разных стран. Основной проблемой этой конференции явится вопрос о границе, отделяющей космическое пространство от земной атмосферы. Весьма вероятно, что этой границей будет выбрана высота в 250 км.

Узаконенная граница космического пространства необходима, поскольку представители различных наук все еще не могут прийти по этому вопросу к единому мнению. Минимальное значение той высоты, где начинается космическое пространство, предлагается врачами. Отдел астромедицины принял для обозначения этой высоты специальный термин - «пространственно-эквивалентная высота». В численном выражении она составляет около 18000 м. Причина выбора такой сравнительно малой величины, по убеждению медиков, заключается в следующем: для большинства людей пребывание на высоте первых 3000 м не требует никаких специальных мер предосторожности. Более того, для них высота может быть свободно увеличена до 4500 м. Но некоторые люди начинают испытывать признаки так называемой горной болезни уже на высоте 3000 м. Поэтому военно-воздушные силы США используют для дыхания на высоте 2400 м и выше дополнительный кислород. Этим обеспечивается большая безопасность летного состава.

На высоте 7600 м человек еще может дышать при условии, что он достаточно натренирован и привык к низкому давлению, а также что давление снижется постепенно. Человек, внезапно попавший в условия, соответствующие высоте 7600 м над уровнем моря, теряет сознание через 3—4 минуты (этот отрезок времени назван «временем полезного сознания»), в течение которых он может сознательно выполнить какие-то действия. При увеличении высоты еще на 1500 м «время полезного сознания» сокращается до одной минуты. На высоте 15000 м оно колеблется между 10 и 18 секундами в зависимости от предварительной тренировки и опыта. Далее, на этих высотах к фактору потери сознания присоединяется еще один, пожалуй, не менее серьезный фактор. Известно, что, будучи поднята на высокую гору, вода кипит при пониженной температуре; вообще говоря, точка кипений всякой жидкости падает по мере снижения атмосферного давления. На высоте около 18000 м это давление понижается так, что жидкость, содержащаяся в теле человека (кровь, лимфа и т.д. ), начинает закипать при температуре 36,6°С. Смерть наступает через несколько минут. Принято считать, что поскольку человек, находящийся на высоте 18 000 м, умрет по той же причине и в тот же промежуток времени, что и на расстоянии 180 000 км от Земли, постольку высота в 18 000 м и является с медицинской точки зрения «пространственно -эквивалентной высотой».

Что же касается инженера, то для него пространство, начинающееся на высоте 18000 м, не является космическим. На этой высоте еще могут летать самолеты даже с воздушно-реактивными двигателями - турбореактивными или прямоточными. И хотя кабина любого самолета, предназначенного для полетов на высоте более 15 000 м, должна строиться как кабина космического корабля, однако сам летательный аппарат может сохранять вид самолета. С точки зрения авиационного инженера космическое пространство начинается либо на высоте, где перестают работать воздушно-реактивные двигатели (на 6000—9000 м выше медицинской «пространственно-эквивалентной высоты»), либо на высоте, на которой даже при очень высоких скоростях полета несущие плоскости уже не создают достаточной подъемной силы. Мы пока не знаем точных значений этой высоты, но ориентировочно можно считать ее равной 36 000 м.

Характерно, что для физика даже эта высота не является границей космоса. В некоторых отношениях он только здесь и начинает по-настоящему интересоваться атмосферой, а границу переносит на высоту 160—200 км, вызывая возражения со стороны радиоспециалистов, которые наблюдают отражение радиоволн определенной длины от более высоких слоев атмосферы F1 (на высоте 240 км)и F2 (на высоте 480 км). Мнение радистов разделяют и специалисты, изучающие явления, связанные с полярными сияниями, которые упорно включаются этой отраслью науки в рубрику атмосферных явлений.

Сказанное выше позволяет сделать вывод, что прийти к какому-то единому мнению научным путем невозможно. Однако проведенная недавно с этой целью дискуссия имела положительное значение уже хотя бы потому, что поставила перед инженерами, проектирующими космические корабли, целый ряд конкретных задач и требований.

Космический корабль должен иметь полностью герметичную, а не герметизированную кабину и приводиться в движение не зависящим от атмосферного воздуха двигателем. Он должен иметь крылья, необходимые при посадке. Стенки его корпуса должны предохраняться метеорным амортизатором там, где, согласно конструкции, нет нужды в двойной стенке, например в отсеке топливных баков, где сама стенка бака служит внутренней обшивкой и где метеорным амортизатором является корпус корабля. В жилом отсеке обшивка корабля должна иметь такую толщину, чтобы под воздействием космических лучей не создавалось слишком интенсивного вторичного излучения.

В настоящее время на базе ВВС Рэндольф уже создан опытный образец полностью герметичной и достаточно массивной кабины. При испытаниях с человеком внешний воздух в нее совершенно не поступает, а имеющийся внутри - постоянно очищается, охлаждается и восстанавливается путем удаления из него углекислого газа и других примесей. Свежий кислород подается из источника, находящегося внутри кабины. Опыты, проведенные на добровольцах, показали, что человек может оставаться в герметической кабине в течение 24 часов, то есть именно то время, которое экипаж проведет в кабине первого космического корабля, вышедшего на орбиту вокруг Земли.

Выход космического корабля на орбиту вокруг Земли и посадка его после нескольких полных оборотов будет огромным научно-техническим достижением. Одновременно это явится прекрасным испытанием реакций пилота и надежности оборудования. Но все это будет иметь сравнительно небольшую научную ценность, ибо к тому времени большинство научных проблем, связанных с движением тела по орбите, не очень удаленной от Земли, будет решено с помощью автоматических искусственных спутников. Тем не менее этот эксперимент должен обязательно предшествовать первому полету корабля с экипажем.

Рассмотрим теперь проблему, связанную с возвращением пилотируемого космического корабля в атмосферу и его приземлением. Находясь на постоянной орбите, корабль будет двигаться по ней вокруг Земли до тех пор, пока какая-то сила не будет приложена для вывода его с орбиты. Для этого нужно, чтобы пилот включил ракетный двигатель корабля, используя специально предусмотренное на этот случай резервное топливо. Если бы снижение и посадку нужно было совершить в определенное время, тогда пришлось бы разворачивать корабль так, чтобы его хвостовая часть оказалась впереди. Но это не обязательно, поскольку угол наклона продольной оси корабля при обращении вокруг Земли остается постоянным. В силу этого во время каждого оборота на каком-то участке орбиты ракетный двигатель будет направлен по ходу движения корабля, то есть окажется «впереди» (рис. 66). Здесь-то и должен быть включен двигатель.


Рис. 66. Положение пилотируемого космического корабля на орбите и его возвращение на Землю. Для вхождения в атмосферу пилот включает ракетный двигатель в точке А, и спустя примерно 50 минут ракета оказывается в верхних слоях атмосферы (точка С), откуда начинается сверхзвуковое планирование (показано пунктиром). Движение ракеты противоположно направлению вращения Земли.


По мере замедления скорости корабля он сойдет с орбиты и начнет двигаться по спирали, приближаясь к Земле. Если корабль до вхождения в атмосферу пройдет половину пути вокруг Земли по этой спирали, он войдет в атмосферу носовой частью (рис. 66), после чего начнется длительное сверхзвуковое планирование с постепенным гашением скорости.

Представим себе теперь, что еще до того как пилот включит тормозящий двигатель, с корабля будет сброшен какой - либо предмет. Совершенно ясно, что этот предмет останется на орбите. При очередном полете можно доставить сюда еще один предмет и т. д. На этом принципе, собственно, и основана идея доставки отдельных деталей в космос для постройки там крупногабаритного искусственного спутника Земли или обитаемой межпланетной станции.

О межпланетной станции с экипажем в свое время писал профессор Оберт, который подсчитал, что ракета, имеющая на борту двух человек, должна будет весить по меньшей мере 400 т. «Если ракеты крупных размеров, - писал Оберт, - будут обращаться вокруг Земли по кругу, они будут вести себя подобно маленьким лунам. Отпадет необходимость проектировать их с расчетом на посадку. Связь между ними и Землей сможет поддерживаться с помощью меньших ракет. Крупные ракеты - наблюдательные станции - можно будет строить прямо на орбите. Во избежание нежелательных последствий, вызываемых состоянием невесомости, придется соединять две такие ракеты-станции тросами длиной в несколько километров и заставлять их вращаться относительно друг друга»[52].

Оберт рассмотрел и несколько возможных назначений межпланетных станций. При наличии на борту такой станции мощных приборов наблюдения можно будет весьма детально изучить географию Земли и осуществлять связь между теми районами и пунктами на Земле, которые не имеют проводной связи. В качестве средства связи Оберт предлагал использовать системы зеркал, отражающих солнечный свет в нужном направлении. Использование этих станций в военно-стратегических целях заключалось, по Оберту, в разведке местности и противника.

Кроме того, Обертом высказывалась очень оригинальная мысль о «перераспределении» солнечной энергии на земной поверхности путем отражения солнечных лучей от огромных зеркал-спутников, управляемых с Земли (рис. 67). Если поместить такое зеркало на орбиту, плоскость которой составляет с плоскостью вращения Земли угол в 90°, то отражающая поверхность (зеркало) окажется наклоненной относительно лучей солнца под углом 45°. Соответствующей регулировкой положения этого состоящего из отдельных граней зеркала Оберт предлагал концентрировать отраженный солнечный свет в нужных пунктах Земли, рассеивать его на больших площадях или направлять мимо Земли. Таким способом Оберт надеялся держать свободными ото льда морские пути на Шпицберген и в порты Северной Сибири.


Рис. 67.«Космическое зеркало» Оберта.


С помощью рассеянного отражения солнечного света зеркалом диаметром 100 км можно было бы сделать огромные районы Севера пригодными для заселения, а в средних широтах - предотвращать внезапные понижения температуры весной и осенью и не допускать заморозков ночью, сохраняя целым странам возможность получать неизменно богатые урожаи овощей и фруктов.

Межпланетная наблюдательная станция может быть использована и в качестве заправочной станции. Если защитить водород и кислород от солнечной радиации, их можно хранить любое время в твердом состоянии. Ракете, заправленной на станции, не нужно будет преодолевать сопротивление воздуха. Поэтому она может иметь небольшую начальную скорость для выхода за пределы гравитационного поля Земли. Кроме того, сама станция, а следовательно, и заправляющаяся на ней ракета уже имеют скорость примерно 6 км/сек.

Можно, наконец, соединить большую сферу из металлического натрия, собранную и заправленную топливом на орбите, с небольшой прочной ракетой, которая будет двигать ее вперед и расходовать топливо. Такой аппарат позволит без труда осуществить полет на другую планету. Там, отсоединившись от сферы, ракета совершит посадку, а сфера с топливом останется на орбите в качестве спутника этой планеты. Затем ракета снова поднимется, выйдет на орбиту сферы и соединится с ней, чтобы возвратиться на Землю.

Таковы были взгляды Оберта в 1923 году. Шесть лет спустя появилась еще одна книга, целиком посвященная межпланетным станциям. Автором ее был австриец Поточник, писавший под псевдонимом Герман Нордунг. Он попал в немилость немногочисленных в то время специалистов в области ракетной техники благодаря целому ряду странностей. Первой из них был довольно фантастический метод расчета общей эффективности ракеты, второй - упорное нежелание отвечать на письма членов «Немецкого ракетного общества». Нордунг настаивал на том, что межпланетную станцию следует вывести на орбиту с периодом обращения в 24 часа. Это снижало ее ценность примерно на 75%, так как в подобных условиях станция могла бы вести наблюдение только за одним полушарием Земли, и то с трудом из-за слишком большого расстояния.

У Нордунга действительно был ряд интересных идей, но каждая из них имела какой-нибудь недостаток. Станция, предложенная Нордунгом, должна была состоять из трех отдельных частей, соединенных друг с другом воздушными шлангами и электрическими кабелями. Этими частями являлись «жилое колесо», «помещение с силовой установкой» и «обсерватория». Первое представляло собой конструкцию в форме колеса диаметром около 30 м, вращающегося вокруг своей оси для создания центробежной силы, которая компенсировала бы отсутствие силы тяжести. Ступица «жилого колеса», вращающаяся в противоположном направлении, выполняла бы функцию воздушной камеры. Энергию Нордунг намеревался получать от Солнца с помощью зеркал и паровых труб с конденсаторными трубками, помещенными сзади зеркала (рис. 68).


Рис. 68. «Жилое колесо» Нордунга.


Наряду с этими, в основном правильными, мыслями в проекте Нордунга имелся ряд принципиальных ошибок. Так, например, боясь «холодного» космического пространства, Нордунг превратил стекла иллюминаторов в выпуклые линзы для собирания солнечного света в помещении. Больше того, у каждого иллюминатора с внешней стороны укреплялось специальное зеркало для усиления солнечного света, падающего на линзы. Далее, Нордунг предлагал вращать «жилое колесо» со скоростью один оборот за 8 секунд с тем, чтобы обеспечить по краям «колеса» полную имитацию силы тяжести, то есть создать ускорение порядка 9, 81 м/сек2. Между тем вполне достаточным было бы ускорение 3, 27 м/сек2, поскольку основное назначение искусственной силы тяжести состоит в том, чтобы поставленные вещи оставались на своем месте. Если задаться величиной ускорения силы тяжести в три раза меньшей земного, то можно будет значительно облегчить станцию и удешевить доставку ее деталей на орбиту.

Вторая часть—«обсерватория»—подробно не описана. Нордунг только указал, что по форме она будет напоминать цилиндрический котел и иметь все необходимые для работы приборы. Нагреваться она должна была воздухом необходимой температуры, поступающим в нее по гибкому шлангу. Электрический кабель из «жилого колеса» обеспечивал приборы энергией. Силовая установка Нордунга представляла собой большое параболоидное зеркало с рядом паровых труб, свернутых спиралью в его фокусе.

Незадолго до появления книги Нордунга журнал «Ди ракете» опубликовал несколько статей Пирке о космической станции. В отличие от книги Нордунга эти статьи не содержали предложений относительно конструкции станции, но в них было собрано много весьма интересных фактов. Пирке начинал свои рассуждения с анализа некоторых характеристик космического корабля, предназначенного непосредственно для полета на другую планету. Он исходил из предположения, что корабль полетит на Марс и что имеется топливо, обеспечивающее скорость истечения газов порядка 4000 м/ сек.

Теоретически вполне возможно добиться такой скорости, используя химические топлива, но даже сейчас, три десятилетия спустя, создание такого топлива все еще является нерешенной проблемой. Естественно, корабль был бы весьма крупным и очень тяжелым, но Пирке это не беспокоило, так как он хотел доказать, что подобный корабль даже в исправном состоянии, вероятно, вообще не сможет оторваться от Земли. Почему? Да потому, что при старте в течение первой секунды должно было бы сгорать 105 т топлива. Чтобы показать, в какие размеры все это выльется, Пирке рассчитал ракетный двигатель с начальным расходом топлива 105 т в секунду. Площадь критического сечения сопла этого двигателя должна была составлять 148,8 м2 , а площадь выходного сечения—около 1500 м2.

Этот расчет убеждал каждого, что непосредственный старт на другую планету не может быть осуществлен даже при использовании «сверхтоплива». Каким же образом предлагал Пирке вывести корабль на орбиту вокруг Земли? Будучи щедрым в своих допущениях и исходя из скорости истечения 4000 м/сек, он определил, что относительная масса ракеты, предназначенной для этой цели, должна быть 68:1. Поэтому он считал необходимым использовать двухступенчатую ракету с мощным стартовым ускорителем. По его мнению, максимальный расход топлива при старте такого корабля составил бы около 1,5 т в секунду. Это позволяло вывести космический корабль на орбиту и постепенно накопить там запасы топлива, правда весьма дорогой ценой, —расходуя 68 т топлива на каждую тонну груза, доставленного на орбиту.

Цифры, приведенные Пирке, ясно показали, что создание космической станции совершенно необходимо для осуществления полета на ближайшую планету и что выполнить первую часть этой задачи фактически будет гораздо труднее, чем последующую. Как это всегда бывает, первый шаг оказывался и самым тяжелым. Пирке назвал это «парадоксом космонавтики». Статьи Пирке привели к тому, что «наблюдательная станция» была вытеснена концепцией «космического порта».

Чтобы как-то сохранить функцию наблюдения, Пирке разработал станцию тройного назначения. Она должна была состоять из «внутренней» станции, рассчитанной для наблюдения (она имела круговую орбиту и период обращения 100 минут), «внешней» станции, или «космопорта» (период обращения по круговой орбите — 200 минут), и «транспортной» станции (период обращения по эллиптической орбите — 150 минут), с помощью которой должна была осуществляться связь между всеми частями этой системы.

Еще один проект космической станции был выдвинут фон Брауном - в период разработки им «проекта Марс», основной целью которого было исследование возможности полета на Марс при использовании химических топлив. О самой космической станции было сказано очень немного. В вышедшей в свет в 1951 году книге Джона Марбергера о проблемах космической медицины был опубликован рисунок—он, вероятно, был первой схемой проекта фон Брауна - центральной, почти цилиндрической конструкции с воздушной камерой и двумя отходящими от нее спицами. Эти спицы соединяют ступицу с ободом, представляющим собой правильный двадцатиугольник. Большое параболическое зеркало на балках от ступицы должно было концентрировать солнечный свет и направлять его на котел, укрепленный над ступицей.

Несколько позже в книге «Через границу космоса» (См. Rуаn С. Across the Space Frontier, Viking Press, New York, 1952.) был опубликован новый вариант уже не многоугольной, а круглой (кольцевой) космической станции. Чтобы обойтись без конденсорного зеркала, которое обеспечивало станцию энергией, вращающееся в противоположную сторону параболическое зеркало было превращено в зеркальный «лоток». Внешне вся конструкция сильно напоминала «жилое колесо» Нордунга.

Авторы редакционных статей, литературные критики и даже инженеры, не являющиеся специалистами ракетного дела и астронавтики, имеют обыкновение рассматривать детали подобных проектов слишком конкретно. Для них космическая станция, выполненная в форме колеса, так же как и ее вращение с целью создания искусственной силы тяжести, - понятия вполне определенные. Не менее конкретен и метеорный амортизатор для защиты станции от космической пыли. Но когда утверждается, что этот амортизатор может быть расположен в 5 см от внешней обшивки станции и изготовлен из дюралюминиевых листов толщиной 0, 5 мм, все указанные выше люди пускаются в дискуссии и вносят свои предложения об улучшении. Может быть, один из исследовательских проектов, разрабатываемых в настоящее время, покажет, что цинк, например, обеспечивает лучшую защиту при заданном весе, чем дюралюминий. В этом случае метеорный амортизатор будет сделан из цинка. А если предварительные исследования покажут, что расстояние в 12 см более эффективно, чем расстояние в 5 см, тогда амортизатор будет установлен в 12 см от обшивки.

Эти замечания сделаны потому, что однажды мне пришлось вести долгий и ненужный спор на эту тему. Дело в том, что у Брауна первоначально возникла идея построить космическую станцию из эластичной пластмассы, с тем чтобы облегчить ее доставку на орбиту по секциям в разобранном состоянии. Позднее ему указали, что для повышения прочности к пластмассе должны быть добавлены нейлоновые нити. В споре же, навязанном мне, мои оппоненты утверждали, что пластмассу нужно обязательно усилить, но не нейлоновыми нитями, а тонкой металлической проволокой. Может быть, это действительно так—я не знаю и уверен, что фон Браун тоже не знает, да и вряд ли вообще кто-нибудь знает это точно. Важно здесь другое - идея постройки космической станции из разборных пластмассовых секций.

Станция эта должна будет иметь диаметр около 75 м. Жилой обод станции предполагается сделать двух- или трехэтажным. Станция получит вращение для создания искусственной силы тяжести в 1/3 g. Этим будет уменьшен вес конструкции и аппаратуры. По этой же причине атмосфера внутри станции не будет такой, как атмосфера на земле. Например, давление можно будет снизить наполовину по сравнению с давлением на уровне моря, но зато поднять содержание кислорода, чтобы при вдохе легкие получали нормальное его количество, несмотря на пониженное давление.

Пониженное давление само по себе позволяет значительно уменьшить вес станции, но еще большая экономия в весе (примерно на 12 т) достигается заменой азота атмосферного воздуха гелием. Еще одной причиной использования гелия вместо азота воздуха является опасность декомпрессии, то есть снижения давления воздуха внутри станции. Декомпрессия может наступить в результате столкновения станции с метеоритами, способными пробить отверстие в ее обшивке. Люди, подвергнутые декомпрессии, могут заболеть так называемой кессонной, или водолазной, болезнью. Эта болезнь, иногда кончающаяся смертельным исходом, характерна тем, что атмосферный азот, обычно растворенный в тканях и в крови, при понижении давления воздуха выделяется из раствора, образуя пузырьки. Кровь, как говорят, «закипает».

В отличие от азота гелий обладает повышенной химической инертностью. Он также растворяется в крови и тканях, но в значительно меньшем количестве, чем азот. При замене азота воздуха гелием процесс образования пузырьков в крови ослабевает. Этот факт уже неоднократно подтверждался испытаниями водолазов, когда их поднимали на поверхность воды быстрее, чем обычно.

Вопреки более ранним предположениям, космическая станция не нуждается в обогреве, вместо этого достаточно будет оборудовать ее установкой для кондиционирования воздуха. Даже при окраске станции в белый цвет она будет поглощать большое количество солнечной энергии. Кроме того, когда станция окажется между Солнцем и Землей, последняя явится для нее гигантским рефлектором, отражающим дополнительную тепловую энергию. Добавьте к этому тепло, выделяемое электрическими двигателями, и вы поймете, почему гораздо выгоднее применять кондиционирование воздуха.

Энергию, необходимую для космической станции, будет поставлять не Солнце, как это предусматривалось вначале, хотя солнечная энергия в космическом пространстве является, конечно, самым дешевым и надежным видом энергии. Однако оборудование для превращения ее в электрический ток слишком громоздко. Атомный реактор, дающий такое же количество энергии, будет, по крайней мере, на несколько тонн легче. Он может быть размещен на конце башни, основанием которой служит ступица «жилого колеса», и надежно защищен со стороны станции большим щитом.

В предварительном проекте фон Брауна весьма оригинально решена проблема использования продуктов отхода. Каждому члену экипажа космической станции необходимо определенное количество жидкости (свыше 4 л в день). Но, потребляя воду, организм человека не может не выделять ее различными физиологическими путями; при этом почти половина ее выделяется через мочеполовой тракт и кишечник, а другая половина —за счет испарения через кожу и легкие. Процентное соотношение этих выделений зависит от температуры окружающего воздуха. При повышенной температуре выделение влаги идет главным образом за счет испарений через кожу. Удалить эту воду из воздуха можно путем сильного охлаждения воздуха. В результате пары воды конденсируются, а затем, после очистки, используются для бытовых целей (мытье, стирка белья и т. д. ).

Запас воды для бытовых нужд способствует равномерному распределению массы по всей станции. Дело в том, что вращающаяся космическая станция очень чувствительна даже к таким незначительным перераспределениям массы, как перемещение человека из одного угла каюты в другой. Особенно сильное перераспределение массы наступает в конце каждой вахты, когда люди проходят по коридорам из спальных комнат или столовой в рабочие помещения для смены тех, чье дежурство окончилось.

Перераспределение массы заставляет центр тяжести станции смещаться, что при вращении может вызвать опасные напряжения. Для устранения этой опасности вода для бытовых нужд должна храниться в баках под полом всех отсеков. Специальный датчик колебаний, чувствительный к малейшим изменениям искусственной силы тяжести, приведет в действие электрические реле при любом смещении центра тяжести. Реле подадут ток к приводам насосов соответствующих баков, из которых часть воды переместится в другие баки, компенсируя тем самым возникшее перераспределение массы.

Нельзя пренебрегать также и некоторыми другими отрицательными факторами, влияющими на равномерность движения станции по орбите.

Перед тем как перейти к описанию ракетных кораблей, с помощью которых будут строиться и обеспечиваться всем необходимым космические станции, следует хотя бы вкратце упомянуть о последней составной части станции - «обсерватории». Она не будет выполнена в одном блоке со станцией, и объясняется это не только необходимостью устранить постоянное вращение, которое должна иметь сама станция, но главным образом тем, что телескоп обсерватории должен иметь широкий сектор наблюдения, не ограниченный теми или иными деталями станции. Следовательно, «обсерваторию» лучше всего сделать автономным спутником, вращающимся вокруг Земли на небольшом расстоянии от космической станции. На «обсерватории», как правило, не будет людей, а ее фототелескоп будет управляться дистанционно со станции. Только время от времени кто-нибудь будет высаживаться на «обсерваторию», чтобы забрать экспонированные пленки и перезарядить кассеты.

Возможны два способа, с помощью которых человек может попасть со станции на «обсерваторию». Первый из них предполагает использование небольшой шарообразной ракеты размером с легковой автомобиль, на концах которой установлено по одному двигателю. На орбите значительные расстояния могут преодолеваться при очень малом расходе топлива. Если использовать, скажем, такое количество пороха, какое содержится в пистолетном патроне, то наше «космическое такси» сможет довольно легко покрыть расстояние в 8 км.

Когда «такси» подойдет к «обсерватории», его водитель должен будет включить второй двигатель для торможения. Если нужно покрыть это расстояние в кратчайший срок, следует выключить задний ракетный двигатель уже на половине пути, а затем включить передний. Для того чтобы водитель «такси» мог во время такого путешествия обходиться без специального костюма, космическая станция и «обсерватория» должны иметь герметические приемные камеры, наполненные воздухом.

Второй способ требует применения специального защитного космического костюма-скафандра. Задача создания космического скафандра очень трудна, ибо его нужно сделать таким, чтобы он выдерживал внутреннее давление воздуха, необходимое человеку для работы в нем. Кроме того, человек, надевший космический скафандр, нуждается в интенсивном кондиционировании воздуха, так как внутренний объем скафандра очень мал. Далее, скафандр должен иметь какое-то приспособление, которое защищало бы человека от метеоритов. И, наконец, человек в скафандре должен передвигаться, для чего ему нужен двигатель. Наилучшим решением последней проблемы явится создание небольшого ракетного двигателя с тягой порядка 1 кг, смонтированного на пряжке поясного ремня. Целесообразно, чтобы этот двигатель был не жидкостным, а работал бы на сжатых газах, например кислороде и ацетилене. Может быть, химикам удастся найти какой-либо газ, который будет самовоспламеняться при соединении с кислородом. Двигатель, смонтированный на пряжке ремня, будет очень удобен, особенно в тех случаях, когда пилоту придется тормозить свое движение.

Как мы уже говорили, основная трудность создания космического скафандра заключается в необходимости поддерживать внутри него определенное давление воздуха. В настоящее время создано несколько образцов универсальных скафандров, которые внешне напоминают водолазные. Так, фон Браун спроектировал скафандр, который он назвал «бутылочным» из-за его сходства с этим предметом. Он просторен, оператор в нем привязан ремнями к специальному сиденью, на выпуклой «талии» скафандра смонтированы выдвижные механические руки-манипуляторы, снабженные приспособлениями для производства различных работ. Скафандр имеет один ракетный двигатель снизу и один сверху, но они служат только для передвижений на большие расстояния, тогда как незначительное перемещение скафандра достигается с помощью механических рук. Этот скафандр в основном предназначен для сборки космической станции на орбите.

Согласно первоначальному замыслу транспортные ракеты, предназначенные для доставки деталей станции на орбиту, должны были быть трехступенчатыми и иметь общий стартовый вес до 7000 т. Это давало возможность увеличить полезную нагрузку последней ступени до 36,5 т. Третья ступень была крылатой и могла вернуться на Землю. Величины, характеризующие маневр ракеты, изображены графически на рис. 69 (остальные данные см. в Приложении II).


Рис. 69. Траектория полета трехступенчатого ракетного корабля по теории Брауна. Цифры показывают высоту, на которой происходит отсечка двигателей; цифры ниже поверхности Земли обозначают расстояние от точки старта


Первая и вторая ступени, рассчитанные на многократное использование, снабжались парашютами и специальными тормозящими реактивными двигателями, которые включались особым радиотехническим устройством типа радиолокационного взрывателя и обеспечивали ступеням ракеты резкое торможение на конечном участке перед падением в море. Поскольку к моменту падения обе ступени должны были представлять собой почти пустые металлические контейнеры, предполагалось, что они будут плавать на поверхности моря и легко подбираться кораблями для повторного использования.

Этот проект фон Брауна подвергся в свое время серьезной критике, причем было высказано много предложений, особенно в части возвращения на Землю первых двух ступеней ракеты. Специалисты не без оснований сомневались в успехе спасательных работ, утверждая, что эти работы будут стоить дороже самой ракеты. Вторую ступень (сухой вес менее 200 т и длина 20 м), вероятно, стоило использовать повторно. Но первая ступень (сухой вес около 1500 т и длина 36 м), очевидно, потребовала бы высылки в район ее падения специального спасательного судна, что обошлось бы довольно дорого.

Вскоре и другие специалисты ракетного дела выступили со своими проектами и предложениями. Так, например, К. А. Эрике высказал интересную мысль о том, что совсем не обязательно возвращать последние ступени транспортных ракет на Землю. Он предлагал сделать их непосредственными носителями груза, своего рода контейнерами, собранными из легких, но прочных деталей. Это позволяло значительно увеличить перевозимый груз. Правда, такие беспилотные грузоносители не могли бы выходить на орбиту точно в указанном месте, и тогда могло статься, что первый грузоноситель оказывался бы над Кейптауном, а второй пусть и на той же орбите, но над Мозамбикским проливом. Эту проблему можно было решить, создав два типа транспортных ракет: пилотируемых и беспилотных. Трудно ожидать, что, управляя ракетами с Земли, удастся привести их в одно место, но управление, осуществляемое с одной из ракет, позволит это сделать. Первая транспортная ракета, направленная на орбиту, будет иметь экипаж, который в дальнейшем и возьмет на себя эту задачу, но с тем условием, что он проведет на орбите не более 24 часов.

Когда космическая станция будет собрана и подготовлена для заселения, экипаж сможет жить на ней и выполнять свои работы в течение более продолжительного времени.

Вернер фон Браун принял это предложение и пошел ещё дальше. Считая, что основной задачей экипажа пилотируемой ракеты является сведение всех транспортных ракет в одно место, он отказался от какой-либо лишней нагрузки для пилотируемой ракеты, кроме экипажа. В связи с этим общие размеры ракет могли быть значительно уменьшены. Далее, фон Браун решил, что пилотируемые и беспилотные ракеты следует сделать стандартными, за исключением последней ступени. Характеристики ракет по новому варианту проекта даны в Приложении II.

Но к решению этой проблемы можно подойти и с другой стороны. По первому варианту проекта фон Брауна запуск ракет должен был осуществляться над океаном, что в известной степени обеспечивало спасение и повторное использование первой и второй ступени. На 9-м ежегодном конгрессе Американского ракетного общества, проводившемся, в Нью-Йорке с 30 ноября по 3 декабря 1954 года, Даррел Ромик из отдела аэрофизики фирмы «Гудиэр Эркрафт» выступил с докладом, который он подготовил совместно со своими коллегами Р. Найтом и Дж. Ван Пелтом. Этот доклад вызвал среди делегатов конгресса самую широкую дискуссию.

Проект, изложенный в этом докладе, был сразу же назван «планом Ромика». Предполагалось, что основная ракета будет, как и у фон Брауна, трехступенчатой, но каждая ступень будет иметь крылья и управляться пилотом. Пуск ракет планировался с суши, например с испытательного полигона в Уайт Сэндз, причем все ступени были приспособлены для совершения посадки. Стартуя с полигона в Уайт Сэндз, первая ступень приземлялась в 500 км к востоку от стартовой позиции в намеченном заранее районе, где для этого должна была быть построена посадочная полоса. Вторая ступень совершала посадку в районе Нового Орлеана; третья ступень, разумеется, выходила на орбиту.

Таким образом «план Ромика» предусматривал безопасное возвращение на Землю первых двух ступеней. Затем предлагалось, чтобы после приземления первая и вторая ступени возвращались на свою базу как обычные реактивные самолеты, для чего к их крыльям должны были подвешиваться на пилонах гондолы с реактивными двигателями, применяемыми на бомбардировщиках В-47. Это остроумное предложение вполне обеспечивало спасение первых ступеней, но увеличивало стартовый вес трехступенчатой ракеты на 2000 т.

Много соображений было высказано учеными и по поводу предложения фон Брауна выбрать для движения космической станции орбиту, удаленную от Земли на 1720 км, что соответствовало бы двухчасовому периоду обращения станции. Такое расстояние давало возможность производить фотографирование на один кадр большей части видимой земной поверхности и расходовать топлива не больше, чем его нужно было бы для вывода беспилотных спутников на низкие орбиты.

Так как инженерная мысль была сосредоточена в эту пору главным образом на пилотируемых ракетах, у ряда специалистов-ракетчиков возникла идея использования космического пространства для установления быстрейшей связи между двумя пунктами на земле. Эту же проблему решали и люди, в чью обязанность входило думать о межконтинентальных баллистических ракетах.

Первым, кто сказал, что пилотируемые ракеты можно использовать для пассажирских перевозок, был доктор Цзян, который в то время (1949 год) был профессором Калифорнийского технологического института, а позднее вернулся в Китай. Доктор Цзян выразил свою идею простой диаграммой, приведенной на рис. 70.


Рис. 70. Полет космической ракеты из Лос-Анжелеса в Нью-Йорк.


Ракета со стартовым весом 50 т, утверждал Цзян, должна иметь почти вертикальный старт. Через 150 секунд, на высоте 160 км, намечалась отсечка двигателя. Вершина «невозмущенного эллипса», то есть наивысшего участка траектории полета, должна была лежать на высоте 480 км над уровнем моря на расстоянии по горизонтали, вдвое превышающем эту высоту. Крылатая ракета входила бы в плотные слои атмосферы через 15 минут после старта, иначе говоря, покрыв расстояние по горизонту в 1920 км. Доктор Цзян считал, что аэродинамическое равновесие для крылатой ракеты при данной скорости наступит на высоте 43 км, после чего ракета начнет планирование, которое даст возможность ракете пролететь еще 2880 км. Посадочная скорость будет составлять 240 км/час. Весь полет, скажем от Нью-Йорка до Лос-Анжелеса, будет продолжаться не более часа, что позволит ракете прибыть в Лос-Анжелес на несколько часов раньше своего старта (по местному времени). На рис. 70 изображена траектория такого полета, но только в обратном направлении.

Предложение Цзяна было детально проанализировано сотрудником полигона в Уайт Сэндз Гарри Стайном в его докладе, прочитанном на 11-м ежегодном конгрессе Американского ракетного общества в Нью-Йорке (26—29 ноября 1956 года). Много было сделано в последующие годы для того, чтобы корабль стал легче. Полезная нагрузка, включая пилота, приборы, систему охлаждения, кислородную аппаратуру и прочее, была доведена до 660 кг; корпус самой ракеты весил по проекту 9320 кг, топливо - 13600 кг(жидкий кислород) и 5900 кг(бензин), сжатый газ — 225 кг. Таким образом, стартовый вес ракеты равнялся по проекту 29500 кг. Тяга, развиваемая ракетным двигателем, должна была составить 54 000 кг, при этом предполагалось, что стартовое ускорение будет увеличиваться от 1,83g до 5,45 g в момент отсечки двигателя. Если бы ракетный корабль поднимался почти вертикально в течение всего периода работы двигателя, то есть 90 секунд, то максимальная высота подъема была бы равна 90 км. Независимо от того, стартует ли корабль почти вертикально или наклонно, на определенном участке пассажиры испытывают в течение примерно 6 минут состояние невесомости.

Много думали о создании ракетного пассажирского корабля для путешествий на большие расстояния с использованием космического пространства и такие специалисты, как доктор Дорнбергер и К. А. Эрике (бывший сотрудник центра в Пенемюнде, долго работавший после войны вместе с Дорнбергером в фирме «Белл Эркрафт»). Результатом их работы был двухступенчатый ракетный корабль. Обе ступени представляли собой соединенные параллельно друг с другом пилотируемые ракеты с дельтавидными крыльями, причем пассажиры должны были размещаться во второй ступени (рис. 71).


Рис. 71. Пассажирский ракетный корабль Дорнбергера.


При старте одновременно включаются все ракетные установки - пять в нижней ступени и три в верхней. Три двигателя верхней ступени первое время питаются топливом из баков нижней ступени, таким образом дополнительная тяга достигается без увеличения стартового веса. Отделение ступеней происходит через 130 секунд после старта; нижняя ступень совершает посадку, а верхняя - продолжает полет. Наибольшее ускорение (3,5 g) корабль испытывает при достижении максимальной скорости—13500 км/час, однако все пассажиры должны выдерживать его даже без предварительной тренировки. В условиях невесомости для удобства пассажиров один двигатель продолжает работать на полную мощность для того, чтобы обеспечить ускорение в 0, 25 g. Максимальная высота полета составляет 44 км, а продолжительность - 75 минут.

В инженерном понимании космическая ракета ни в коем случае не является одноцелевым средством. Выше мы уже говорили о том, что космические ракеты могут использоваться для дальних перелетов, для перевозки пассажиров, а также в качестве беспилотных грузоносителей, последняя ступень которых остается в космосе для возможного последующего использования. Космической ракетой может быть названо и «космическое такси». И наконец, космической ракетой, или кораблем, явится такой корабль, который уйдет от Земли к другим планетам.

Однако если в ближайшие годы не будет открыт какой-либо совершенно новый принцип движения, то с пуском космического корабля последнего типа придется подождать, пока не будет создан и введен в действие внешний космичекий порт. Первым полетом такого корабля будет, конечно, полет вокруг Луны, главным образом с целью фотографирования ее с близкого расстояния. Несмотря на то, что на борту этого корабля будут находиться люди, его полет будет управляться по положению в пространстве, скорости и направлению движения персоналом и приборами внешней космической станции и в случае необходимости корректироваться счетно-решающим устройством с Земли. Первое путешествие в другой мир будет осуществлено без посадки, а поскольку кораблю не придется встречаться с какой-либо атмосферой, он не будет похож ни на какой другой корабль. Его топливные баки с метеорными амортизаторами вокруг них, ракетные двигатели, подвешенные снаружи, пассажирская кабина, защищенная метеорным амортизатором, и все прочие агрегаты будут укреплены на раскосной ферме без какой-либо внешней оболочки. Для глаза, привыкшего к земным условиям, такой корабль будет казаться просто недостроенным, но специалисту это не представится удивительным, тем более , что нет никакой необходимости расходовать топливо на доставку в космос, к месту сборки корабля, совершенно ненужной и тяжелой металлической обшивки.

Путешествие вокруг Луны при старте с космической станции займет десять дней. Одной из многих его целей будет определение подходящего места для высадки последующей экспедиции на Луне. Существует несколько разных мнений относительно состава первой лунной экспедиции. Одни утверждают, что это должна быть малочисленная экспедиция, надежно защищенная от любых вредных влияний чужого мира. Психологи считают, например, что вполне достаточным будет экипаж из трех человек. В отличие от них фон Браун говорит, что экспедиция должна включать несколько десятков специалистов в самых различных областях знаний; только такая экспедиция сможет собрать достаточные сведения о Луне, которые позволят решить, что делать дальше. Может случиться так, что Луна представит для исследователей столь незначительный интерес, что первый же полет на нее будет последним, по крайней мере до тех пор, пока не будут созданы условия для создания «лунной обсерватории» и «лунной космической базы». Для астрономов, например, идея создания обсерватории на Луне должна быть исключительно привлекательной, так как она позволяет избежать той никогда не прекращающейся борьбы, которую астрономы ведут на Земле с плотной и капризной атмосферой.

Наличие внешней космической станции дает возможность осуществить полеты и к другим планетам солнечной системы. Предполагается, что ракеты для таких полетов также будут собираться на внешней станции. Рассмотрим теперь некоторые из особенностей межпланетного полета. Совершенно очевидно, что между полетом на Луну и полетом на одну из ближайших к нам планет имеется большая разница, определяющаяся не только расстоянием. Действительно, Луна удалена от Земли в среднем на 380 000 км, а минимальное расстояние до Венеры, нашего соседа, составляет 32 млн. км. Другой наш сосед—Марс удален от земли на 56 млн.км. Однако то, что коренным образом отличает полет на Луну от межпланетного путешествия, заключается не в расстоянии. Дело в том, что Земля вместе с Луной представляют собой замкнутую планетарную систему. В определенном смысле они являются единым целым, в ракета, покрывая расстояние между ними, по сути дела преодолевает только гравитационное поле Земли и Луны. И хотя Солнце обладает несравненно большей силой притяжения, действие которого ощущается даже на расстоянии 148 млн. км, тем не менее им можно пренебречь при полете на Луну, так как и Земля, и Луна, и космический корабль будут одинаково подвержены ему, или, как выражаются астрономы, они будут находиться в одном и том же потенциале гравитационного поля Солнца. Все три объекта будут двигаться приблизительно с одной и той же скоростью по отношению к Солнцу и примерно в одном и том же направлении.

Вертикальный подъем ракеты с немедленным возвращением на Землю можно сравнить с тем, что вы поднимаетесь со своего места в железнодорожном вагоне, подходите к окну и возвращаетесь назад. Пуск ракеты на Луну подобен переходу в другой вагон одного и того же поезда. При этом не имеет значения, стоит ли поезд или идет на полном ходу, потому что ваше место, окно и следующий вагон движутся с одинаковой скоростью. Но полет на Венеру или на Марс в нашем примере был бы равноценен выходу из поезда, и тогда скорость поезда стала бы важным фактором.

Все планеты солнечной системы движутся вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости. Только орбита планеты Плутон на самом краю солнечной системы и орбиты нескольких астероидов и комет наклонены под большим углом. Однако планеты движутся не с одинаковой скоростью; те, которые находятся ближе к Солнцу, имеют большую скорость обращения (рис. 72), которая необходима для того, чтобы оставаться на своих орбитах, то есть уравновешивать более сильное здесь притяжение Солнца.


Рис. 72. Участки орбит, проходимые Венерой, Землей и Марсом за 50 дней.


Представим теперь, что тело, движущееся по одной из внешних орбит, то есть со сравнительно небольшой скоростью, было внезапно заторможено какой-то внешней силой. В этом случае тело не сможет удержаться на своей орбите и начнет «скользить» по направлению к центру обращения— к Солнцу. Набирая при этом скорость, тело на определенном участке снова приобретет равновесие. Наоборот, какое-либо тело, получившее еще большую скорость, будет двигаться от центра, то есть от Солнца, преодолевая его притяжение.

С небольшим изменением эти рассуждения могут быть применены и к фактическим условиям солнечной системы. Допустим, что мы имеем большую ракету, способную развить вторую космическую скорость (11,2 км/сек) по отношению к Земле. До старта эта ракета является частью Земли, и ее орбитальная скорость по отношению к Солнцу составляет 29,6 км/сек. При вертикальном старте ракета либо добавит свою собственную скорость к скорости Земли, либо «вычтет» ее из скорости Земли (в зависимости от времени суток).

«Передняя сторона» Земли (та, которая ориентирована в направлении орбитального движения) является «утренней стороной». Значит, при старте на рассвете ракета добавит свою скорость, а при старте вечером - «вычтет» ее. Назовем эти два случая пуска «утренней» и «вечерней» ракетами. Схема на рис. 73, выполненная по расчетам немецкого профессора Вернера Шауба, показывает, что «утренняя» ракета, будучи «слишком быстрой» для земной орбиты, устремится на выход из солнечной системы в направлении орбиты Марса. Но при этом ракета обязательно попадет в гравитационное поле Солнца, которое постепенно затормозит ракету. Через шесть с половиной месяцев после старта ракета будет находиться в точке афелия, между орбитами Земли и Марса, а затем снова начнет «скользить» к Солнцу, набирая скорость. Спустя еще шесть с половиной месяцев, то есть через 13 месяцев после старта, «утренняя» ракета достигнет перигелия, который будет расположен в точке, где Земля была 13 месяцев назад. Земля же, разумеется, будет в это время находиться от этой точки на расстоянии одного месяца орбитального движения.


Рис. 73. «Вечерняя» и «утренняя» ракеты.


Затем «утренняя» ракета продолжит свое движение по орбите, снова достигнет афелия через шесть с половиной месяцев и снова вернется в точку, на орбите Земли; в общем, она будет вести себя как независимое небесное тело. Так будет продолжаться в течение 11 полных оборотов, потому что к концу 12-го полного оборота ракета встретит Землю и сгорит, войдя в ее атмосферу.

«Вечерняя» ракета, которая «вычтет» свою скорость из скорости Земли, будет двигаться внутрь солнечной системы. Для нее точка старта будет являться афелием, а перигелий будет находиться где-то между орбитами Земли и Венеры. В течение некоторого времени «вечерняя» ракета также будет независимой «планетой», но это время будет меньшим, чем в случае с «утренней» ракетой, так как к исходу восьмого оборота ракеты вокруг Солнца Земля совершит только 7, точнее, 6,96 оборотов. Поскольку и Земля и ракета будут иметь почти одинаковую скорость, будут двигаться в одном направлении и находиться почти в одной точке пространства, «вечерняя» ракета также столкнется с Землей.

Этим примером мы хотели показать принцип, на котором будет основан полет на ближайшую к нам планету. Может, однако, случиться так, что «утренняя» ракета приблизится к другому небесному телу, скажем, к такой малой планете, как Эрос, орбита которого проходит недалеко от точки афелия ракеты. Эрос будет чрезвычайно интересной целью уже хотя бы потому, что его орбита лежит частично внутри, а частично - вне орбиты Марса. Кроме того, известно, что Эрос не является сферическим небесным телом. Из-за малых размеров Эроса его гравитационное поле можно в расчет не принимать. Возможно, что эта малая планета будет первым объектом исследования после успешного завершения полета на Луну.

Еще одно принципиальное отличие полета на Луну от полета на другие планеты состоит в том, что в первом случае космический корабль может стартовать практически в любое время, тогда как корабль, предназначенный, например, для полета на Марс, должен стартовать, во-первых, в точно установленное расчетное время, а во-вторых, с точно определенной скоростью. Если суммарная скорость космического корабля и движения Земли будет слишком большой, корабль рискует просто пересечь орбиту Марса вместо того, чтобы выйти на нее. При выходе же его на орбиту Марса корабль и планета будут двигаться вокруг Солнца точно в одном направлении, хотя и не с одинаковой скоростью. Но если орбиты корабля и планеты пересекутся, корабль будет вынужден не только изменить направление движения, но и преодолеть разность в скоростях. Естественно, что в первом случае ему потребуется и большее количество топлива.

Первым, кто рассчитал потребность в топливе для межпланетных полетов, был доктор Вальтер Гоманн. Все «орбиты Гоманна», как их сейчас принято называть, являются по сути дела кеплеровскими эллипсами, которые лежат в плоскости эклиптики (орбиты Земли), следуют общему вращению солнечной системы и либо «касаются», либо пересекают орбиты по меньшей мере двух планет.

Я умышленно употребил фразу «следуют общему вращению солнечной системы». Ведь можно представить себе и даже рассчитать такой кеплеровский эллипс, который будет направлен в противоположную сторону, но подобная орбита окажется весьма неэкономичной. Орбиты, которые не следуют общему вращению солнечной системы, исключаются, как «невозможные» (рис. 74).


Рис. 74. Орбиты Гоманна. Слева - возможная орбита, двигаясь по которой тела следуют общему вращению солнечной системы, и невозможная орбита. Справа - три возможных орбиты, из которых одна (А) требует наибольшего времени и самого минимального расхода топлива.


Рассчитывая «возможные» орбиты-траектории, доктор Гоманн намеренно упростил расчеты, приняв, что орбиты внутренних планет лежат точно в одной плоскости и что они круглые, а не эллиптические. Последнее допущение имеет целью избавиться от усложняющего все расчеты факта, что планеты движутся в перигелии несколько быстрее, чем в афелии. Гоманн допустил также, что средняя орбитальная скорость планеты является верной для каждой точки орбиты. Выражаясь более научно, он допустил, что радиус-вектор в равные промежутки времени проходит равные участки и описывает равные углы.

Первым примером Гоманна был полет на Венеру. Взяв пять «возможных» орбит, он обозначил их А, В, С, D и Е. Орбита А касается орбиты Венеры и орбиты Земли; орбита В пересекает орбиту Земли, но касается орбиты Венеры; орбита С касается орбиты Земли, но пересекает орбиту Венеры. Орбита D сходна с орбитой С, но более полога, а орбита Е ничем не отличается от орбиты В. Предполагалось, что космический корабль, достигая Венеры, уравнивает свою скорость с орбитальной скоростью планеты, но не производит посадки. Конечный вес корабля к этому времени принимается равным 6 т, включая трех пассажиров.

Характеристики полетов по этим орбитам приведены в следующей таблице:


Эта таблица позволяет сделать один-единственный вывод: для практических целей могут быть взяты только орбиты типа А. Любая орбита, пересекающая орбиту планеты и вызывающая необходимость изменения направления, не может рассматриваться как «возможная». Указанные выше цифры требуют одной оговорки. Они не означают, что, например, шеститонный корабль, имея скорость истечения газов порядка 5000 м/сек, потребует 21 т топлива, чтобы достичь Венеры за 146 дней, или 43 т топлива при скорости истечения 3000 м/сек. Если бы все дело сводилось только к этому, мы уже сейчас могли бы заняться непосредственно созданием космического корабля. Эти цифры выражают лишь ту «дань», которую космический корабль должен «уплатить» Солнцу для выхода с орбиты Земли на орбиту Венеры и для уравнивания своей скорости со скоростями обеих планет.

В расчетах Гоманна не учтено, что обе планеты обладают определенной силой притяжения. Поэтому в таблице нет данных о времени и топливе, необходимых для выхода корабля из сферы притяжения Земли и возвращения на Землю.

Таким образом, 146 дней—это продолжительность полета только в одном направлении. Рассчитанная по этому способу продолжительность полета на Марс по орбите типа А составила бы 258 дней.

Теперь попытаемся определить продолжительность полета космического корабля по одной из «возможных» орбит туда и обратно. Это не означает, что, например, при полете на Венеру или на Марс придется просто удвоить полученные Гоманном результаты. Допустим, что корабль, двигаясь по орбите А, достиг Марса, но не совершил посадки, а сразу же лег на обратный курс. Может показаться, что в этом случае нет нужды уравнивать скорость корабля со скоростью Марса, а следует просто остаться на той же орбите. Через определенное время, даже не расходуя топлива, корабль так или иначе непременно вернется на орбиту Земли. Но это неверно, так как к моменту выхода корабля на орбиту Земли наша планета окажется уже в другой точке орбиты.

Когда мы стартуем с Земли, более «медленный» Марс должен быть далеко впереди. Время старта рассчитывается так, чтобы корабль догнал планету. Но за 258 дней относительна «быстрая» Земля уйдет вперед, и потому к концу полета корабля Земля будет находиться далеко от той точки, в которой произойдет смыкание орбит возвращающегося корабля и Земли, В силу этого корабль должен будет выждать либо на Марсе, либо вблизи него, пока Земля не окажется позади Марса. Этот период ожидания довольно продолжителен и составляет 455 дней. Таким образом, полет на Марс и обратно требует 258 + 455 + 258 = 971 день, то есть около двух земных лет и восьми месяцев (рис. 75).


Рис. 75. Полет на Марс и обратно:

Вверху слева - положение Земли и Марса (черные кружки) в начале полета космического корабля, траектория которого показана пунктиром;

справа - положение в момент прибытия корабля на Марс (предыдущее положение планет отмечено белыми кружками);

внизу слева - положение в момент вылета с Марса, Марс завершил часть оборота, лежащую между белым и черным кружками, а Земля сделала вокруг Солнца почти 1,25 оборота;

справа - положение в момент возвращения космического корабля на Землю.


Полет на Венеру осуществляется в условиях, прямо противоположных условиям полета на Марс, так как Венера движется по орбите быстрее Земли, однако и здесь обязательным будет период ожидания на Венере или вблизи нее продолжительностью немного более 470 дней. Следовательно, весь полет на Венеру и обратно займет примерно 146 + 470 + 146 = 762 дня, то есть два земных года и один месяц.

Теперь рассмотрим проблему соотношения масс корабля при межпланетных полетах. В приведенной ниже таблице даны отношения масс для ракет, стартующих с Земли.


Эта таблица составлена с учетом сопротивления воздуха и умеренного ускорения, которое может выдержать пилот корабля. Если нужно определить, какая первоначальная масса необходима для полета на Венеру, следует выбрать скорость истечения, взять соответствующую цифру для полета на Венеру из таблицы на стр. 327 и умножить ее на цифру для той же скорости истечения из данной таблицы. Это, конечно, весьма примитивный способ производства расчетов с точки зрения математики, но с его помощью можно быстро получить ориентировочные данные.

Полет, описанный Гоманном, протекает следующим образом: ракетный корабль стартует вертикально с Земли в произвольном направлении и удаляется от нее на 80 000 км. На этом расстоянии влияние гравитационного поля Земли столь ничтожно, что им можно пренебречь. Корабль здесь становится независимым от Земли, но все еще сохраняет ее орбитальную скорость. Стоит увеличить орбитальную скорость корабля хотя бы на 3, 2 км/сек— и он будет двигаться внутрь солнечной системы по орбите типа А. Во время подъема и выхода из сферы притяжения Земли, продолжающихся несколько дней, ракетные двигатели должны работать в общей сложности около 8 минут; для изменения орбитальной скорости корабля они включаются еще на 2 минуты. После того они не работают до тех пор, пока корабль не выйдет на орбиту Венеры. Двигаясь внутрь солнечной системы, то есть фактически «падая» по направлению к Солнцу, корабль набирает скорость; поэтому он будет двигаться даже несколько быстрее Венеры. Эта разница в скоростях должна быть урегулирована, после чего оба тела будут двигаться по одной орбите и с одинаковой скоростью. Но это будет продолжаться недолго. Гравитационное поле планеты увлечет корабль «вниз», и начнется посадочный маневр, целью которого будет погасить скорость, увеличившуюся под действием силы притяжения планеты.

Ниже приводятся все данные для шеститонного космического корабля с тремя пассажирами, каждый из которых имеет запас пищи, воды и кислорода из расчета по 10 кг на день.

Из таблицы видно, что совершить полет на Венеру легче, чем на Марс, но возвратиться легче с последнего. Конечно, цифры эти очень велики, за исключением, может быть, тех, которые соответствуют скорости истечения порядка 10 000 м/сек, но обеспечить такую скорость не может ни одно из известных сейчас химических топлив. Еще одним неприятным моментом в нашей таблице является указание на «независимость» возвращения корабля на Землю. Это означает, что топливо для обратного полета не может быть взято с собой, а должно быть получено на той планете, куда летит корабль. Здесь, сам того не сознавая, Гоманн доказал, что космический полет на химическом топливе не может быть осуществлен без космической станции.


В том случае, если корабль не будет делать посадку на планете, он превратится в ее спутника до того момента, когда возникнут необходимые условия для возвращения (см. выше). Этот период ожидания может быть использован для фотографирования и даже картографирования планеты. Необходимый стартовый вес для шеститонного корабля при этом может быть определен по следующей таблице:


Здесь снова только цифры нижней строки выглядят более или менее приемлемыми.

Последняя графа, обозначенная «специальный полет туда и обратно» нуждается в объяснении. Здесь предполагается, что корабль летит на Марс, но не делает посадки и не ждет, пока сложатся благоприятные условия для возвращения на Землю. По прошествии, скажем, нескольких недель пилот уменьшает орбитальную скорость корабля, и он начинает двигаться внутрь солнечной системы по орбите типа А. Эта орбита выводит корабль с орбиты Марса прямо на орбиту Венеры. Естественно, что при этом орбита Земли пересекается кораблем, но в тот момент, когда Земля находится в другой точке.

Венера, однако, оказывается в точке встречи, и корабль в течение некоторого времени обращается вокруг нее. Затем орбитальная скорость корабля снова увеличивается, и он выходит на орбиту типа А, направляясь к Земле. Через полтора года после начала путешествия корабль заканчивает облет обеих планет, причем в более короткое время и с несколько меньшим расходом топлива, чем это необходимо для прямого беспосадочного полета на Марс.

С помощью этих расчетов Гоманн пытался установить относительную массу и стартовый вес корабля для каждого маневра в отдельности. Общая необходимая относительная масса для конкретного полета равна, по Гоманну, произведению различных относительных масс. Оберт же, рассчитывая полеты с Земли без космической станции, использовал другой метод. Он сначала определял величину каждого изменения скорости, необходимого для различных маневров, и получал сумму всех изменений, которую он называл «идеальной скоростью» планируемого полета. Необходимая общая относительная масса определялась далее путем расчета ее для идеальной скорости при данной скорости истечения.


Рис. 76. Межпланетное путешествие по теории Гоманна.


Хотя методы расчетов, приведенные выше, содержат некоторые допущения и не учитывают наличия космической станции, цифры, характеризующие продолжительность полёта и время ожидания, лишь немногим отличаются от цифр, полученных в последних работах, основанных на пуске корабля с космической станции. Так, например, по расчетам фон Брауна продолжительность полета на Марс составляет 260 дней, период ожидания - 449 дней, обратный полет - 260, то есть всего 969 дней.

Интересно отметить, что современная наука считает правильным, если корабль, вылетающий из района Земли в район другой планеты, не совершает на ней посадки, а выходит на орбиту спутника. Для более детального изучения планеты рекомендуется использовать специальную «посадочную ракету». Кроме того, исследование планет может осуществляться с помощью так называемых планетных зондов. Запущенный с космической станции, такой беспилотный планетный зонд может выйти на орбиту Марса или Венеры и стать их спутником. Двигаясь по достаточно низким орбитам вокруг этих планет, зонды будут передавать на Землю, а точнее, — на космическую станцию, находящуюся вблизи Земли, все собранные ими данные.

Как уже было сказано, понятие «космический корабль» стало в настоящее время очень широким. Подобно тому как все ракеты делятся на два больших класса (баллистические и крылатые ракеты), космические корабли будущего могут быть разделены на два типа. В первый войдут корабли, которым не нужно будет проникать в атмосферу планет, а во второй - корабли, преодолевающие атмосферу и производящие посадку. По внешнему виду они будут резко отличаться друг от друга. Корабли второго типа, очевидно, будут иметь крылья и обтекаемую форму; корабли первого типа будут бескрылыми и, по всей вероятности, необтекаемыми.

Теперь, когда мы в достаточной мере познакомились с теоретическими выкладками, естественно будет спросить, что же мешает нам сейчас осуществить космический полет, то есть имеются ли какие-нибудь специальные научные проблемы, которые пока еще остаются нерешенными, или же все дело упирается только в развитие науки и техники? Оказывается, что главным тормозом является все-таки необходимость дальнейшего совершенствования ракетной техники и всех примыкающих к ней областей науки. Что же касается некоторых нерешенных специальных проблем, то характер их таков, что они будут решены в ходе общего технического прогресса.

Например, проблема возвращения космических кораблей в атмосферу Земли все еще не может считаться решенной. Недавние исследования К. А. Эрике показали, что вхождение корабля в атмосферу и приземление его вполне возможны, если его масса достаточно мала, а размер велик. Это касается прежде всего крылатых ракет с пустыми топливными баками. Но это же исследование показало, что небольшое снижение скорости, на которой корабль входит в атмосферу с помощью тормозного ракетного двигателя не даст больших результатов. Гораздо более перспективным было бы увеличение объема корабля без изменения его массы.

Другой нерешенной проблемой является проблема влияния космических лучей на организм человека. Почти все согласны с тем, что кратковременное воздействие, измеряемое несколькими днями, не причиняет человеку почти никакого вреда. Но пока еще неизвестно, какая продолжительность воздействия будет для него опасной.

Есть и целый ряд специфических проблем, касающихся деталей проектов. Например, уже сейчас можно думать о том, каким образом осуществить регенерацию воздуха в кабине межпланетного корабля. Но еще слишком рано пытаться отыскивать окончательное решение.

Большой проблемой, которую, однако, нельзя связывать с развитием ракетной техники, является применение атомной энергии в космических кораблях. Реактивное движение, осуществляемое с помощью атомной энергии, открывает совершенно новые пути развития ракетной техники. Но пока что наши познания в области атомной энергии не обеспечивают ее применения в двигателях ракет. Эта проблема принципиально отличается от использования атомной энергии для движения подводных лодок, надводных кораблей и даже самолетов. Расщепляя тяжелые ядра атомов урана на ядра более легких элементов или превращая легкие ядра атомов водорода в более тяжелые ядра атомов гелия, мы можем сейчас лишь разрушать материю для получения энергии, которая неизменно выделяется в виде тепловой. Для корабля, подводного или надводного, этого вполне достаточно. Атомная силовая установка корабля - это реактор, который выделяет только тепло. Это тепло поглощается расплавленным металлом; металл в свою очередь превращает воду в пар, а тот приводит в движение турбину, вращающую винт.

Несомненно, что при создании кораблей и судов с атомными двигателями были решены исключительно сложные инженерные проблемы, но результатом явилась всего лишь простая замена атомным реактором топки паротурбинной силовой установки.

Можно себе представить — и по этому вопросу написано уже немало научных работ, — что ракетный двигатель мог бы работать по тому же принципу: атомный реактор создавал бы высокую температуру и нагревал рабочую жидкость, например, воду или жидкий водород. Но для того чтобы получить примерно те же скорости истечения, которые обеспечивают эффективнейшие химические топлива, потребуются такие высокие температуры, с которыми мы еще никогда не сталкивались.

Есть и другой путь использования атомной энергии для полетов в космос. Он заключается в создании так называемых «ионных ракет». Принцип действия таких ракет довольно прост: получив в атомном реакторе пар для вращения турбины, соединяют турбину с генератором электрического тока и с помощью его ионизируют рабочий газ, который истекает из сопла со скоростью, значительно превосходящей любую скорость истечения газов химического топлива.

Теоретически это вполне возможно. Но, обеспечив огромную скорость истечения ионизированного газа, мы вряд ли сможем сделать достаточной его массу. Практически это приведет к тому, что ракета с массой в несколько тонн будет иметь тягу всего лишь в несколько килограммов (в среднем по 200 г тяги на тонну веса ракеты). Эта тяга будет устойчивой, и со временем такой двигатель сообщит ракете значительную скорость, но только в том случае, если корабль будет находиться уже в космическом пространстве.Существует много планов создания «ионных ракет». Есть даже официальный проект исследования «ионной тяги». Но все это является делом будущего, и нельзя сказать точно, когда и каким образом оно будет осуществлено.

А между тем совершенствование во всех областях науки и техники продолжается неуклонно час за часом, день за днем.


Примечания:



5

Дэвид Брюстер 1781—1868)—известный английский физик и оптик; открыл закон поляризации света и описал явление хромагической поляризации света. (Прим. ред.)



52

Эта идея создания искусственной силы тяжести вращением космического летательного аппарата была выдвинута К. Э. Циолковским еще в 1895 году. По теории Циолковского после достижения системой (с помощью небольших ракет) определенной угловой скорости дальнейшее вращение будет продолжаться самостоятельно в связи с отсутствием сопротивления среды. (Прим. ред.)






Главная | Контакты | Прислать материал | Добавить в избранное | Сообщить об ошибке