Текст книги "Можно ли забить гвоздь в космосе и другие вопросы о космонавтике"

Где проходит граница между космосом и атмосферой?

Век назад ученые полагали, что граница атмосферы проходит на высоте 12 км. У них были для этого основания. Ведь если рассуждать о нашей атмосфере как газовой смеси, пригодной для дыхания, то она действительно заканчивается в районе 10 км. На этом уровне из-за низкого давления и малого содержания кислорода человек погибнет. Позже исследования на стратостатах и высотных самолетах показали, что атмосфера простирается гораздо дальше.

Сегодня условную границу космоса проводят на высоте 100 км. И связано это не только с красивым «круглым» числом, но еще с тем, что выше перестает действовать подъемная сила воздуха, которая нужна для полета на крыльях. Авиация не может подниматься туда, поэтому там начинается сфера космонавтики.

Структура атмосферы

Однако если смотреть на вопрос практически, то и на высоте 100 км атмосфера не заканчивается. Физики говорят, что переход атмосферы в межпланетное пространство постепенно происходит в экзосфере – области, которая простирается на 190 тысяч километров, половина расстояния до Луны! Получается, что спутники и Международная космическая станция всё еще находятся в атмосфере – в ее высших разреженных слоях. И это правда: любой околоземный объект потихоньку тормозится под воздействием разреженных газов. Раньше или позже он войдет в более плотные слои и сгорит. Чтобы сохранить орбиту Международной космической станции, ее необходимо «корректировать», то есть поднимать высоту с помощью двигателей.

Как устроена ракета?

Даже самая простая ракета состоит как минимум из трех элементов: ракетного двигателя с соплом, топливного бака и полезной нагрузки. Но такая ракета далеко не улетит, если не управлять ее полетом. Значит, нужен еще блок управления, который работает по радиокомандам с Земли или по заложенной программе. Блок должен как-то влиять на траекторию ракеты, не давать ей сбиться с курса. Значит, нужны еще так называемые исполнительные органы: на крылатые ракеты ставят крылья и хвост с воздушными рулями, на баллистические ракеты – газовые рули внутри сопла, на космических применяются поворотные сопла рулевых двигателей.

Устройство ракеты

Второй экипаж Сергея Рязанского и ракета «Союз-ФГ», которая через три дня доставит космонавтов на орбиту (фотография Андрея Шелепина /ЦПК)

Ракетное топливо обычно состоит из горючего и окислителя. Чтобы они случайно не смешались и не воспламенились, их баки отделены друг от друга. Кроме того, важно сделать так, чтобы горючее и окислитель непрерывно шли в двигатель, в камеру сгорания. И чем больше будет давление в этой камере, тем больше будет эффективность двигателя, тем дальше и выше ракета полетит. На первых ракетах с жидким топливом, которые появились еще в 1930-е годы, применяли вытеснительную подачу топлива – из особого бака поступал азот под давлением и вытеснял компоненты топлива, направляя их в камеру сгорания. Но такие двигатели обладали невысокой тягой и эффективностью, то есть не использовали полностью запас энергии, содержащийся в топливе. Сегодня используется турбонасосный агрегат – турбина приводит в действие насосы, которые прокачивают компоненты топлива.

Простая ракета не может вывести значительный груз на орбиту, ведь она тяжелая сама по себе. Поэтому придумали делать многоступенчатые ракеты, то есть соединять две, три, четыре ракеты, которые называются ступенями. Что это дает? Когда топливные баки первой ступени опустошаются, она отбрасывается, и начинает работать двигатель второй, затем – третьей, четвертой. Сразу получается выигрыш: нет нужды тащить на высоту опустевшие баки.

Традиционная схема многоступенчатой ракеты построена на последовательном расположении ступеней – одна над другой. Но долго не могли разработать систему запуска двигателя второй ступени после отделения первой. Поэтому команда Сергея Королёва предложила оригинальную идею: собрать ступени в «пакет», то есть соединить их боками и запускать одновременно на старте. Так появилась ракета Р-7, которая стала первой межконтинентальной; ее называют просто «семеркой». На ее основе потом создавались ракеты для запуска спутников и космонавтов, сейчас так же устроены самые современные ракеты-носители «Союз-У», «Союз-ФГ» и «Союз-2».

«Пакет» ракеты Р-7 собирается из пяти блоков: центрального блока А и четырех боковых блоков Б, В, Г и Д. Двигатели всех блоков запускаются на старте. После опустошения баков боковые блоки отделяются, а центральный блок продолжает полет. Впервые ракета Р-7 стартовала 15 мая 1957 года. За 60 лет было запущено почти 1900 ракет этого семейства, а на них – более 2000 спутников и межпланетных аппаратов. Можно сказать, ракеты линейки Р-7 – это «рабочие лошадки» космонавтики.

Но мысль инженеров не остановилась на достигнутом. Была освоена и схема последовательного расположения ступеней: «семерка» пополнилась третьей ступенью – блоком Е; с его помощью выводились на межпланетные трассы первые исследовательские аппараты, а на орбиту – первые корабли с космонавтами.

Почему ракета летит?

Вообще говоря, сам принцип реактивного движения интуитивно понятен. Но многие, увы, до сих пор путаются в деталях. Наверное, потому что смотрят голливудские фильмы, а там вечно что-нибудь забористое изобразят. Например, приходилось слышать мнение, будто бы ракета отталкивается от воздуха. Но как же в таком случае она летает в космосе, где нет воздуха?

Легко понять из названия, что реактивное движение – это движение за счет силы реакции, отдачи. Скажем, вы стреляете из пистолета – отдача после вылета пули выворачивает руку. Это и есть сила реакции. Если бы при выстреле вы находились, допустим, на борту орбитальной станции, в невесомости, то отдача придала бы вам реактивное движение и вы полетели бы в противоположную сторону от пули.

Механику реактивного движения описывают с помощью третьего закона Ньютона. Мы со школы помним его формулировку: тела действуют друг на друга силами, равными по модулю и противоположными по направлению. Или: сила противодействия равна силе действия. В случае ракет силой действия является тяга, которая создается раскаленными газами, вырывающимися из сопла. Они и толкают ракету в противоположную сторону. Поэтому ракета не нуждается в приложении каких-то других сил; она сама создает силу действия, а за счет силы противодействия, реакции, отдачи летит с ускорением не только в атмосфере, но и в космосе.

«Союз-ФГ» стартует с космодрома Байконур 28 июля 2017 года (фотография Андрея Шелепина /ЦПК)

В то же время реактивным называют и движение, при котором для создания сил действия и противодействия используется окружающая среда. Например, турбореактивный двигатель авиалайнера использует окружающий воздух для создания рабочей газовой смеси. Кальмар прокачивает через свое тело окружающую воду для разгона при охоте или бегстве. Но, конечно, ни авиалайнер, ни кальмар не смогут летать в космосе.

Какая скорость нужна, чтобы выйти на орбиту?

Очень большая. Но развивать ее можно постепенно, как и делает ракета, поднимаясь на космическую высоту. С какого-то момента скорость становится такой, что ракета выйдет на орбиту. Мысленный эксперимент поставил еще великий Исаак Ньютон. Представьте себе высочайшую гору, пик которой находится за пределами атмосферы. Вообразите пушку, установленную на самой ее вершине и стреляющую горизонтально. Чем мощнее заряд используется при выстреле, тем дальше от горы будет улетать ядро. Наконец при достижении некоторой мощности заряда ядро разовьет такую скорость, что не упадет на Землю вообще и будет вращаться вокруг нашей планеты. Фактически Ньютон описал искусственный спутник, а значение вычисленной им начальной скорости – 7,91 км/с. Ее сегодня называют «первой космической».

Если говорить с физической точки зрения, то спутник на самом деле всё время падает под действием силы притяжения, но не может упасть, потому что земная поверхность как бы «убегает» от него за счет собственной кривизны. Вот если бы Земля была плоская, то спутники неизбежно падали бы на нее, пролетев какое-то расстояние. И понятно, что если бы движение спутника происходило не в вакууме, а в атмосфере, то он тоже упал бы, потому что молекулы воздуха при бесчисленных столкновениях затормозили бы его.

Пушка Ньютона

С удалением от Земли величина первой космической скорости снижается, ведь и сила притяжения уменьшается. Например, на высоте 100 км скорость равна 7,85 км/с, а на высоте полета Международной космической станции – 7,67 км/с. Немного изменяя скорость спутника, можно сделать его орбиту эллиптической, а путем довольно хитрых маневров – вывести на такую высоту, где его угловая скорость относительно планеты станет равна скорости ее вращения, в результате получится, что спутник как бы висит над одной точкой земного шара, хотя в действительности он продолжает падать.

Какая скорость нужна, чтобы добраться до Луны и Марса?

Чтобы космический аппарат вышел в межпланетное пространство на собственную орбиту вокруг Солнца, ему нужно развить скорость, которую называют «второй космической», или «скоростью убегания»; для нашей планеты она составляет 11,19 км/с. Ее значение тоже меняется с высотой, поэтому специалисты обычно используют значение 11,02 км/с, которое соответствует высоте 200 км – именно там проходит «промежуточная» орбита, с которой стартуют межпланетные аппараты. Но Луна находится поблизости от нас в общей гравитационной системе, поэтому для того, чтобы попасть в спутник Земли по прямой траектории, нет необходимости развивать «скорость убегания»: для старта с земной поверхности достаточно разогнаться до 11,09 км/с, а с «промежуточной» орбиты – до 10,92 км/с. Правда, лететь тогда придется дней пять.

При полете к Марсу ситуация усложняется. В межпланетном пространстве влияние гравитации Земли настолько мало, что им пренебрегают. Поэтому имеет смысл говорить только о скорости относительно Солнца. Минимальная «скорость убегания» от Солнца – 42,12 км/с – в четыре раза больше, чем от Земли! Но если мы стартуем в направлении по движению нашей планеты вокруг Солнца, то используем ее собственную скорость, которая близка к 29,78 км/с. Значит, необходимо иметь «на бесконечности», где притяжение Земли уже пренебрежимо мало, скорость 12,34 км/с. Это соответствует скорости отлета с низкой орбиты примерно 16,54 км/с относительно Земли – ее называют «третьей космической» скоростью. Рассчитать ее можно через закон сохранения энергии.

К счастью, для полета к Марсу такой большой скорости не нужно. Давным-давно рассчитаны траектории межпланетных полетов, которые требуют минимум топлива. Их называют траекториями – Гомана в честь немецкого инженера Вальтера Гомана, который вычислил их одним из первых. Чтобы выйти на траекторию полета к Марсу с минимальными затратами топлива, нужно разогнать космический аппарат до скорости 11,42 км/с – ненамного больше, чем для полета на Луну. Однако Марс при этом должен находиться в благоприятном положении относительно Земли, которое устанавливается раз в два года с небольшим – точнее, через 780 суток. Период, когда возможен полет к Марсу по гомановской траектории, называют «стартовым окном». Сам полет, если сделать всё правильно, будет продолжаться 259 дней. Можно сократить время перелета, чуть увеличив начальную скорость. Например, если скорость поднять до 11,8 км/с, то аппарат доберется до Марса за 165 дней; если до 12 км/с, то за 144 дня; если до 13 км/с, то за 105 дней.

Космические скорости

Конечно, теоретически по Солнечной системе можно летать по каким угодно траекториям, но у нас пока нет настолько мощных кораблей, чтобы нарушать законы баллистики, а когда они появятся, сказать трудно.

Почему Земля не плоская?

Если вы смотрели документальные фильмы о космосе, то, наверное, заметили, что капли воды в невесомости становятся шарообразными. Но почему? Форма предметов меняется только под действием какой-то силы. Что за сила действует на воду? Это, конечно, сила поверхностного натяжения. Под ее действием жидкость стремится принять форму с минимальной площадью поверхности, а лучшая форма для этого – шар.

Однако Земля – твердое тело, сила поверхностного натяжения тут ни при чем. Для твердых тел в космосе главная сила – гравитация. Конечно, она очень слаба, но чем выше масса, тем сила гравитации значительнее, а ее влияние заметнее. Когда планеты, включая Землю, только формировались, они своей гравитацией собирали вещество из окружающего пространства. Гравитация всегда направлена к наиболее массивной части тела, вещество стремится к этому условному центру, а тело в целом принимает форму с минимальной площадью поверхности – как капля в невесомости. Если Земле каким-то невероятным способом придать форму чемодана, то через многие тысячи лет она опять соберется в шар.

Земля из дальнего космоса (фотография NASA)

Впрочем, среди космических тел есть, например, астероиды. Они не приобрели шарообразную форму. Почему? Тут всё зависит от массы и времени. Сила гравитации, как мы помним, слаба, поэтому, для того чтобы быстро получился шар, нужна очень большая масса. Если же массы мало, то для этого понадобится много времени, миллиарды лет. Самые большие астероиды – такие, как Церера, Веста, Паллада, – имеют шарообразную форму, а остальные, поменьше, выглядят порой довольно причудливо, как «бесформенные» глыбы.

Получаете ли вы удовольствие от полетов или это преодоление себя?

Я сказал бы, что преодоление себя – это как раз подготовка к космическому полету.

Когда-то, во времена детства, я считал, что главное мучение – учеба в школе: много уроков, экзамены. И вот я вырасту большим, окончу школу и больше никогда не буду учиться. Но когда я вырос, окончил школу, то поступил в Московский государственный университет и чуть не вылетел с первого курса за неуспеваемость. Потому что выяснилось, что там, оказывается, нужно учиться еще больше. Моей проблемой была математика. Пришлось на нее изрядно подналечь. Но я себя утешал тем, что получу диплом, и на этом моя учеба закончится. Потом – защита, выпуск, работа в научном институте, аспирантура, и вдруг выяснилось, что и там тоже надо учиться и сдавать экзамены. Так что спокойной жизни, к сожалению, опять не получилось, но я понимал, что аспирантура – это ведь ненадолго, и с учебой будет покончено.

Сергей Рязанский работает на МКС

Потом я поступил в отряд космонавтов и попал в Звёздный городок. И только там осознал: всё, что было раньше, – это не учеба; так я никогда не учился. Когда ты учишься два года подряд с утра до ночи и сдаешь больше сотни экзаменов, зачетов, тестов… Если говорить откровенно, основная работа космонавта на самом-то деле – это не летать в космос, а учиться. Что мы делаем между полетами? Учимся! Когда тебя ставят в экипаж, что ты делаешь? Учишься! И преодоление себя происходит прежде всего на Земле.

Конечно, сам космический полет – это тоже достаточно серьезная и тяжелая работа, но от нее получаешь удовольствие. Потому что она воспринимается как итог, как вершина тяжелого пути и даже как награда за трудный этап жизни перед полетом. Да, приходится иногда что-то в себе преодолевать, когда ты на борту орбитальной станции: ведь всё-таки полгода находишься в тесном помещении, в отрыве от привычной жизни, от близких людей, своих хобби, увлечений и прочего. При этом постоянно гложет мысль, что толщина стенки станции – полтора миллиметра, а снаружи – пустота. Ты должен быть, с одной стороны, спокоен, собран, должен хорошо работать, а с другой – ты понимаешь, что если что-то пойдет не так, помочь будет некому. Внутренняя тревога есть, но с нею-то справиться как раз просто: нас к этому готовят, тренируют. Поэтому могу уверенно заявить: удовольствие от полета компенсирует все неудобства, в том числе и душевные волнения.

Есть ли перспектива, что космический туризм станет массовым, а новые технологии смягчат перегрузки?

Я абсолютно уверен, что еще при нашей жизни космический туризм станет если не массовым, то доступным. Во-первых, всё больше частных компаний приходит в космонавтику; как только у них появятся системы для запуска человека в космос, они начнут зарабатывать на этом деньги. Во-вторых, среди богатых людей хватает желающих слетать на орбиту или хотя бы на космическую высоту. Их вклад в новую отрасль станет значительным толчком к строительству космических отелей, экскурсионных кораблей и частных космодромов. Появятся какие-то шоу в реальном космосе. Будут проводиться коммерческие научные эксперименты. Главное – поставить туристические полеты на поток. Ведь сегодня пока получается, что каждый полет частного космического корабля – это некое преодоление и событие. Пора сделать их рутиной.

Сергей Рязанский в центрифуге Центра подготовки космонавтов (фотография Андрея Шелепина /ЦПК)

Космические туристы, которые летали на кораблях «Союз», уже снизили планку по требованиям к будущим космонавтам. Здоровье у них не столь совершенное, как у отобранных кандидатов, поэтому им делаются различные послабления. Профессиональный космонавт должен обладать большим запасом здоровья, чтобы долгое время продержаться в условиях орбитальной станции. Космическому туристу достаточно хорошего уровня физической подготовки. Самое страшное, что может случиться на орбите, – проблемы с сердцем. Понятно, что и на Земле людям, которые, например, предрасположены к инфаркту миокарда, не разрешают бегать марафоны или поднимать тяжелые грузы. Здесь те же самые разумные ограничения, но в остальном ситуация становится проще.

Могут ли новые технологии как-то облегчить жизнь будущих космических туристов? Конечно, и это тоже делается. Скажем, с появлением контактных линз и пластмассовых очков снизились требования по зрению. У меня, например, зрение не идеальное – минус три. И при этом я профессиональный космонавт, который может нормально летать и работать. В первый полет попробовал линзы – мягкие Acuvue. Во второй полет мы все трое стартовали в очках: у двоих дальнозоркость, у меня – близорукость. Если говорить о перегрузках, которые испытывают космонавты, то они на самом деле не так уж критичны. Ведь что такое перегрузка в 4–4,5 g? Как-то, пройдя ежегодный тест на центрифуге, я сразу после него поехал в Парк имени Горького и решил, чтобы сравнить ощущения, прокатиться на одном из аттракционов, на котором, мне казалось, перегрузки достаточно высоки. Эксперимент удался: если и не 4 g, то 3,5 g аттракцион выдает точно. Получается, что обычный взрослый человек, катающийся на аттракционах в парке Горького, – почти космонавт. Я уверен, что новые технологии помогут сделать космический полет комфортнее, но в сущности достаточно просто быть здоровым человеком.

Единственное, нельзя переборщить с невесомостью. Считается, что среднее время адаптации в безопорном состоянии – до семи дней. Через неделю организм начинает перестраиваться: появляется мышечная атрофия, вымывается кальций, происходят другие изменения. Поэтому больше десяти дней не стоит задерживаться на орбите: прилететь, пожить, сделать фотографии, провести какой-то эксперимент и вернуться.

Как космос повлиял на технологии и как он повлияет на них в будущем?

Знаете, сейчас всё время идут какие-то споры по этому поводу. Дескать, зачем нам нужен космос? Что он нам дает? Может, лучше направить средства в другие сферы деятельности? И так далее. При этом как-то забывается, что плодами космических технологий мы пользуемся постоянно. И это не только связь и навигация. К примеру, у НАСА есть специальный сайт по программе Spinoff (https://spinoff.nasa.gov), где рассказывается о технологиях, появившихся благодаря реализации космических проектов. Чего там только нет! Взять, например, медицину. Я уже говорил, что длительная невесомость оказывает негативное влияние на человеческий организм. Мы боремся с этим с помощью специальных тренажеров, нагрузочных костюмов и пищевых добавок. Но и на Земле хватает людей, которые долго оставались в неподвижности после травм или всё еще прикованы к постели. И вот на основе космического опыта созданы компактные тренажеры, разработаны реабилитационные процедуры и тому подобное. Кроме того, для наблюдения за здоровьем космонавтов были сконструированы дистанционные мониторинговые системы – оказалось, что им можно найти применение где угодно в медицине: от контроля за хронически больными людьми до подготовки спортсменов. Сейчас дело идет уже к появлению виртуальных терапевтов – компьютеров, которые через биометрические датчики, например в наручных часах, будут отслеживать ваше самочувствие и при необходимости выписывать лекарства, следить за их своевременным приемом, направлять вас к врачу или даже вызывать вам «скорую помощь» в критической ситуации. Про новые легкие материалы, теплоизоляторы, двигатели, миниатюрные солнечные батареи и дроны можно и не говорить – всё у нас перед глазами, и всё это порождено космическими технологиями.

Использование космических технологий на Земле

Чего нам ждать от космонавтики в будущем? Во-первых, конечно, появятся новые системы повышения энергоэффективности. Проблема эта остро стоит перед космонавтикой – и пилотируемой, и беспилотной. Решается она через разработку сверхъемких аккумуляторов и через совершенствование генераторов энергии. Понятно, что все эти разработки найдут применение в наземном и воздушном электротранспорте. Во-вторых, сейчас очень модным направлением стало проектирование микро– и наноспутников. Считается, что рой небольших дешевых аппаратов будет решать те же задачи, что и один большой дорогой аппарат, причем потеря отдельных элементов роя не будет так же критична, как сбой какого-то из элементов большого спутника. Понятно, что роевые системы будут востребованы в робототехнике очень широко – от медицины до спелеологии, ведь они могут легко проникнуть туда, где большой робот просто не пролезет. В-третьих, благодаря космонавтике появляются новые лазеры, композиты, интеллектуальное программное обеспечение, трехмерная печать – всё это очень быстро внедряется, а мы даже не подозреваем, что очередной гаджет наполовину, если не больше, состоит из компонентов, которые создавались для спутников, межпланетных аппаратов или МКС.