Текст книги "Астронавты"

11,2 километра в секунду

Мысль о путешествии к звездам почти так же стара, как и само человечество. Человек первый из живых существ отважился взглянуть, запрокинув голову, в необъятную ширь, простиравшуюся над ним каждую ночь. В древнейших религиозных мифах и преданиях мы находим рассказы о летающих огненных колесницах и о героях, которые ими управляли. Люди старались разгадать тайны полета, которыми в совершенстве владеют птицы. Но прошли долгие столетия, прежде чем впервые поднялась в воздух летательная машина – беззащитный еще против ветров, слепой, не поддающийся управлению монгольфьер, наполненный нагретым воздухом.

В XVIII веке философы, писавшие аллегорические нравоучительные рассказы, отправляли иногда своих героев на звезды, пользуясь для этого воздушным шаром как средством передвижения. Но и позже, когда шар более легкий, чем воздух, был вытеснен аппаратом тяжелее воздуха – самолетом, человек убедился, что и он все еще далек от совершенства в передвижении во всех измерениях пространства. Летательные аппараты могли летать только там, где была достаточно плотная атмосфера. Воздушные корабли должны были кружить низко над Землей, на самом дне воздушного океана, окутывавшего нашу планету более чем двухсоткилометровым слоем.

До того как в конце XIX века зародилась астронавтика, наука о межпланетных путешествиях, писатели-фантасты, а среди них самый замечательный – Жюль Верн, отправляли своих героев в мировое пространство с помощью снаряда, выпущенного из гигантской пушки. Однако даже при поверхностных расчетах становится ясно, что это невозможно. Причин для этого три. Прежде всего, чтобы оторваться от Земли, тело должно развить скорость не менее 11,2 километра в секунду, или сорок тысяч триста двадцать километров в час, тогда как в результате взрыва даже самых лучших взрывчатых веществ газы распространяются со скоростью не выше трех километров в секунду. Выпущенный из пушки снаряд должен будет, поднявшись на определенную высоту, неминуемо упасть обратно на Землю. Помочь нельзя ничем: ни удлинением канала ствола, ни увеличением количества взрывчатки. Во-вторых, страшное ускорение, действующее на путешественников в момент выстрела, раздавило бы их насмерть. Чтобы понять, насколько огромны его размеры, достаточно представить себе, что в момент выстрела дно снаряда ударит путешественников с силой гранаты, попадающей в цель. Наконец, в-третьих, если бы даже людям, находящимся в снаряде, удалось каким-нибудь чудом уцелеть при выстреле и если бы, вразрез с законами механики, снаряд не упал на Землю, то при падении на Луну он должен был бы разлететься на куски.

Чтобы преодолеть притяжение Земли и в то же время освободиться от влияния атмосферы, дающей опору крыльям самолетов, понадобилось изобретение, которое поистине совершило переворот. Додумались до него очень давно. Уже приблизительно в 1300 году нашей эры китайцы запускали первые ракеты, движимые силой пороховых газов. Однако должно было пройти еще около шестисот лет, пока русский ученый Циолковский впервые начертил план межпланетного корабля. Вслед за ним появились Годдар, Оберт и многие другие. Они заложили фундамент астронавтики, которая разрослась со временем в самостоятельную отрасль техники.

Принцип движения был ясен. Он основывался на известном законе Ньютона, по которому действие равно противодействию. Ракета должна была иметь запас горючего, превращающегося в струю газов с большой скоростью истечения. Сила реакции толкала ракету в противоположную сторону. Здесь, однако, конструкторов поджидала первая трудность. При самой бурной из всех химических реакций – соединении кислорода с водородом – взрывные газы получают скорость пять километров в секунду. До скорости 11,2 километра в секунду, которую называют отрывной, еще далеко. К тому же эту скорость нужно сообщить телу, движущемуся свободно, – например, выстреленному снаряду. Ракета – другое дело. Она может взлететь с Земли со скоростью и меньше отрывной, при условии, что ее двигатель будет работать непрерывно до той минуты, пока она отдалится от Земли на значительное расстояние. Однако такое решение не может удовлетворять. Кислородно-водородным горючим, казалось бы самым совершенным, не пользовались никогда, так как эти газы трудно сжимаются, а применять их в жидком виде затруднительно и небезопасно. Кроме того, очень высокая температура реакции быстро разрушает двигатель. Поэтому пришлось применять виды горючего, выбрасывающего газовую струю со скоростью всего лишь один – три километра в секунду. Но в таких условиях вес горючего, которое необходимо затратить для освобождения от земного притяжения, должен в несколько сотен раз превышать вес самой ракеты. Даже если бы удалось использовать наиболее эффективное кислородно-водородное горючее, ракета, весящая десять тонн и несущая десять тонн груза, должна была бы взять для полета от Земли до Луны сорок тысяч тонн горючего. Это была бы громада величиной с большой трансатлантический пароход, и притом с чрезвычайно тонкими стенками – попросту говоря, огромных размеров резервуар с крошечной, на самом кончике его, каютой для пассажиров. Управлять таким аппаратом чрезвычайно трудно, так как его устойчивость изменяется по мере убывания горючего, а к концу пути такая ракета превратится в огромную пустую скорлупу.

Уже одно это говорит о несовершенстве такого аппарата, но и этот недостаток далеко не единственный. Даже такое невыгодное соотношение между весом горючего и полезным весом, которое получается при использовании кислородно-водородного горючего, является недостижимым идеалом. Из-за других трудностей в камере сгорания во время работы возникает температура приблизительно в три тысячи градусов, при которой самые жароупорные сплавы размягчаются в несколько минут, а если температуру понизить, то скорость истечения газов падает. Для конструкторов получился замкнутый круг. На поиски новых видов горючего ушли целые годы. Пробовали дать ракетам движение с помощью аммиака и окиси азота, пироксилина, смесей бензина с кислородом, анилина с азотной кислотой, спирта с перекисью водорода, даже с помощью твердых тел, например, угля, алюминия и магния, вдуваемых в пылевидном состоянии в струю чистого кислорода. Не было недостатка и в способах, вызывавших недоумение, как, например, способ Гоманна. Этот ученый предлагал поместить каюту пилота в виде конуса на вершине большого цилиндра, состоящего из твердого пороха; подожженный снизу, порох сгорал бы равномерно, создавая движущую силу. В этот период первых опытов, ошибок и упорных поисков инженеры все яснее отдавали себе отчет в том, что современная им наука еще не в состоянии решить проблемы астронавтики. Мощность двигателей крупнейших самолетов и даже кораблей была до смешного мала в сравнении с мощностью, необходимой для борьбы с земным притяжением. Одной из первых ракет, способных преодолеть большое расстояние, была так называемая «Фау-2», сконструированная немцами во время Второй мировой войны. Снаряд этот – стальная сигара длиной около десяти метров – имел в носовой части тонну взрывчатки. Вся цилиндрическая часть его корпуса была заполнена горючим – спиртом и жидким кислородом. Там же помещались топливные насосы и камера сгорания. Этот снаряд весил около тринадцати тонн, из которых девять приходились на горючее. Такой запас позволял двигателю проработать одну минуту. Ракета, развивавшая к этому времени мощность в шестьсот тысяч лошадиных сил, могла при вертикальном полете подняться на высоту двухсот с лишним километров – высоту незначительную по сравнению хотя бы с радиусом земного шара, превышающим шесть тысяч километров. Строить ракеты для межпланетных путешествий по этому принципу было невозможно.

Нужно было искать другие пути. Возникла мысль о многоступенчатых ракетах, то есть ракетах, расположенных друг над другом. При взлете работала нижняя ступень, а когда запасы горючего в ней кончались, она автоматически отделялась, и в работу включался двигатель следующей ступени. Таким образом возникли в шестидесятых годах XX века «ракетные поезда» для перелетов через океаны. В продолжение всего полета они находились в полной пустоте, на высоте пятисот километров, благодаря чему набранная ими скорость почти не уменьшалась до момента посадки. Сначала ограничивались строительством двухступенчатых ракет, потом, чтобы успешнее бороться с огромной диспропорцией между начальной и конечной массой ракеты, стали строить огромные «стратосферные поезда». Величайшим аппаратом такого типа был «Белый метеор», состоявший из восьми постепенно уменьшавшихся ракет. Самая большая из них весила девять тысяч тонн, а самая маленькая, последняя, – около одиннадцати тонн. Этот гигант, выпущенный в пространство приблизительно в 1970 году, должен был сделать облет вокруг Луны, произвести съемку ее невидимого с Земли полушария и вернуться после ста восемнадцати часов непрерывного полета. В телескоп было видно, как «Белый метеор» исчез в небе, оставляя за собой оболочки использованных ракет, в назначенный срок достиг Луны и скрылся за краем ее диска. Вынырнув вскоре по другую сторону ее, он направился к Земле с высоты триста восемьдесят тысяч километров. Однако в расчеты вкралась ошибка, в результате которой корабль перелетел через широкое пространство Сахары, предназначенное для его приземления, и упал в Атлантический океан, на глубину шесть тысяч метров. Подъем корабля был связан с такими большими трудностями, что его там и оставили, пожертвовав ценными материалами и фотоснимками.

Этот первый подлинно межпланетный полет (хотя он был проделан кораблем, на котором не было ни одной живой души) возбудил всеобщий интерес. Мысль первых астронавтов перевезти на высоту нескольких тысяч километров, в зону ничтожно малого притяжения Земли, части металлической конструкции, из которых можно соорудить искусственный спутник Земли, все больше овладевала учеными. Это сооружение было бы промежуточной станцией для всех межпланетных полетов; корабли, израсходовав огромные количества горючего для того, чтобы преодолеть земное притяжение, пополняли бы там свои запасы для дальнейшего полета.

Но построить такой остров оказалось не так-то просто: нужно было перевезти ракетами в пространство несколько тысяч тонн металла и там при температуре, близкой к абсолютному нулю, в полной пустоте соединять части конструкции между собой.

Предлагалось несколько различных способов создания на таком острове искусственного притяжения, которое позволило бы людям двигаться; в одном из проектов немецких ученых предлагалось сильно намагнитить искусственный спутник и снабдить обувь его обитателей стальными подошвами.

Опыты начались с сооружения небольших спутников. При помощи управляемой с Земли трехступенчатой ракеты, последнее звено которой достигало скорости восьми километров в секунду, был заброшен первый искусственный спутник, делавший обход вокруг Земли за два с половиной часа, хорошо видимый в телескопы, а при ясной погоде и низком положении Солнца видимый даже простым глазом в виде крохотной черной точки, равномерно движущейся в небе. Следующий искусственный спутник был целой научной лабораторией, посланной в пространство с таким расчетом, что он должен вращаться вокруг Земли на высоте сорока двух тысяч километров. Двигаясь по такой орбите, тело оборачивается вокруг Земли один раз за сутки и, следовательно, кажется неподвижно стоящим в одной точке неба, словно повиснув в пространстве наперекор законам тяготения. Эти необычные условия были очень важны для астрономов, разместивших в носовой части ракеты-спутника свои наблюдательные приборы.

Однако строительство промежуточных станций за пределами Земли на этом прекратилось, так как дальнейшее развитие техники доказало их нецелесообразность. Такое решение проблемы с самого начала вызывало возражения. Многие говорили, что это, безусловно, ложный путь, ибо постройка искусственного спутника не устраняет необходимости в огромных «ракетных поездах»; расчеты показывают, что если экспедиция даже на ближайшие планеты рассчитывает вернуться на Землю, то размеры кораблей должны быть огромными и при наличии промежуточных станций. Оппоненты вспоминали также один из этапов развития земного воздухоплавания в двадцатых годах XX столетия, когда много говорилось о необходимости сооружения в Атлантическом океане плавающих островов для посадки самолетов по пути из Европы в Америку. Такие проекты диктовались состоянием техники самолетостроения, которая не располагала достаточно крупными и мощными машинами для беспосадочных перелетов. Проблема эта несколько лет спустя была решена совсем по-другому, и дорогостоящая постройка искусственных островов оказалась ненужной.

Голоса, возражавшие против космических промежуточных станций, раздавались особенно часто из физических лабораторий и институтов, так как работавшие там ученые лучше, чем кто бы то ни было, понимали, что ракеты с химическим горючим, пройдя сложный путь развития от китайских драконов и маленьких пороховых ракет до «Белого метеора» с его начальной массой в двадцать одну тысячу тонн, дошли до своего предела и что на сцену выступает новый, гораздо более мощный источник энергии – атомное ядро.

Энергию распада атома, открытую в середине XX века, не сразу удалось использовать для получения электричества или для регулирования климата и преобразования поверхности Земли. Этому довольно долго препятствовали технические навыки, унаследованные от прежних поколений. Подобные явления не раз наблюдались в истории техники. Изобретатели автомобилей строили их наподобие конных экипажей, и прошло несколько десятков лет, прежде чем для автомобиля было найдено самостоятельное конструктивное решение, освободившее его от плена своих несовершенных предков. Первые железнодорожные вагоны были дилижансами, поставленными на рельсы. Первые пароходы строились по образцу парусных судов. Эта инерция мысли сильно осложняла работу и по использованию атомной энергии. Но здесь причины лежали глубже, и преодолеть их было гораздо труднее, чем в приведенных примерах. Эпоха пара заставила инженеров усиленно совершенствовать обработку металлов, особенно железа, которое стало основным материалом для сооружения машин. По мере того как делались все более могучими «железные ангелы» – паровые машины, снимавшие с человечества бремя тяжелого труда, – расширялись также и познания о ценности такого топлива, как уголь и нефть; а технология металлов создавала сотни, тысячи особых видов стали и сплавов, приспособленных для выполнения строго определенных функций: одни сплавы создавались для вальцевания обшивки паровых котлов, другие – для корпусов машин, третьи – для подшипников, четвертые – для цилиндров, турбинных лопаток и валов. Общее количество сплавов достигало нескольких тысяч. Открытие атомной энергии создало настолько новую ситуацию, что едва ли кто-нибудь мог сразу понять, какой огромный переворот в техническом мышлении вызовет ее широкое использование. Вначале никто не решался отказаться от технических знаний, накопленных ценой труда многих поколений. Поэтому теплоту, полученную в атомных котлах, использовали для образования пара, вращающего построенные по-старому паровые турбины. Однако уже через несколько лет этот способ был признан непригодным. Водяной пар служил хорошим переносчиком тепла между пламенем угля и цилиндром машины, но при сжигании атомного топлива этого было недостаточно. Атомный котел, способный дать температуру, характерную для звездных ядер, был вынужден работать на ничтожных для него температурах в несколько сотен градусов, и это чрезвычайно снижало коэффициент полезного действия. Только теперь люди в полной мере поняли, насколько сложны были все известные до сих пор способы получения энергии: химическая энергия топлива превращалась в тепловую, тепловая – в энергию движения пара и только эта последняя – в электрическую. Между тем атомный котел выбрасывал целые тучи электрически заряженных атомных обломков; если бы их можно было собрать и нужным образом направить, это дало бы неисчерпаемый источник электричества.

Задача была поставлена, цель указана, но на пути к ее достижению лежали гигантские трудности.

Вся прежняя наука оказалась сведенной на нет. В совершенстве изученные материалы под действием раздробленных атомов изменяли свои свойства буквально на глазах. Самые твердые и прочные виды стали пропускали атомное излучение, как дырявые сита. До этого времени инженер-энергетик или машиностроитель создавал машины с возвратно-поступательным или вращательным движением, изучал теории трения, смазки, сопротивления материалов. Теперь он вступал в незнакомые ему области огромных температур и излучений, известных до сих пор только астрономам. Он должен был овладевать новыми знаниями и создавать новые, не существовавшие в природе средства, чтобы обуздать этот мощнейший и элементарнейший вид энергии, который вот уже миллиарды лет дает жизнь всему Космосу и поддерживает огонь звезд.

По мере того как старые фабрики и заводы прекращали работу, исчезали грязные котельные со своими сетями шипящих, ворчащих трубопроводов, машинные залы, полные свистящих турбоагрегатов, шумные вакуумные насосы, огромные горы угля и градирни. Вся эта длинная глава цивилизации уходила в прошлое, чтобы покоиться рядом с главами, описывающими парусные, движимые ветром суда, паровозы, управляемые воздушные шары – цеппелины, рядом со многими главами, в которых описаны чудовищные средства, некогда применявшиеся людьми для взаимного уничтожения в разрушительных войнах.

Новые фабрики имели совершенно иной вид. За прозрачными стенами ходили люди в белых халатах, следившие за помещенными в подвалах, позади толстых экранов, веществами. Претерпевая ряд последовательных изменений, превращаясь из одного элемента в другой, они выделяли энергию. В светлых цехах новых фабрик стояла полная тишина; и только там, где ток с главных сборных шин переходил в сети высокого напряжения, слышалось низкое, равномерное гудение трансформаторов.

Электричество, хотя и полученное прямо из атомов, нельзя было использовать непосредственно для движения ракет. Астронавтике еще предстояло дождаться своего величайшего открытия. Казалось, атомное горючее обещало бесконечно больше, чем всякое другое: газы, возникающие при распаде атомов, имели скорость в несколько сотен, а то и тысяч километров в секунду, и куска урана весом около двух килограммов было бы достаточно, чтобы перебросить тысячетонный груз на Луну. Но это решение, столь легкое на бумаге, на деле оказалось очень трудным. Суть в том, что атомы, распадаясь, разбрасывают обломки во все стороны, а для движения ракеты их нужно направить в одну, и техника тех времен считала эту проблему неразрешимой. Но вот появились новые открытия, и одна из самых молодых наук – синтетическая химия атомного ядра – решила проблему межпланетного полета.

Химики, которые раньше только подражали природе и старались воссоздавать в своих лабораториях тела, встречающиеся на Земле и на звездах, научились строить вещества, не существующие в природе, и поступали при этом как архитекторы, подчинившие форму и устройство здания своему творческому замыслу. Они могли по желанию получать вещества твердые, как алмаз, и прочные, как сталь; пластмассы легкие и прозрачные, как стекло, но поддающиеся ковке и механической обработке; клеи, скрепляющие металлы с силой заклепочного шва; вещества изолирующие, способные поглощать звуки, излучения и даже атомные частицы. Так был получен люцит – синтетический строительный материал, который днем поглощал солнечные лучи, а ночью отдавал их энергию, светясь ровным белым светом. Научившись по своему желанию строить и соединять атомные решетки, ученые обратили еще большее внимание на непокорное доселе атомное ядро. Речь шла о том, чтобы атомы, отдавая свою энергию, распадались не как им угодно, а строго определенным образом и чтобы при этом распаде получались частицы, которые можно было бы направить в любую сторону.

Легко сказать, но гораздо труднее достичь цели. Атомное ядро окружено потенциальным барьером, и, чтобы пробить этот барьер, нужна энергия, в миллионы раз превышающая энергию самых мощных взрывчатых веществ. Внешний вид физических лабораторий тоже совершенно изменился. Раньше в сравнительно небольших залах стояли на столах и полках красивые стеклянные приборы; теперь же в огромных залах с бетонными сводами возвышались аппараты для дробления частиц, формой и величиной похожие на средневековые укрепления-башни. Эта мощная атомная артиллерия науки, бомбардирующая упрямые атомные ядра, была самых различных калибров: от старых, построенных еще в тридцатых годах XX века циклотронов, через синхротроны, альготроны, кавитроны, микротроны, румбатроны и ралитроны до чудовищных беватронов, в которых частицы под воздействием многих миллиардов вольт разгонялись до скорости света. В тяжелых защитных одеждах, закрывая лица масками из свинцового стекла, приближались ученые к отверстиям в бетонных стенах, откуда било свистящее белое пламя нуклеонов, и подвергали его действию щепотку какого-нибудь нового элемента. Таким образом в 1997 году был получен коммуний – светло-серебристый, очень тяжелый металл из группы актинидов, не существующий во Вселенной элемент, занявший сто третье место в периодической таблице Менделеева. Этот металл, химически нейтральный и твердый при обычной температуре, при нагревании до 150 000 градусов распадался, выбрасывая дейтроны, ядра тяжелого водорода. Для получения температуры распада и для удобства регулирования хода реакции была использована идея великого русского физика Капицы, благодаря которой Советский Союз получил атомную энергию еще в 1947 году.

Эта идея заключалась в очень быстром включении и выключении чрезвычайно сильного магнитного поля, причем между полюсами электромагнита получались температуры порядка 250 000 градусов. Однако электромагнит мог быть кое-чем большим, чем «запальная свеча» двигателя: он мог, наподобие выпуклой линзы, собирать поток частиц и направлять их в одну сторону. Благодаря этому получился идеальный атомный двигатель, способный перенести межпланетную ракету в любое место в Космосе. Таким образом тяжелая, кропотливая работа многих тысяч инженеров, техников и физиков подняла земную техническую цивилизацию на новую, высшую ступень, когда межпланетные полеты перестали быть капризной фантазией единиц, проектом фантазера-изобретателя, а стали насущной потребностью всего человечества, которое, навсегда освободившись от подневольного физического труда, направляло взгляд в бесконечные просторы Вселенной, ища там новые загадки и тайны природы, чтобы померяться силами с ними.

Именно так возник «Космократор» – огромный межпланетный корабль, который в 2006 году должен был полететь на Марс. Но известные уже нам важные события изменили курс этого корабля.