ОТ РАКЕТНОГО САМОЛЕТА ДО КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ
Десятилетия, прошедшие с тех пор, как Циолковский создал астронавтику, показали всю правильность разработанного им стратегического плана борьбы за покорение мирового пространства.
Циолковский считал, что путь в мировое пространство совпадает со столбовой дорогой развития авиации и реактивной техники. Сначала все более высотные полеты самолетов с обычными поршневыми двигателями. Затем создание «стратопланов полуреактивных» (так называл Циолковский самолеты с воздушно-реактивными двигателями за много лет до того, как такие самолеты появились в действительности). Все большая скорость и высота полета этих самолетов. Наконец, переход к ракетным самолетам с жидкостными ракетными двигателями, способными летать в самых верхних слоях атмосферы с недосягаемыми для других самолетов скоростями. Далее, с постепенным ростом скорости, высоты и дальности полета и уменьшением поверхности несущих крыльев — к космической ракете.
Многие ученые на Западе смотрели на дело иначе. Они писали, что астронавтика будет развиваться вне связи с авиацией, своей особой дорогой. Выходило так, что астронавтика закладывается на чистом месте, что создание космического корабля — задача, которая должна решаться с самого начала как целиком новая, что опыт авиации ничем здесь помочь не может.
Теперь уже можно говорить о том, что история опровергла эти утверждения. Нет сомнений, что весь ход развития авиации и реактивной техники подготавливает почву для решения задач астронавтики. Без опыта, накопленного за все эти годы авиацией и реактивной техникой, создание космического корабля было бы невозможным. Авиация и реактивная техника являются техническим фундаментом астронавтики. Именно поэтому с каждым годом возможность осуществления полетов в мировое пространство делается все более реальной и вековая мечта человечества — все более осуществимой.
Развитие реактивной техники вскрыло еще одну весьма интересную особенность, по существу предсказанную Циолковским. Две бывшие до сих пор самостоятельными ветви реактивной техники — авиация и артиллерия — постепенно сближаются. Конструктивные формы самолетов и ракет становятся все более сходными, и в них начинают угадываться будущие очертания космических кораблей. Самолеты постепенно теряют очертания, характерные для обычной винтовой авиации: нос фюзеляжа становится заостренным, как у снаряда; крылья уменьшаются в размерах, приобретают стреловидные очертания; дужка крыла вместо каплевидной формы получает заостренную переднюю кромку. С другой стороны, тяжелые реактивные снаряды приобретают небольшие крылышки и становятся очень похожими на некоторые новые, реактивные самолеты.
Сама механика полета самолетов может стать в будущем очень непохожей на принятую в настоящее время и приблизиться к артиллерийской. В настоящее время двигатель самолета, как известно, работает в течение всего времени полета, тогда как двигатель реактивного снаряда работает лишь в течение короткого промежутка времени — при запуске-выстреле. Установка на самолете ракетного двигателя, имеющего большую тягу, позволяет осуществить полет самолета по образцу полета снаряда. В этом случае двигатель самолета работает лишь короткое время при взлете, осуществляя разгон самолета до очень большой скорости и забрасывая его, подобно снаряду, на огромную высоту. Дальнейший полет самолета осуществляется с остановленным двигателем, так что топливо не расходуется, причем самолет совершает длительный планирующий полет с постепенным снижением. Расчет показывает, что самолет в состоянии пролететь при этом гораздо большее расстояние и совершить такой полет в значительно меньшее время, чем существующие сейчас самолеты любых типов.
Несомненно, именно так будут совершаться в будущем сверхдальние и сверхскоростные перелеты на Земле. Например, полет Владивосток — Москва можно будет совершить таким образом примерно за один час, обгоняя видимое движение Солнца. Так что, поужинав во Владивостоке, можно будет в тот же день... позавтракать в Москве! Такие полеты сближают авиацию с астронавтикой, ибо при их выполнении самолеты должны залетать, по существу, уже в преддверие мирового пространства. Техника полета межпланетного корабля будет также основана на коротком разгоне вначале и последующем длительном полете с остановленным двигателем. В главе 10 возможность таких астронавтических перелетов на Земле будет рассмотрена подробнее.
Формула Циолковского, о которой шла речь в предыдущей главе, показывает, в каком направлении должна развиваться реактивная техника, чтобы решить задачи астронавтики. Реактивные летательные аппараты должны совершенствоваться так, чтобы: а) на аппарате данного веса можно было разместить возможно большее весовое количество топлива; б) жидкостные ракетные двигатели обеспечивали максимально возможную скорость истечения газов.
Каковы же перспективы развития реактивной техники в обоих этих направлениях?
Возможности дальнейшего увеличения относительного запаса топлива на ракете в настоящее время весьма ограниченны. Вспомните дальнюю ракету, описанную в главе 6. Вес топлива на этой ракете превышал вес пустой ракеты (без полезного груза) примерно в 3 раза. В лучших образцах построенных одноступенчатых ракет это соотношение значительно больше, что является замечательным достижением. Ведь обыкновенный легкий алюминиевый бачок вместимостью 10 килограммов бензина весит примерно 1 килограмм. Значит, уже сейчас по весу ракеты на 1 килограмм запасенного на ней топлива она всего раза в полтора тяжелее такого бачка. Но ракета рассчитана на полет при огромных скоростях, она должна выдерживать большие инерционные перегрузки, возникающие в таком полете. Кроме того, на ракете установлены двигатели, сложное приборное оборудование, система управления в полете. Все это значительно увеличивает ее вес.
 Современные скоростные самолеты становятся похожими на снаряды. |
Конечно, ракета имеет гораздо большие размеры, что позволяет создать относительно более легкую конструкцию; в ней могут быть применены и специальные прочные и легкие материалы. Однако только при использовании предложенных Циолковским составных ракет можно добиться того, чтобы на 1 килограмм веса ракеты, который она будет иметь после выработки всего топлива, приходились многие десятки килограммов веса топлива при взлете, что необходимо для осуществления космического полета. А идея Цандера использовать части конструкции ракеты в качестве топлива может увеличить это отношение еще во много раз.
Вот почему астронавтику интересует больше всего то направление развития реактивных летательных аппаратов, которое связано с совершенствованием конструкции составных ракет, накоплением опыта их эксплуатации, осуществлением все более высотных и дальних полетов этих ракет, сначала без людей, а потом с людьми.
Одной из важнейших проблем является создание новых материалов, из которых будут строиться межпланетные корабли. Материалы должны быть прочными, легкими, жаростойкими. Вряд ли для этой цели пригодятся алюминиевые и магниевые сплавы, являющиеся в настоящее время основными конструкционными материалами в авиации. Если эти сплавы и найдут применение на межпланетном корабле, то только для различных вспомогательных целей. Основными материалами будут, по-видимому, новые сплавы, созданные металлургами, и новые пластмассы,, созданные химиками. Вероятно, на межпланетном корабле найдут широкое применение специальные высокожаропрочные стали, новые керамические материальна также комбинации тех и других — для участков корабля, которые, будут подвергаться особенно сильному нагреву в полете.
Каковы возможности применения на межпланетном корабле новых, необычных еще сегодня материалов, можно видеть хотя бы на примере стекла. Не исключено, что многие части космических кораблей и даже вся его обшивка будут изготовлены именно из стекла. Конечно, это будет не обычное, всем хорошо известное стекло. В последние годы созданы замечательные сорта стекла, обладающие многими ценными качествами для астронавтики. Так, например, в США создано стекло, имеющее в отличие от обычного кристаллическую структуру. Это стекло тверже стали, легче алюминия, в 15 раз прочнее обычного стекла, причем эту свою твердость оно не теряет даже при нагреве до 700°С; его температура плавления близка к температуре плавления железа. Из такого стекла можно изготовить даже такие детали, как лопатки турбин. Новое стекло может быть сделано как прозрачным, так и непрозрачным. Вот почему можно представить целиком стеклянный космический корабль будущего с прозрачными стенками пассажирской кабины...
Конечно, почетное место в конструкция межпланетного корабля займут металлы. Так, несомненно, будут использованы титановые сплавы, получающие все большее применение в современной авиации. Большое будущее принадлежит, вероятно, сплавам бериллия — исключительно легкого материала (почти вдвое более легкого, чем алюминий: его удельный вес равен всего 1,83) и в то же время очень прочного, выносящего высокие температуры. Большую роль может сыграть и литий — самый легкий металл, вдвое более легкий, чем вода. Будут служить астронавтике и многие редкие металлы — такие, как цирконий, гафний, ниобий и другие. Создание новых жаропрочных и легких материалов для астронавтики — сложнейшая научная и инженерная задача, требующая длительных и упорных исследований. Можно не сомневаться, что она будет решена — наука дает металлургам все большие возможности переходить от поисков на ощупь, наугад, по интуиции, которые были характерны для недалекого прошлого, к уверенному инженерному «проектированию» новых конструкционных материалов с заданными, иной раз самыми необычными, свойствами.
Не менее сложна и трудна задача увеличения скорости истечения газов из жидкостного ракетного двигателя. В настоящее время эта скорость не превышает 2500-3000 метров в секунду. Увеличение скорости истечения газов происходит очень медленно и достигается ценой больших усилий. Для того чтобы добиться увеличения скорости истечения газов, приходится решать сразу две самостоятельные задачи — искать более калорийные топлива, то есть топлива, выделяющие при сгорании больше тепла, и обеспечивать работоспособность двигателя на этих топливах. Чем больше тепла выделяет топливо при сгорании в двигателе, тем больше при прочих равных условиях скорость истечения газов из двигателя.
Строительство искусственного спутника Земли.
Наибольшие скорости истечения достигаются в настоящее время обычно при использовании в качестве окислителя жидкого кислорода, а в качестве горючих — нефтепродуктов (бензин, керосин). Наименьшие — в случаях, когда окислителем служит перекись водорода или азотная кислота.
Каковы возможности увеличения скорости истечения при использовании наилучших комбинаций окислителей и горючих, которые могут быть составлены из имеющихся химических элементов?
Исследования советских и зарубежных ученых показывают, что эти возможности, в общем, весьма ограниченны. В числе перспективных топлив можно назвать, например, предложенные Кондратюком соединения фосфора и соединения кремния; предложенные Цандером и Кондратюком металлы и соединения металлов, в частности соединения металла бора с водородом, так называемые бораны, металла лития и другие — в качестве горючих; предложенный Циолковским озон, соединения фтора и некоторые другие — в качестве окислителей.
Изучение ряда новых топлив производится и в настоящее время. Они, конечно, будут применяться в будущем во многих случаях вместо современных топлив. Однако скорость истечения газов при этих топливах не будет, вероятно, превышать 4500 метров в секунду.
Мы видим, что химия бессильна решить задачу значительного увеличения скорости истечения газов из жидкостного ракетного двигателя, ибо освобождаемая при сгорании топлив химическая энергия оказывается для этого недостаточной.
Правда, чтобы не быть несправедливым по отношению к химии, надо указать на одну возможность, хотя в настоящее время еще неизвестно, удастся ли когда-нибудь ее реализовать. Зато уж очень заманчивые перспективы сулит она астронавтике!
Эта возможность связана с так называемым атомарным топливом. Оказывается, существуют такие химические реакции, которые приводят к выделению необычайно больших количеств тепла — это реакции образования некоторых молекул из отдельных атомов. Можно представить себе, например, двигатель, в камере сгорания которого вместо обычного горения происходит реакция образования молекул водорода из его атомов. Это был бы замечательный двигатель! Во-первых, для него не нужно было бы двух различных веществ — горючего и окислителя, достаточно одного вещества — водорода. Во-вторых, скорость истечения газов из подобного двигателя могла бы превысить... 10 километров в секунду! Вот с какой огромной скоростью молекулы водорода, образовавшиеся в двигателе из атомов, вытекали бы из сопла двигателя в атмосферу. Не нужно было бы и никакой системы зажигания для такого двигателя — атомы водорода обладают, как говорят, огромной химической активностью, они стремятся слиться по два, то есть образовать молекулы.
Именно эта необычная химическая активность атомов водорода и других атомов, выделяющих при соединении в молекулы много тепла, мешает создать двигатели, работающие на атомарном топливе. Свободные атомы водорода могут существовать ничтожные доли секунды — они практически мгновенно соединяются друг с другом, образуя молекулы.
Обычно атомарный водород получают путем пропускания струи водорода через мощный электрический разряд. При этом электрическая энергия затрачивается на расщепление молекул водорода на атомы. Но как только атомы водорода покидают электрическую дугу, они немедленно образуют снова молекулы, выделяя полученную ими ранее электрическую энергию уже в виде тепла. Вот если бы можно было найти способ предотвратить это обратное воссоединение атомов в молекулы, если бы можно было научиться хранить водород в атомарном состоянии! Тогда достаточно было впустить струю атомарного водорода в камеру двигателя, чтобы в ней произошла, как говорят, рекомбинация молекул водорода и раскаленная струя вытекающего газа создала бы огромную силу тяги. С таким двигателем можно было бы добиться немалых побед в борьбе за покорение мирового пространства.
Но, увы, пока это только мечта. До последнего времени даже теоретически не было известно ни одного метода, с помощью которого можно было бы научиться хранить атомарные газы. Лишь в 1956 году появились какие-то проблески надежды: исследователи научились сохранять активные химические частицы в течение нескольких часов1. Для этого полученные атомарные газы сразу же подвергаются очень сильному, или, как говорят, глубокому, охлаждению. Температура их резко снижается до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Удастся ли использовать этот принцип для хранения атомарного топлива ракетных двигателей, покажет будущее.
1 Об этом сообщал, например, журнал «Сайенс» (август, 1956 г.).
Но и, помимо атомарного топлива, далеко не все еще ресурсы химии, не все возможности химических топлив уже использованы. Дальнейшие исследования по подбору новых, более эффективных топлив способны увеличить скорость истечения, достигнутую в настоящее время, примерно на 50 процентов. Это значительно увеличило бы скорость и дальность полета ракет, было бы крупнейшим шагом вперед в развитии реактивной техники, а значит, и важной победой в борьбе за покорение мирового пространства.
Однако, чтобы сделать такой шаг, одержать такую победу, мало найти новые, более эффективные топлива. Нужно обеспечить надежную работу двигателя на этих топливах.
Жидкостные ракетные двигатели работают в значительно более тяжелых условиях, чем любые другие двигатели: авиационные, автомобильные, судовые и проч. Поэтому жидкостные ракетные двигатели обладают меньшей надежностью, меньшей продолжительностью работы, меньшим сроком жизни. Эти тяжелые условия работы жидкостных ракетных двигателей связаны с тем, что рабочие газы в них имеют высокое давление, необычайно высокую температуру и движутся с колоссальной скоростью.
 Сравнительная дальность полета ракет, работающих на различных топливах. За единицу принята дальность ракеты, работающей на бензине и азотной кислоте. |
Такие условия работы жидкостных ракетных двигателей делают исключительно важной и сложной проблему их охлаждения. Газы, заполняющие двигатель при давлении в десятки атмосфер и температуре 3000° и даже больше, движутся относительно стенок двигателя, со скоростью, во много раз превышающей в некоторых частях двигателя, например в сопле, скорость звука. Естественно, что стенкам двигателя каждую секунду передается огромное количество тепла. Если это тепло не отводить от стенок двигателя, то они очень быстро прогорят и двигатель моментально выйдет из строя. Ведь не известен ни один материал, который мог бы выдержать такие температуры при подобных давлениях. Вот почему для жидкостных ракетных двигателей важнейшим условием их надежности является хорошая система охлаждения.
Уже сейчас некоторые более калорийные сорта топлива не удается применять из-за трудностей, связанных с охлаждением двигателей. Это объясняется тем, что при использовании более калорийных топлив увеличивается и температура газов в камере сгорания. Именно поэтому, например, двигатель дальней ракеты, описанной в главе 6, работает не на чистом спирте, а на спирте с добавкой 25 процентов воды. Эта добавка снижает температуру газов и облегчает охлаждение, хотя она ухудшает характеристики двигателя, уменьшая его тягу почти на 20 процентов — на 5 тонн.
Понятно, что применение новых, гораздо более калорийных топлив, необходимых для космических кораблей, требует существенного усовершенствования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей.
Одним из перспективных методов охлаждения является так называемое проникающее охлаждение, или «охлаждение выпотеванием», как его иногда называют. В этом случае стенки жидкостного ракетного двигателя изготовляются пористыми, с бесчисленным множеством крохотных отверстий диаметром в тысячные доли миллиметра. Через эти отверстия внутрь двигателя проходит специальная охлаждающая жидкость. При таком методе охлаждения внутренняя поверхность стенок, соприкасающихся с раскаленными газами, покрывается сплошным тонким слоем охлаждающей жидкости, защищающим стенку от перегрева. Стенки как бы «потеют», откуда и произошло название этой системы охлаждения. Возможно, что наиболее горячие части двигателей космических кораблей будут иметь именно такое охлаждение.
Исследования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей ведутся в настоящее время весьма интенсивно. Можно надеяться, что двигатели межпланетных кораблей будут вполне надежно работать в течение нескольких минут или, самое большое, нескольких десятков минут (больше заведомо не потребуется) и на более калорийных топливах будущего.
Конечно, для этого, кроме проблемы охлаждения, придется решить немало других сложных инженерных и научных проблем. Достаточно упомянуть, например, о такой задаче, волнующей в настоящее время ученых и конструкторов жидкостных ракетных двигателей, как обеспечение устойчивого горения, борьба с так называемым пульсационным, или вибрационным, сгоранием. При подобном сгорании в камере двигателя возникают сильные, иногда быстрые, а иногда сравнительно медленные, колебания давления горящих газов. Даже за очень короткое время это может вызвать прогорание стенок камеры, разрушение топливной системы двигателя, полный выход его из строя, не говоря уже о том, что такое сгорание приводит к резкому снижению развиваемой двигателем тяги. К сожалению, изучение явлений, происходящих в двигателе при неустойчивом сгорании, представляет собой исключительно сложную теоретическую и экспериментальную задачу, а ведь без такого изучения невозможно и создание надежного двигателя. Неудивительно, что известнейшие ученые в области автоматического регулирования, сгорания, теории движения газов с огромными скоростями, математики, физики, как и лучшие конструкторы и инженеры, трудятся над решением этой и других задач, связанных с созданием двигателя для межпланетных кораблей будущего.
Так как обычные химические топлива содержат в себе недостаточно энергии для того, чтобы обеспечить скорость истечения газов, необходимую для совершения космических полетов, то понятен интерес, который проявляется учеными, работающими в области астронавтики, к другим возможным источникам энергии, помимо химической. И, конечно, на первом плане стоит проблема использования атомной энергии.
Но вовсе нет нужды ждать, пока будет создан атомный двигатель, пока астронавтикой будет освоено использование атомной энергии, чтобы начать штурм мирового пространства.
Все, что мы знаем о современной реактивной технике, свидетельствует о наличии уже сейчас реальных возможностей для начала такого штурма.
Первым результатам этого штурма и планам дальнейших атак посвящена третья часть нашей книги.
...Расстояние от самых безумных фантазий до совершенно реальной действительности сокращается с поразительной быстротой.
М. Горький |
АТМОСФЕРА — ПАНЦИРЬ ЗЕМЛИ
Мы обычно не задумываемся над тем, как многим обязаны в своей жизни окружающей нас атмосфере.
При отсутствии атмосферы жизнь на Земле была бы невозможна. Содержащийся в атмосфере кислород необходим для жизнедеятельности любого организма. К счастью, в ней находится огромное количество кислорода, которое все время пополняется растениями. Превращенный в жидкость, кислород атмосферы покрыл бы Землю сплошным слоем толщиной 2,2 метра!
Окружающая нас атмосфера нужна нам не только как источник кислорода. Она обеспечивает и исключительно благоприятные условия для жизни на Земле. Мощный слой атмосферы защищает жизнь, бурлящую на поверхности Земли, от непосредственного сурового воздействия бескрайнего мирового пространства, в котором ничтожной песчинкой плывет наша планета.
В мировом пространстве царит жесточайший холод: температура тела, находящегося в мировом пространстве на большом удалении от звезд — например, на таком, как одна звезда от другой, — была бы близкой к абсолютному нулю, то есть около минус 273°. Только тепловое излучение далеких звезд повысило бы температуру этого тела на несколько градусов по отношению к абсолютному нулю. Не будь атмосферы, температура земной поверхности, не обращенной к Солнцу, достигала бы минус 160°, а под палящими солнечными лучами превышала бы плюс 100°. Именно такие условия существуют, например, на Луне. Каково было бы нам жить на столь неуютной планете?.
Атмосфера, укутывающая Землю как бы толстым пуховым одеялом, служит мощным теплоизоляционным экраном. Но атмосфера — это особый, «хитрый» экран, и ни одно пуховое одеяло с ним сравниться не может. Она пропускает солнечные лучи, мчащиеся к Земле, когда светит Солнце, но не позволяет Земле расстаться с полученным ею теплом, рассеять его в мировом пространстве, когда Солнце заходит. Благодаря атмосфере земная поверхность не подвергается такому резкому охлаждению, а суточные колебания температуры на ней оказываются сравнительно небольшими. Мы живем на Земле как бы внутри гигантского термоса хитроумной конструкции, пропускающего тепло в одну сторону и не пропускающего в другую. И страшно подумать, что было бы без этого «термоса»!
В результате неравномерного нагревания атмосферы в ней возникают воздушные течения и ветры. Энергия ветра с древних времен служит человеку. Благодаря воздушным течениям происходит выравнивание температуры в атмосфере, переносятся с места на место облака и тучи, проливаясь благодатным дождем над колосящимися нивами, создавая круговорот воды, столь необходимый человеку. Атмосфера — это та среда, в которой зарождается земной климат со всеми его особенностями.
Но атмосфера — не только тепловой экран, и не одни только тепловые явления происходят в ней. Наряду с тепловыми лучами Солнце шлет на Землю в изобилии и так называемые ультрафиолетовые лучи. Именно под действием этих лучей наша кожа приобретает тот замечательный бронзовый цвет, который мы называем загаром. Однако некоторая часть ультрафиолетовых лучей вместо пользы может причинить вред. И здесь снова невидимым защитником всего живого выступает атмосфера: она поглощает вредную часть ультрафиолетового излучения Солнца. Если бы поток этих лучей достигал земной поверхности неослабленным, то жизнь на ней, вероятно, была бы невозможной.
Не только от излучения Солнца защищает нас земная атмосфера, смягчая и ослабляя его, отфильтровывая и поглощая вредные лучи. Наука установила, что к нам на Землю со всех сторон из мирового пространства мчатся особые лучи, получившие название космических.
Космические лучи в действительности представляют собой потоки частиц вещества, главным образом ядер атомов водорода, а также гелия и некоторых других химических элементов. Эти частицы мчатся с огромной скоростью. Их энергия в миллионы раз больше энергии, выделяющейся при распаде атомов урана. Если бы не было земной атмосферы, принимающей на себя эту страшную бомбардировку, то не исключено, что неослабленные космические лучи, врываясь в человеческий организм, могли бы причинить ему большой вред1.
1 О действии различных видов излучения на человеческий организм подробно говорится а главе 22.
Однако эти невидимые стремительные снаряды не достигают земной поверхности — они гибнут в атмосфере, сталкиваясь с атомами составляющих ее газов и рассеивая в ней свою энергию. Лишь «внуки» и «правнуки» частиц, врывающихся в атмосферу, достигают дна воздушного океана — обломки ядер тех атомов, с которыми сталкиваются эти частицы в атмосфере. Энергия частиц, достигающих земной поверхности и пронизывающих не только нас с вами, но и самую Землю на глубину в десятки и сотни метров, огромна, но все же она неизмеримо меньше энергии исходных, первичных частиц. Интенсивность космических лучей у поверхности Земли такова, что они не представляют опасности для людей, и этим мы тоже обязаны земной атмосфере.
Земная атмосфера защищает нас не только от действия смертоносных лучей и бомбардировки невидимыми частицами — мировое пространство бомбардирует Землю и более существенными «снарядами»: небесными камнями — метеоритами. Многие миллионы таких снарядов врываются каждую минуту в земную атмосферу со скоростью в десятки и сотни тысяч километров в час. Это во много раз больше, чем скорость снаряда, вылетающего из ствола артиллерийского орудия. Правда, размеры подавляющего большинства таких снарядов очень невелики — они подобны крохотным песчинкам, но при огромной скорости и песчинки становятся опасными. Если бы не атмосфера, в которой большинство небесных камней разрушается и сгорает, то один только такой каменный «дождь» сделал бы жизнь на Земле невозможной или, по крайней мере, очень опасной.
Без атмосферы не существовало бы звука: мы не могли бы ни говорить, ни слышать. Каким бедным стал бы из-за этого человеческий мир!
А неоценимая служба, которую несет атмосфера, снабжая кислородом бесчисленное множество различных тепловых двигателей, предоставляя опору крыльям самолетов, несущим винтам вертолетов, воздушным шарам!
Наряду с теми услугами, которые оказывает нам атмосфера, делая нашу жизнь на Земле не только возможной, но и окружая ее всяческими удобствами, она является источником многих замечательных красот природы, тысячелетиями воспеваемых поэтами всех народов. Голубой цвет неба, яркая игра красок восхода и заката Солнца, вереницы облаков причудливых очертаний, мерцание звезд, нежность сумерек и неповторимый фейерверк северного сияния — всем этим мы обязаны земной атмосфере.
Всем хороша атмосфера, когда мы имеем в виду жизнь на Земле. Но когда мы собираемся покинуть Землю и совершить межпланетный полет — то она не помогает, а мешает. Куда бы мы ни направили полет межпланетного корабля, он должен пересечь земную атмосферу, пробить этот «панцирь», преодолеть трудности, связанные с очень быстрым полетом в воздухе. Еще большие трудности ждут корабль при его возвращении на Землю.
Чтобы победить врага, надо его знать. Что же представляет собой атмосфера, как высоко простирается она над Землей, какие опасности подстерегают корабль на его пути в атмосфере, как их можно избежать — вот вопросы, которые, естественно, интересуют и конструктора и командира межпланетного корабля.
Земная атмосфера, то есть воздушная оболочка Земли, простирается на огромную высоту. Однако нельзя сказать точно, где кончается атмосфера и начинается мировое пространство: на высоте 100, 1000 или 10 тысяч километров. Атмосфера постепенно, незаметно переходит в мировое пространство, и никакой резкой грани между ними провести нельзя.
С увеличением высоты над Землей плотность атмосферы уменьшается, число молекул воздуха в единице объема становится все меньшим. Основная масса атмосферы находится у самой земной поверхности, на малых высотах. Если мы вырежем из атмосферы вертикальный, бесконечно длинный столбик поперечным сечением в 1 квадратный сантиметр, то вес воздуха в этом столбике будет равен примерно 1 килограмму. Стоит нам отрезать от этого столбика его нижний конец длиной всего в 1 километр, как вес воздуха в столбике уменьшится сразу на 100 граммов, то есть на 10 процентов. Вес воздуха в нижнем конце такого столбика длиной 5,5 километра составит 0,5 килограмма, то есть половину общего веса воздуха в столбике. Нижний конец столбика длиной 18 километров будет заключать в себе 14/15 всего воздуха в столбике. Если мы поднимемся вдоль такого столбика на высоту примерно 150 километров, то вес воздуха над нами будет равен всего только одной стомиллионной части общего веса воздуха в столбике, то есть примерно одной сотой миллиграмма. Весь остальной воздух будет находиться под нами.
Поэтому можно было бы считать, что уже на таких высотах атмосферы практически нет, однако и на этой высоте в кубическом сантиметре находится все еще примерно 100 миллиардов молекул воздуха. Даже на высотах в тысячи километров еще имеются следы атмосферы, в миллиарды миллиардов раз более разреженной, чем у земной поверхности, — в кубическом сантиметре там находится всего несколько сотен молекул. И даже то, что мы называем обычно безвоздушным мировым пространством, в действительности не вовсе лишено вещества — в нем плавают отдельные молекулы и атомы.
В среднем в 1 кубическом сантиметре этого пространства находится 2-3 атома водорода, который является наиболее распространенным химическим элементом во Вселенной. Имеются атомы и других веществ, но в значительно меньших количествах — на каждую тысячу атомов водорода приходится примерно 100 атомов гелия, второго по распространенности элемента, по 10 атомов приходится вместе на кислород, углерод, азот, неон и по 2-3 атома вместе на другие элементы, такие, как железо, калий, кальций, кремний, магний и пр. Выходит, что по плотности атмосферы нельзя установить ее границу — она может быть только условной1.
1 В этой связи интересно упомянуть о гипотезе американского ученого Чепмена, по которой земная атмосфера постепенно переходит в... солнечную. По мнению этого ученого, высказанному им в 1957 году, солнечная атмосфера простирается далеко за орбиту Земли. По расчетам, на этом расстоянии от Солнца его атмосфера имеет плотность порядка 1000 частиц на 1 куб. сантиметр и температуру более 200 000°. Эта гипотеза удовлетворительно объясняет некоторые до сих пор не объясненные явления, в частности тепловые потоки в ионосфере. Конечно, гипотеза должна поучить дальнейшее подтверждение, чтобы считать ее серьезной научной теорией.
Немногим поможет нам в определении границ атмосферы использование и других ее свойств. Если, например, иметь в виду «комфортные» свойства атмосферы, то есть те ее свойства, которые создают благоприятные условия для жизни людей, то граница атмосферы будет лежать очень недалеко от земной поверхности.
Уже на сравнительно небольших высотах человек испытывает «кислородное голодание» в связи с уменьшением содержания кислорода в окружающем воздухе. На поверхности Земли из общего давления атмосферы 760 миллиметров ртутного столба примерно 160 миллиметров приходится на долю кислорода, остальное — на долю азота. Когда высота над уровнем моря становится равной 4 километрам, давление кислорода в воздухе снижается примерно до 100 миллиметров ртутного столба. Дальнейшее увеличение высоты приводит к тому, что с вдыхаемым воздухом в легкие попадает слишком мало кислорода. Недостаток кислорода прежде всего начинают ощущать клетки головного мозга, наиболее нуждающиеся в непрерывном подводе этого «жизненного газа». Вот почему на высоте примерно 4 километров летчик должен надеть кислородную маску, чтобы восполнить недостаток кислорода подводом его из баллона или газификатора жидкого кислорода. Такая маска помогает делу примерно до 10-11 километров, а при дальнейшем увеличении высоты даже вдыхание чистого кислорода не устраняет кислородного голодания. На высоте примерно 15 километров поступление кислорода в кровь прекращается вовсе, так как на этой высоте легкие оказываются заполненными продуктами дыхания и свежий воздух в них не проникает — его давление оказывается недостаточным для этого. Вот эту-то высоту и можно считать границей атмосферы с точки зрения дыхания. Как показывает опыт, на высоте 15 километров даже тренированный человек теряет сознание из-за кислородного голодания через 10-15 секунд, причем это время не меняется при дальнейшем увеличении высоты. Только исключительная физическая выносливость Коккинаки позволила ему достичь высоты 14,5 километра в рекордном полете 21 ноября 1935 года.
Строение земной атмосферы.
Но не только удушение вследствие недостатка кислорода грозит человеку при увеличении высоты. Оказывается, на больших высотах даже самый хладнокровный человек рискует... вскипятиться, только не в переносном, а в буквальном смысле. Уже на высотах порядка 8 километров у человека начинаются так называемые декомпрессионные расстройства, связанные с уменьшением атмосферного давления. Эти расстройства аналогичны «кессонной болезни» водолазов. При этом газы, заключенные в жидкостях и тканях человеческого тела, начинают выделяться из раствора, образуя пузырьки. Это касается прежде всего азота в крови и в тканях, в особенности жировых, а также углекислоты, водяных паров и др. Такие газовые пузырьки образуются в кровеносных сосудах, в полостях суставов, в тканях, вызывая нарушение нормальной деятельности органов человеческого тела и причиняя нестерпимую боль.
По мере снижения атмосферного давления выделение газов увеличивается, но настоящая катастрофа происходит, когда давление окружающего воздуха становится равным 47 миллиметрам ртутного столба, что соответствует примерно высоте 19 километров. Когда давление снижается до этой величины, температура кипения воды, которая, как известно, уменьшается при уменьшении давления, снижается как раз до 37°, то есть до температуры человеческого тела. Это значит, что все жидкости в человеческом теле начинают кипеть, переходить в парообразное состояние (в действительности картина более сложна, в частности, углекислота приводит к кипению при меньших температурах). Опыты, проведенные на собаках, убедительно показали, что дело происходит именно так. Когда подопытных собак подвергали внезапной декомпрессии, понижая давление с нормального или слегка пониженного до 30 миллиметров ртутного столба, что соответствует примерно высоте 22 километра, то через 30 секунд подкожная клетчатка начинала быстро вздуваться. Не более чем через минуту после этого прекращалось дыхание, еще через минуту останавливалось сердце. Так физиология человеческого организма устанавливает еще одну границу атмосферы и начало Космоса.
Фильтрующее действие атмосферы проявляется на несколько больших высотах. Космические лучи оказываются почти неослабленными уже на высоте 20-25 километров; ультрафиолетовые лучи Солнца — на высоте свыше 30-35 километров. Серьезных неприятностей от встреч с метеоритами можно ожидать на высоте 100-110 километров — именно на этой высоте обычно вспыхивают «падающие звезды».
Таким образом, с точки зрения перечисленных выше свойств атмосферы мировое пространство начинается уже на высоте 15-20 километров и становится «абсолютным» на высоте свыше 100 километров. Однако некоторые явления в атмосфере происходят на гораздо больших высотах — в частности, северные сияния полыхают на высотах до 1000 и даже более километров (наибольшая зарегистрированная высота равна 1200 километрам).
Сопротивление, которое оказывает атмосфера какому-нибудь телу, передвигающемуся в ней с определенной скоростью, зависит от плотности воздуха. На тех высотах, где плотность становится ничтожно малой, и сопротивление оказывается исключительно малым. Можно полагать, что это относится уже к высотам порядка 100 километров1, однако некоторые ученые считают, что при полетах с огромной, космической скоростью сопротивление воздуха должно не только приниматься в расчет, но что оно может играть относительно большую роль даже на высоте многих сотен километров.
1 На этой высоте давление и плотность воздуха в 10 миллионов раз меньше, чем на Земле.
Обычно считают, что с высоты 800 — 1000 километров начинается уже так называемая зона рассеяния. Из этой зоны часть молекул воздуха улетучивается в мировое пространство, чтобы рассеяться в нем. Воздух в этой зоне так разрежен, что молекула пролетает сотни километров до очередного столкновения с какой-нибудь другой молекулой. Эти столкновения там почти отсутствуют, тогда как у земной поверхности столкновения молекул происходят сотни тысяч раз на пути в 1 сантиметр.
Строение земной атмосферы неоднородно, и межпланетная ракета, пересекающая атмосферу, будет переходить из одной ее зоны в другую, как альпинист, пересекающий различные климатические зоны при высокогорном восхождении.
Ближайший к земной поверхности слой атмосферы, так называемая тропосфера, имеет высоту 7-18 километров, в зависимости от времени года и географической широты (меньше — на полюсе, больше — на экваторе). Тропосфера — это кузница погоды; в ней, в основном, происходят процессы, определяющие погоду: зарождаются дожди, ветры, туманы. Температура воздуха в тропосфере, по мере увеличения высоты, непрерывно падает, достигая минус 50-60° на. верхней границе тропосферы. Это объясняется тем, что тропосфера нагревается теплом, которое излучает земная поверхность: чем дальше от этой «печки», тем холоднее воздух. В тропосфере находится около 80 процентов всей атмосферы.
Выше тропосферы начинается стратосфера, хотя часто различают еще небольшой промежуточный слой — тропопаузу. Было время, когда считали, что температура воздуха в стратосфере с высотой не меняется, оставаясь равной примерно минус 60°, а затем постепенно снижается, так что у границ атмосферы уже царит холод мирового пространства. В действительности же оказалось, что мороз в 60° сохраняется лишь до высоты 30-40 километров, а затем температура воздуха начинает вдруг повышаться, достигая на высоте 50-60 километров примерно нуля градусов. Вслед за этим температура опять резко падает: на высоте 80 километров уже снова мороз, да такой крепкий, что и на полюсе холода, в якутском селении Оймяконе, подобного не бывает, — минус 80° и более1. Но это уже последнее снижение. Здесь температура снова начинает расти: на высоте 200 километров она достигает плюс 800-1000°, а на высоте 1000-1100 километров становится равной 3000°. По мнению некоторых ученых, на еще больших высотах температура воздуха достигает десятков тысяч градусов.
1 Именно на этой высоте обнаруживаются так называемые светящиеся облака, которые, по теории советских ученых, созданной в 1951 году, состоят из мелких кристалликов льда, образующихся на этих высотах. Кстати сказать, только в 1958 году впервые удалось зафиксировать на Земле такие низкие температуры воздуха — в районе антарктической научной станции «Восток» 26 июля была измерена температура воздуха минус 87,4°, представляющая собой, по-видимому, абсолютный минимум температуры на земном шаре.
Это оказывается не только неожиданным, но, на первый взгляд, и очень грозным обстоятельством для будущих межпланетных путешественников. Неужели межпланетному кораблю придется сотни километров лететь в условиях, существующих в топках котлов или в мартеновских печах, если не худших? К счастью, на самом деле все обстоит совсем иначе, и никаких «зон огня» межпланетному кораблю преодолевать не придется — понятие температуры на очень больших высотах становится иным, чем у Земли.
На этих высотах воздух так разрежен, что о поверхность ракеты каждое мгновение будет ударяться только сравнительно небольшое число молекул, а ведь именно эти удары и повышают температуру оболочки ракеты. В то же время оболочка ракеты будет терять много тепла из-за его излучения в окружающее пространство. Вследствие этого на таких больших высотах никакой «жары», конечно, нет, и температура поверхности ракеты будет там даже ниже, чем на меньших высотах, если только она не накаляется лучами Солнца. В этом случае ее температура может превышать 100°.
Наши знания о верхних слоях атмосферы все время обогащаются. Немалую роль в этом играют изобретенные советским ученым П. А. Молчановым воздушные шары — радиозонды, первый полет которых был осуществлен в 1930 году. Все большее значение приобретают предложенные еще Циолковским высотные метеорологические ракеты. Ценные сведения наука уже сумела получить с помощью первых искусственных спутников Земли и в результате полета советской космической ракеты.
Было время, когда думали, что в стратосфере вовсе нет ветров и царит мертвый штиль. Оказалось, что это не так. В стратосфере дуют ветры со скоростью 300-400, а на больших высотах — даже до 1500 километров в час. Эти ветры, неспособные пошевелить даже волосы на голове — так там разрежен воздух, — отличаются исключительным постоянством: они почти всегда дуют на восток. Раньше считали также, что стратосфера не оказывает никакого влияния на земную погоду, — это тоже оказалось ошибочным.
Стратосфера простирается до высоты примерно 70-80 километров и содержит в себе почти все оставшееся количество воздуха, то есть 20 процентов. Вся атмосфера, лежащая выше стратосферы на многие сотни километров в высоту, заключает в себе менее 0,5 процента общего количества воздуха в атмосфере.
Совершенно особую, исключительно важную роль в нашей жизни играет первая половина стратосферы благодаря тому, что она содержит в большом количестве озон1. Молекулы озона, состоящие из трех атомов кислорода, поглощают коротковолновое (так называемое жесткое) ультрафиолетовое излучение Солнца. Этот слой озона является фильтром, защищающим нас от опасных, неослабленных солнечных лучей.
1 Спасительный слой озона, простирающийся от поверхности Земли до 60 километров вверх, на уровне моря имел бы толщину всего около 2-3 миллиметров. 60 процентов всего озона находится на высотах от 16 до 32 километров, а его максимальная концентрация соответствует высоте около 25 километров.
На больших высотах, начиная примерно с 70 километров, атмосфера состоит в основном не из обычных молекул воздуха, а из ионов, то есть молекул и атомов, имеющих электрический заряд. Поэтому верхние слои атмосферы называют обычно ионосферой. Ионы появляются на этих высотах главным образом под действием ультрафиолетовых лучей Солнца, отрывающих от обычных молекул воздуха электроны. Действием ультрафиолетового излучения объясняется и повышение температуры воздуха с высотой, а также то, что на очень больших высотах молекул кислорода и азота уже нет: они распадаются на атомы. По существу, земная атмосфера — это огромный электрохимический завод: в его цехах, то есть в разных слоях атмосферы, происходят сложные процессы образования различных веществ с использованием энергии Солнца.
Слои ионосферы, расположенные на различных высотах, обладают неодинаковыми свойствами, в частности электромагнитными, и потому, например, по-разному влияют на распространение радиоволн. Так называемый D-слой ионосферы, находящийся на высоте 70-90 километров, отражает длинные радиоволны; E-слой, расположенный на высоте 100-120 километров, — средние; F-слой, лежащий на высоте 200-300 километров, — короткие. Эти слои ионосферы различаются своим составом и степенью ионизации1. Поэтому они по-разному и влияют на распространение радиоволн. Волны ультракоротковолнового диапазона, длиной примерно от 1 сантиметра до 20 метров, в значительной степени проходят через ионосферу. Это позволит в будущем установить радиосвязь между Землей и кораблями, летящими в мировом пространстве, но зато препятствует дальнему радиовещанию на этих волнах и, в частности, передачам телевидения на большие расстояния.
1 Исследования с помощью высотных ракет показали, что электрически заряженной является вся ионосфера, а не только отдельные ее слои. Указанным слоям соответствуют максимумы электронной концентрации.
Наличие земной атмосферы усложняет проблему межпланетного полета. Это связано главным образом с сопротивлением, которое оказывает воздух передвигающемуся в нем телу. Из-за него для совершения межпланетного полета понадобится затратить большую энергию, чем это необходимо для сообщения межпланетному кораблю скорости отрыва. Это равносильно необходимости сообщить кораблю какую-то дополнительную скорость, которая будет зависеть от скорости полета корабля в атмосфере — она тем меньше, чем меньше эта скорость,— а также от формы корабля и траектории полета. Для оценки величины дополнительной скорости можно принять, что она не будет превышать 1 километр в секунду, то есть около 10 процентов от скорости отрыва. Но гораздо более серьезные неприятности будет причинять атмосфера межпланетному кораблю в связи с его нагревом при полете в воздухе с большой скоростью. Ни конструктор, ни командир межпланетного корабля не имеют права ни на минуту забывать об этой опасности, которая может стать роковой.
Однако атмосфера может сослужить и хорошую службу межпланетному кораблю, — нужно лишь умело использовать ее свойства.
Так, например, при посадке на Землю торможение в атмосфере будет гасить скорость межпланетного корабля без затраты на это топлива, а при взлете может оказаться выгодным использование воздушно-реактивных двигателей, расходующих гораздо меньше топлива, чем ракетные.
Несколько неожиданные, может быть, перспективы использования свойств атмосферы на службе астронавтике (впрочем, это в такой же мере касается и авиации) открывают результаты недавних опытов, проведенных в США. Эти опыты подтвердили высказывавшиеся ранее некоторыми учеными предположения о том, что происходящая в верхних слоях атмосферы диссоциация, то есть распад, молекул воздуха на атомы, под действием солнечного излучения открывает принципиальные возможности использования запасенной в атмосфере в результате этого процесса солнечной энергии. Действительно, если диссоциация молекул происходит с затратой больших количеств энергии, излучаемой Солнцем, то при обратном процессе воссоединения, или, как говорят, рекомбинации атомов в молекулы, эта энергия может быть выделена вновь. Такая рекомбинация, вероятно, идет в природе естественным путем, вызывая известное явление свечения ночного неба. Но эта реакция оказывается очень медленной. Ускорить ее можно было бы с помощью какого-нибудь катализатора, как это часто делается в химии. Но как забросить такой катализатор на высоту в десятки километров? Вот тут-то ученые и обратились за помощью к ракетной технике.
В 1956 году в США были осуществлены запуски высотных ракет, на которых находилось некоторое количество химического вещества, могущего служить катализатором для ускорения реакции воссоединения атомов кислорода в молекулы. Вначале таким веществом служила окись азота, в последующих опытах — пар металлического натрия. В обоих случаях выпущенный из ракеты на большой высоте катализатор действительно вызывал бурную реакцию рекомбинации, о которой можно было судить по яркому свечению ночного неба. Интересно, что рекомбинация атомов атмосферных газов может происходить и непосредственно на поверхности летящей ракеты. Такое свечение и наблюдалось при движении ракеты на высотах 150-200 километров в темную безлунную ночь — в иных условиях его увидеть нельзя, так оно слабо. Кстати сказать, в 1957 году удалось получить, тоже с помощью натрия, свечение атмосферы и на значительно меньших высотах, порядка 25-27 километров. Здесь свечение было результатом реакции с участием озона, количество которого на этих высотах максимально.
Так человек впервые заимствовал небольшую толику из того колоссального склада энергии, каким являются верхние слои атмосферы. Высказываются разные предположения о возможностях практического использования этого эффекта, начиная от увеличения надежности радиосвязи за счет отражения радиолучей от создаваемых таким образом ионизированных облаков и кончая освещением больших территорий ночью.
Но, конечно, едва ли не прежде всего может оказаться заинтересованной в использовании нового источника энергии реактивная техника. Ведь если удастся осуществлять процесс рекомбинации атомарных атмосферных газов внутри реактивных двигателей так же, как это предполагается делать с атомарным водородом и другими атомарными топливами, о чем говорилось в главе 8, то перед авиацией и реактивной техникой откроются совершенно фантастические возможности. Достаточно будет забраться на нужную высоту, чтобы совершать затем сколь угодно длительный полет на этой высоте, не расходуя ни капли топлива — ведь океан солнечной энергии, накопленной в верхних слоях атмосферы, неисчерпаем!
Понятно, какое значение это могло бы иметь и для астронавтики. На высотах порядка 100 километров корабль может лететь практически с любой скоростью, не опасаясь нагрева, крайне опасного на меньшей высоте. Поэтому достаточно было бы поднять корабль при старте на необходимую высоту, и далее весь необходимый разгон мог бы осуществляться за счет «даровой» энергии атмосферы! Точно так же можно было бы осуществлять и торможение при посадке. Конечно, пока еще это только смелое предположение, не более1. Но кто знает, может быть, именно так и будут взлетать и садиться космические корабли будущего?
1 В частности, по некоторым расчетам, тяга, которая может быть получена таким методом, совершенно недостаточна для полета самолета или межпланетного корабля. Однако эти расчеты не основываются на достаточно проверенных данных.
Судя по сказанному, мы еще далеко не все знаем о земной атмосфере, но, во всяком случае, уже достаточно много, для того чтобы уверенно направить межпланетный корабль через атмосферу к далекой цели и наилучшим образом использовать свойства атмосферы для межпланетных сообщений.
В ПРЕДДВЕРИИ МИРОВОГО ПРОСТРАНСТВА
Мечтая о завоевании людьми мирового пространства и разрабатывая планы этого завоевания, Циолковский намечал постепенные этапы решения этой небывалой задачи. Он понимал, что только шаг за шагом — по мере совершенствования реактивной техники, увеличения наших знаний о мировом пространстве, расширения научной и экспериментальной базы астронавтики — может вестись штурм мирового пространства. Сначала всё более высотные полеты в атмосфере, затем прыжки за атмосферу, в преддверие мирового пространства; все более глубокая разведка этого пространства, полеты вокруг Луны, посадка на Луну; потом полеты вокруг планет, посадка на них, постепенное освоение мирового пространства — вот очевидные вехи на пути к осуществлению заветной мечты человечества.
Прошло полвека с того времени, как Циолковский начал набрасывать схему сражения за мировое пространство. Эти десятилетия не пропали даром. Сам Циолковский был свидетелем только первых, робких шагов по намеченному им пути: первых теоретических работ по астронавтике, первых попыток изобретателей-энтузиастов создать жидкостные ракетные двигатели, первых запусков таких ракет. После смерти Циолковского, и в особенности за последнее десятилетие, началось бурное развитие реактивной техники, являющейся технической основой астронавтики. Это позволило достичь серьезных успехов в борьбе за скорость полета, позволило начать тот штурм мирового пространства, о котором мечтал Циолковский.
 Ракетный самолет подвешен под самолетом-носителем. На большой высоте он отцепляется и начинает самостоятельный полет. |
Каких же успехов в этом штурме уже удалось добиться с помощью реактивной техники?
Современные реактивные самолеты свободно летают в стратосфере со сверхзвуковыми скоростями.
14 июля 1959 года советский летчик В. Ильюшин на самолете Т-431 с двумя турбореактивными двигателями установил новый мировой рекорд высоты полета — 28 852 метра. 31 октября 1959 года другой советский летчик — Г. Мосолов на самолете Е-66 с одним турбореактивным двигателем установил новый мировой рекорд скорости полета: он пролетел базу, то есть мерный участок пути в 15-25 километров, на высоте 13 500 метров со средней скоростью 2388 километров в час, а в одном из заходов достиг скорости 2504 километра в час!
Еще большие высоты и скорости полета достигнуты с помощью экспериментальных ракетных самолетов с жидкостными ракетными двигателями. Так как запаса топлива на подобных самолетах хватает только на несколько минут полета (жидкостные ракетные двигатели расходуют очень много топлива), то часто эти самолеты поднимают на большую высоту с помощью тяжелых самолетов-носителей. Легкий и небольшой ракетный самолет обычно подвешивается под таким носителем и освобождается от него, переходя на самостоятельный полет, лишь на большой высоте. Благодаря этому экономится топливо, которое в ином случае пришлось бы израсходовать на взлет и набор высоты (не правда ли, это похоже на составную ракету).
В подобных полетах удавалось достигать таких высот и скоростей полета, которые, вероятно, являются рекордными для полета человека. Так, по данным печати, в США была достигнута скорость полета порядка 3500 километров в час и высота примерно 38 километров. Летчик в этих случаях находился в условиях, очень напоминающих полет в мировом пространстве. Конечно, кабина такого самолета, как и других высотных самолетов, в том числе и пассажирских, сделана герметичной. Это значит, что она полностью изолирована от окружающей атмосферы, в ней поддерживается давление, близкое к давлению атмосферы на уровне моря, обеспечивается нужная температура и влажность воздуха, снабжение кислородом и удаление продуктов дыхания, то есть так называемое кондиционирование воздуха. Значит, и в этом отношении летчик подобного самолета находился в условиях, очень похожих на условия полета в межпланетном корабле.
Однако достижения реактивной авиации вовсе не исчерпывают успехов, достигнутых современной техникой в штурме мирового пространства. Реактивная техника позволила осуществить полет, правда пока еще без человека, на таких скоростях и высотах, которые оставляют далеко позади рекорды ракетных самолетов. Этот полет осуществлен с помощью тяжелых, управляемых в полете ракет. Именно такие ракеты ведут в настоящее время успешный штурм мирового пространства, намеченный Циолковским.
Уже ракеты, применявшиеся во время минувшей войны в качестве сверхдальнобойных снарядов, достигали высот до 100 километров и скорости полета до 5500 километров в час. После окончания войны подобные же ракеты стали применяться для высотных полетов с различными исследовательскими целями, чаще всего геофизическими и метеорологическими, то есть интересующими науку об атмосфере и службу погоды.
Неудивительно, что в таких полетах ракеты залетали на еще большие высоты. Ведь в этих случаях ракета летит только вверх, да и взрывчатку не приходится с собой возить. Кроме того, время шло — и ракеты, как и их двигатели, становились более совершенными. Эти стратосферные исследовательские ракеты достигали высот 150, 200 и даже 250 километров, то есть забирались далеко в ионосферу. А в рекордном полете мощной советской геофизической ракеты, осуществленном 21 февраля 1958 года, была достигнута высота 473 километра! Вес только одной научной аппаратуры на этой ракете составлял 1520 килограммов.
 Фотография Земли, сделанная с летящей ракеты. Виден и факел газов ракеты с характерным «пунктиром» ярких пятен. |
С помощью приборов, установленных на ракетах, удалось получить много новых научных сведений самого различного характера, в том числе и данные исключительной ценности. Ведь это пока единственный способ, с помощью которого ученый может поднять свои приборы на огромную высоту, вынести их, по существу, за пределы атмосферы, в непосредственное соседство с мировым пространством, а затем получить эти приборы обратно.
 Взлет советской исследовательской ракеты |
Представляют интерес фотоснимки Земли, сделанные с большой высоты (более 200 километров) с помощью фотоаппаратов, установленных на ракетах. Конечно, на этих снимках Земля наша не похожа на ту Землю, которую мы видим не только из окна железнодорожного вагона, но даже из окна высоко летящего самолета. Никаких деталей земной поверхности на снимках разглядеть нельзя, зато на них много другого, очень интересного. Ведь фотоаппарату удается зафиксировать территорию протяженностью до 5 тысяч километров, а это открывает совершенно новые возможности в отношении картографирования, изучения движения облаков и проч. Кстати сказать, на таких снимках уже совершенно отчетливо заметна шарообразная форма Земли. Рекордные достижения современной реактивной техники в отношении высоты и скорости полета удалось получить путем использования идеи Циолковского о составных ракетах, или «ракетных поездах». Для рекордных полетов вначале была использована двухступенчатая ракета. Первая, задняя, ступень представляла собой примерно такую же тяжелую ракету, которая была описана выше, в главе 6. Передняя ракета (меньшая) была установлена на задней вместо ее боевой головки и весила примерно полтонны. Когда двигатель задней ракеты останавливался из-за выработки всего топлива, запасенного на этой ракете, она отделялась от передней. В то же мгновение автоматически запускался двигатель передней ракеты, и она продолжала свой вертикальный взлет. Понятно, что передняя ракета залетала выше и приобретала большую скорость, чем одна большая задняя ракета. Таким способом еще в 1949 году была достигнута высота примерно 400 километров1 и скорость полета около 8300 километров в час, то есть приблизительно 2,3 километра в секунду.
1 Интересно, что на этой высоте уже сильно сказывается уменьшение силы притяжения к Земле — вес здесь меньше земного примерно на 11 процентов. Хотя 400 километров — это только 0,1 процента пути до Луны, ракета, достигшая этой высоты, совершает уже примерно 6 процентов всей работы, необходимой для полета на Луну,— так сказывается уменьшение силы тяжести с высотой.
Однако эти рекордные достижения двухступенчатых ракет намного превзойдены даже новейшими одноступенчатыми ракетами, как это указывалось выше, и в особенности, конечно, многоступенчатыми ракетами. Так, с помощью многоступенчатых ракет неоднократно достигались высоты, превосходящие 1000 километров, и скорости более 5 километров в секунду. Еще значительнее результаты, достигнутые при запуске с помощью многоступенчатых ракет первых искусственных спутников Земли. При этом скорость ракет превысила 8 километров в секунду и высота достигла примерно 1900 километров, а при запуске одного из миниатюрных американских спутников — даже около 4000 километров. При неудачных запусках ракет на Луну, произведенных в США в конце 1958 года, ракеты залетали на расстояние примерно 120 000 километров от Земли. Но, конечно, рекордным во всех отношениях является замечательный полет советской многоступенчатой космической ракеты, запущенной 2 января 1959 года. Ведь скорость этой ракеты превысила скорость отрыва, то есть 11,2 километра в секунду, и ракета удалилась в глубины Космоса на расстояния в миллионы километров от Земли, на которую никогда более не возвратится1.
 Взлет двухступенчатой ракеты, установившей рекорд высоты в 1949 году. Время на каждой фотографии (рисунке) показывает, через сколько секунд после старта она сделана. На последнем рисунке показан воображаемый момент отделения передней ракеты. (По книге Бургесса «Управляемое реактивное оружие».) |
1 Скорость отрыва была превышена и американской ракетой «Пионер», запущенной в сторону Луны 3 марта 1959 года.
Достигнутые успехи в развитии тяжелых высотных ракет открывают совершенно новые возможности в области сверхскоростных дальних перелетов на Земле. Для этого нужно снабдить ракету крыльями.
Идея крылатой ракеты принадлежит Цандеру. Он предложил снабжать ракету крыльями, подъемная сила которых могла бы быть использована как при взлете, так и при посадке космического корабля.
Уже простое добавление крыльев к ракете, описанной в главе 6, может существенно увеличить дальность ее полета. Эта ракета залетала на расстояние около 300 километров, причем ее полет длился примерно 5 минут. Такая же, но крылатая ракета совершала бы втрое более продолжительный полет, до 15 минут, и залетала бы почти вдвое дальше, на расстояние 550— 560 километров. Вот какую роль играет подъемная сила крыла!
Если же сочетать идею Цандера о крылатой ракете с предложенной Циолковским идеей ракетного поезда, то это может дать замечательные результаты. Представим себе простейший ракетный поезд, состоящий из двух ракет: задней — обычной, бескрылой, и передней — крылатой. Если передняя ступень — это все та же, уже известная нам дальняя ракета, но только с крыльями, то задняя, бескрылая, ракета должна быть гораздо больше по размерам и ее двигатель должен обладать, естественно, большей тягой. По одному из подобных проектов тяга задней ракеты должна составлять примерно 180 тонн, общий вес поезда при взлете — почти 100 тонн (из них около ⅔ — топливо), длина поезда — более 30 метров.
В зависимости от назначения будет изменяться и характер полета такого поезда. Сначала задняя ракета уносит весь поезд на высоту примерно 25 километров, на которой двигатель этой ракеты останавливается из-за выработки всего топлива, и она автоматически отделяется, опускаясь с помощью парашюта на землю. Теперь вторая ракета может лететь на этой постоянной высоте в горизонтальном полете со скоростью 2600 километров в час, пока и ее двигатель не выработает всего топлива. В этом случае общая продолжительность полета составит примерно 70 минут, в течение которых ракета покроет расстояние около 2500 километров. Значит, за час с небольшим — из Москвы в Караганду!
Оказывается, можно значительно увеличить дальность этого полета и вместе с тем сократить его продолжительность. Гораздо дальше, но... гораздо быстрее! Звучит парадоксально, однако это строгий научный расчет, основанный на использовании замечательных свойств несущего крыла и особенностей земной атмосферы. Если после отделения задней ракеты передняя продолжает вертикальный взлет, то она в состоянии достичь высоты около 300 километров, а затем совершить пологий планирующий полет с использованием подъемной силы крыла. Общая дальность такого полета составит около 5000 километров, при продолжительности всего в 45 минут. За ¾ часа из Москвы до Якутска! Скорость полета при этом будет большей, чем когда-либо достигнутая человеком, — до 12 тысяч километров в час (3⅓ километра в секунду).
Исследования показали, что сочетание огромной скорости полета с подъемной силой крыла позволяет осуществить и гораздо более эффективный полет. Современный уровень развития реактивной техники дает принципиальные возможности создания сверхдальнего ракетного самолета, способного совершить беспосадочный кругосветный перелет за очень короткое время1.
1 С помощью обычных реактивных самолетов с турбореактивными двигателями кругосветный беспосадочный полет также возможен, но только при обязательном условии неоднократной заправки топливом в полете с самолетов-заправщиков (см. главу 13)
Создание сверхдальнего ракетного самолета возможно только благодаря тому, что жидкостный ракетный двигатель в состоянии обеспечить огромную высоту и скорость полета. Ведь такой двигатель работает считанные минуты, в течение которых он расходует все топливо, запасенное на самолете. Конечно, за эти несколько минут полета с работающим двигателем самолет не в состоянии совершить дальний полет. Однако мощный жидкостный ракетный двигатель заносит самолет на большую высоту и сообщает ему огромную скорость. Планирующий полет самолета с остановленным двигателем, совершенный с этой высоты, может быть очень продолжительным и дальним.
 Составная ракета (проект). |
Кругосветный полет самолета с жидкостным ракетным двигателем можно представить себе следующим образом. Мощный двигатель за несколько минут своей работы забрасывает самолет на высоту 300-400 километров и сообщает ему скорость не менее 4 километров в секунду, то есть примерно 14 тысяч километров в час. Для этого, правда, двигатель должен работать на новых, более совершенных топливах, обеспечивающих большую скорость истечения газов, чем в настоящее время.
Двигатель работает только в течение первых минут полета, затем он останавливается и во всем остальном полете не расходует ни капли топлива. Самолет летит вперед за счет накопленной при разгоне кинетической энергии. В этом отношении такой полет очень напоминает полет в мировом пространстве.
С огромной высоты самолет начинает пологий планирующий полет вокруг Земли. На первый взгляд кажется, что ни о каком планировании на таких больших высотах не может быть и речи. Ведь при планировании вес самолета должен быть лишь немногим больше подъемной силы его крыла, а на высотах в сотни километров подъемная сила крыла практически отсутствует просто потому, что там и воздух почти отсутствует. Значит, самолет будет не постепенно снижаться, а камнем падать с той высоты, на которую его забросит двигатель.
 Траектории полета различных дальних ракет: 1 — исходная дальняя ракета, описанная в главе б; 2 — та же ракета, но снабженная крыльями; 3, 4 — составная ракета. |
Это верно — самолет будет падать камнем. И он, конечно, очень скоро упал бы, если бы был неподвижен. Однако, падая камнем на Землю, самолет вместе с тем с огромной скоростью мчится вокруг нее. Это не изменило бы дела, если бы Земля была плоской. Но она — шар, и это приводит к тому, что, непрерывно падая на Землю, самолет, летящий вокруг нее с огромной скоростью, успевает пролететь большое расстояние — 6000-7000 километров. Но мало этого: когда самолет, снижаясь таким образом, врывается в нижние, более плотные, слои атмосферы, то вступает в действие подъемная сила его крыльев. Он как бы отражается от этих плотных слоев атмосферы, рикошетирует, как плоский камень от поверхности воды, и снова взмывает вверх. Прежней высоты он, естественно, не достигает, так как скорость его уже уменьшилась, но все же он снова может забраться на высоту 200 и более километров.
 Схема кругосветного беспосадочного полета на самолете с жидкостным ракетным двигателем. |
Совершая такие, как бы постепенно затухающие волнообразные движения с заключительным пологим планированием в плотных слоях атмосферы, самолет способен, как показывают расчеты, совершить посадку на том же аэродроме, откуда он взлетел. Весь такой кругосветный полет займет не более нескольких часов, причем самолету не придется даже разворачиваться, чтобы сесть против ветра, как это обычно делается, — он будет садиться в том же направлении, в каком и взлетел.
Поистине замечательные результаты дает сочетание огромной начальной скорости разгона, этой характерной черты полета всякого снаряда (то есть так называемого баллистического полета), с подъемной силой крыла, являющейся основой аэродинамики.
Но, оказывается, баллистика вовсе не нуждается для совершения дальних полетов в помощи аэродинамики. И бескрылая ракета может совершить полет практически любой дальности, и даже за гораздо более короткое время, чем крылатая ракета. Но для этого она должна обладать еще большей начальной скоростью: эта увеличенная скорость разгона — плата за отсутствие помогающей подъемной силы.
При совершении баллистического полета ракета во время разгона получает большую начальную скорость и оказывается в состоянии вырваться за пределы плотной атмосферы. Летя с огромной скоростью там, где практически отсутствует всякое лобовое сопротивление, ракета может покрыть колоссальные расстояния. Если, например, ее начальная скорость в момент выключения двигателя равна 5 километрам в секунду, то ракета может пролететь свыше 3000 километров за 14-15 минут, забравшись при этом на огромную высоту. Конечно, подобная ракета должна иметь очень большие размеры, несравненно большие, чем размеры ракетных снарядов, которыми вели огонь «катюши». Когда такие ракеты устанавливаются в вертикальное положение, они оказываются иной раз в уровень с крышей довольно-таки высокого здания! Но еще более замечателен полет боевой ракеты, созданной пока только в Советском Союзе и являющейся венцом боевой ракетной техники. Речь идет о межконтинентальной баллистической ракете. Как показывает само название этой ракеты, она в состоянии совершить сверхдальний полет, полет с континента на континент через разделяющие их океаны, на расстояния в 8000 километров и даже более. Такая ракета приобретает к моменту остановки двигателя скорость 6-7 километров в секунду и забирается на огромную высоту, более тысячи километров. Оттуда она может точно попасть в заданную цель — любую цель на земном шаре.
 Ракетная техника на Красной площади в Москве во время военного парада 7 ноября 1957 года. |
Но, конечно, такие сверхдальние ракеты могут использоваться не только в военных целях. Вот так же, вероятно, будут совершаться в будущем и курьерские перелеты через океаны и континенты. Какой-нибудь прославленный московский тенор сможет при желании вылететь утром, например, в Нью-Йорк, через час после вылета уже петь перед американскими зрителями, благо там будет как раз вечер, и вечером того же дня снова выступать на сцене Большого театра.
Дальнейшее, сравнительно небольшое увеличение начальной скорости ракеты сможет заставить ее совершить кругосветный полет с посадкой на месте старта.
А если еще увеличить скорость?
ИСКУССТВЕННЫЙ СПУТНИК ЕСТЬ!
Ты слышал, быть может, что скоро Луна, Которая по небу бродит одна, Обзаведется сестрою, Ей люди сестренку построят. И эту игрушечную Луну Как мячик с Земли зашвырнут в вышину: Пускай днем и ночью с подругой Гуляет по звездному кругу. Джанни Родари, «Стихи о Луне» |
Если при достаточно большой начальной скорости ракета способна облететь вокруг Земли с посадкой на месте старта, то при еще большей скорости она сможет, вероятно, облететь вокруг Земли дважды, трижды...
А нельзя ли заставить ее обращаться вокруг Земли бесконечно долго? Ведь обращаются же так Луна вокруг Земли и Земля вокруг Солнца? Вероятно, можно создать с помощью подобной ракеты и «искусственную Луну», искусственный спутник Земли?
Конечно. Однако для этого должны быть выполнены определенные условия.
Прежде всего, ракета должна летать вокруг Земли на очень большой высоте, чтобы сопротивление воздуха практически не сказывалось на скорости полета, не уменьшало ее. Ведь двигатель ракеты в таком полете работать не должен, за исключением начального периода разгона, в противном случае полет этот очень быстро закончится из-за выработки всего топлива, запасенного на ракете. Если бы Луна совершала свой полет вокруг Земли в атмосфере, то мы бы не только давно лишились очарования лунных ночей, но и сама Земля, вероятно, уже давно перестала бы существовать в результате катастрофы при неизбежном падении Луны на Землю.
Конечно, идеальным был бы полет в мировом пространстве, на расстоянии в тысячи и десятки тысяч километров от Земли. Однако необходимости в таком углублении в мировое пространство нет. Даже и на гораздо меньших высотах полет становится уже вполне возможным. Траектория полета в верхних слоях атмосферы будет, конечно, не круговой, а спиральной, с постепенным снижением, вызываемым сопротивлением воздуха, но снижение это будет небольшим — тем меньшим, чем больше высота полета.
Практически можно считать, что ракета, летящая вокруг Земли на высоте примерно 200 километров, будет описывать почти точный круг. Может быть, лишь время от времени — раз в 2-3 дня — придется включать на короткое время двигатель, чтобы восстановить высоту. Итак, первое условие — высота полета не меньше 200 километров1.
Второе очевидное условие — это достаточная скорость полета. Легко видеть, что скорость должна быть строго определенной: если она уменьшится, ракета начнет, терять высоту; если увеличится, ракета будет удаляться от Земли. Чему же равна так называемая круговая (иногда ее называют циркуляционной, или первой космической) скорость, при которой высота полета над Землей будет оставаться постоянной?
Оказывается, круговая скорость равна примерно 7,91 километра в секунду2. Вот с какой скоростью должна мчаться ракета, чтобы она бесконечно долго обращалась вокруг Земли с остановленным двигателем, превратившись в искусственного спутника Земли.
1 Интересно отметить, что на Международном астронавтическом конгрессе в 1955 году американский ученый Эрике предложил создать искусственный спутник на высотах порядка 150 километров. В отличие от истинных спутников на этом, как его назвал Эрике, «сателлоиде» должен быть установлен двигатель, чтобы компенсировать уменьшение скорости, связанное с воздушным сопротивлением. Однако мощность двигателя должна быть очень небольшой — по расчету «сателлоид» сможет пролететь примерно 10 тысяч километров на 1 килограмм затраченного топлива. Такой «сателлоид» может иметь научное значение в связи с тем, что он будет совершать свой полет на высотах, которые самолетам еще недоступны. С его помощью могут быть получены сведения о верхних слоях атмосферы, очень важные для решения проблемы полета на больших высотах, для осуществления полетов высотных ракет, посадки межпланетных кораблей и др.
2 Как находится эта величина, рассказано в Приложении (стр.308-309).
 Искусственный спутник может обращаться вокруг Земли только в плоскости большого круга. |
Итак, при скорости 7,91 километра в секунду ракета станет спутником Земли, а при скорости отрыва, равной 11,2 километра в секунду, навсегда покинет ее. Что же произойдет с ракетой, имеющей скорость больше круговой, но меньше скорости отрыва — например, 9 или 10 километров в секунду? При такой скорости она тоже станет спутником Земли и будет бесконечно обращаться вокруг нее. Но только обращаться она будет не по круговой орбите, а по эллиптической, тем более вытянутой, чем ближе скорость ракеты к скорости отрыва.
Наконец, существует еще одно — третье— условие для того, чтобы ракета стала спутником Земли. Свой полет вокруг Земли такая ракета должна совершать в плоскости большого круга, то есть в одной из плоскостей, проходящих через центр земного шара.
Понятно, что чем выше летит ракета над Землей, тем с меньшей круговой скоростью она должна лететь, ибо при этом она все медленнее падает на Землю. Если бы ракета летела на таком же расстоянии от Земли, на каком находится от нее Луна, то ее скорость равнялась бы скорости движения Луны вокруг Земли, то есть примерно 1 километру в секунду1.
1 Точнее, скорость ракеты была бы все же меньше скорости Луны, так как Луна обладает по сравнению с ней неизмеримо большей массой (это вытекает из уточненного третьего закона Кеплера).
Легко подсчитать, за сколько времени ракета, летящая с круговой скоростью, совершит один оборот вокруг Земли, то есть каков будет период обращения вокруг Земли этого нового спутника.
Так, например, при полете у самой Земли период его обращения будет равен примерно 5070 секундам, или 1 часу 24 минутам. Меньше чем за 1½ часа вокруг света!
С увеличением высоты полета период обращения будет увеличиваться. На высоте, равной земному радиусу, то есть 6378 километрам, период обращения будет равен уже примерно 14 200 секундам, или почти 4 часам.
Очень интересной оказывается такая высота полета, на которой период обращения ракеты вокруг Земли будет в точности равен 24 часам, то есть периоду одного оборота Земли вокруг своей оси. Эту высоту легко определить — она равна 5,64 земного радиуса, или примерно 35 800 километрам1. Если ракета будет мчаться вокруг Земли в плоскости экватора в том же направлении, в котором вращается Земля, то есть с запада на восток, со скоростью, равной круговой скорости на этой высоте (примерно 3080 метров в секунду), то она будет как бы висеть неподвижно над одной и той же точкой земной
1Такая орбита спутника была предложена Циолковским
 Точки либрации в задаче трех тел: Земля — Луна — искусственный спутник. Точки 2 и 3 соответствуют устойчивому равновесию (так называемые треугольные точки либрации, образующие с Землей и Луной равносторонние треугольники), точки 1, 4 к 5 — неустойчивому. Очевидно, что во всех точках либрации орбита спутника будет 27-дневной, как и орбита Луны. |
поверхности. Ракета будет напоминать вертолет, парящий неподвижно над Землей, хотя вместе с тем она будет с головокружительной скоростью мчаться вокруг нее. Если бы высота не была столь большой, то с такого космического корабля можно было бы спуститься по веревочной лестнице с таким же успехом, с каким это сделал летчик, доставивший с вертолета, парившего над стадионом «Динамо» в Москве, букет цветов футбольной команде, выигравшей первенство СССР по футболу.
Своеобразной особенностью обладает и орбита, радиус которой на 58 тысяч километров меньше радиуса лунной орбиты, равного, как известно, примерно 380 тысячам километров. Спутник, вращающийся по такой орбите, может находиться все время на прямой, соединяющей центры Земли и Луны,— он будет неизменно виден на фоне лунного диска.
При этом спутник окажется в так называемой точке либрации. Существуют и другие точки либрации (всего их 5), характеризующиеся тем, что в каждой из них спутник будет неподвижным относительно Земли и Луны. Эти точки найдены французским ученым Лагранжем в результате исследования проблемы «трех тел»1.
1 Интересно отметить, что, по одному из предложений, в точке либрации, находящейся на прямой с центрами Земли и Луны и расположенной по ту сторону Луны на расстоянии около 65 тысяч километров от ее центра, целесообразно устроить космическую радиообсерваторию. Огромный радиотелескоп, расположенный на такой обсерватории, был бы полностью экранирован Луной от различных радиошумов, возникающих на Земле, и в результате работы электрических и радиоустановок и вследствие явлений в земной атмосфере. По другому предложению, в аналогичной внешней точке либрации в системе Солнце — Земля (на прямой за Землей) выгодно было бы разместить обсерваторию с мощным обычным оптическим телескопом. Это объясняется тем, что при всех преимуществах космической обсерватории, связанных с возможностью создания телескопов большого размера (об этом подробнее смотри в следующей главе), недостатком такой обсерватории является необходимость в защите телескопа от действия солнечного и земного излучения. Без такой защиты колебания температуры телескопа вызовут его деформации, а проникающий свет не позволит осуществлять фотографирование с большими выдержками. В указанной точке либрации телескоп будет защищен от этого нежелательного влияния, так как будет находиться в зоне постоянного «солнечного затмения». Правда, как показывает расчет, затмение будет только частичным, и идеальной в этом смысле была бы аналогичная точка за Марсом.
Циолковский первый в мире понял (независимо от него позже эта идея была высказана зарубежными учеными Обертом в Германии и Годдардом в США), какое огромное значение могут иметь искусственные спутники Земли для решения проблемы межпланетного полета, да и для многих других научных целей. Теперь уже эта роль спутников является общепризнанной — именно с запуска спутников начинается космическая эра в истории человечества.
Вот почему с таким восторгом была воспринята всей мировой наукой весть о запуске первого искусственного спутника Земли в Советском Союзе 4 октября 1957 года. Впервые в истории человек разорвал путы земного тяготения и вырвался на просторы мирового пространства. Эта замечательная победа человеческого гения открыла путь в Космос.
 На официальной эмблеме Международного геофизического года Земля опоясана орбитой искусственного спутника. |
Первые советские искусственные спутники были созданы в связи с работами, выполнявшимися по программе Международного геофизического года, который начался 1 июля 1957 года и должен был закончиться 31 декабря 1958 года, но затем продлен еще на год — до 31 декабря 1959 года. Исследования, проводимые с помощью искусственных спутников, оказались, пожалуй, самым важным отличием этого геофизического года от двух предыдущих (они назывались полярными). Недаром даже официальной эмблемой геофизического года является изображение земного шара с мчащимся вокруг него искусственным спутником!
 Общий вид трехступенчатой ракеты для запуска искусственного спутника «Авангард» (по журналу «Интеравиа», 1957 г.). |
Конечно, запуск искусственного спутника — сложнейшее техническое мероприятие, задача, посильная лишь для стран с передовой индустрией, высокоразвитой наукой, мощной реактивной техникой. Неудивительно, что во время геофизического года только две страны включили в план своих научных исследований запуск искусственных спутников — Советский Союз и США. Решить же эту задачу первому удалось Советскому Союзу — стране победившего социализма, родине реактивной техники.
Главная трудность создания искусственного спутника Земли связана с тем, что спутник должен двигаться на огромной высоте с колоссальной скоростью. Как же можно этого достичь?
Для того чтобы ракета, стоящая на Земле, превратилась в искусственный спутник, необходимо затратить какую-то энергию. Эта энергия будет израсходована на то, чтобы поднять ракету на высоту ее орбиты, сообщить ей нужную круговую скорость по орбите, пробить «панцирь» атмосферы, то есть преодолеть сопротивление воздуха, возместить различные другие потери энергии, неизбежные в таком полете. Необходимая для всех этих целей энергия должна быть заключена в топливе, запасенном на ракете. Какова же должна быть величина этой энергии?
Если бы ракета летела в свободном пространстве, где нет ни воздуха, ни силы тяжести, то вся энергия топлива, запасенного на ракете, расходовалась бы только на разгон ракеты, на увеличение скорости ее полета. В таком случае конечная скорость ракеты была бы, очевидно, гораздо большей, чем скорость ракеты, взлетающей с Земли. Неудивительно, что эту скорость часто называют идеальной, чтобы показать, что в действительности достичь ее нельзя.
Обычно в астронавтике запас топлива на ракете, необходимый для совершения какого-нибудь межпланетного полета, оценивают именно величиной идеальной скорости1. Чем сложнее и труднее полет, чем больше энергии нужно затратить на его осуществление, тем больше топлива нужно запасти на ракете, и, значит, тем больше должна быть идеальная скорость ракеты.
1 Иногда ее называют также характеристической скоростью, чтобы показать, что именно она характеризует необходимый запас топлива на ракете.
Если ракета должна стать искусственным спутником Земли, то величина необходимой идеальной скорости ракеты будет зависеть главным образом от высоты ее орбиты над Землей. Расчеты показывают, что эта скорость растет от 8 до примерно 13 километров в секунду, когда высота орбиты растет от нуля до 35 тысяч километров.
Методы, которыми можно воспользоваться для достижения необходимой скорости, известны, они определяются формулой Циолковского, — это увеличение скорости истечения газов из двигателя и увеличение относительного запаса топлива на ракете.
Вспомните еще раз дальнюю ракету, описанную в главе 6. Отношение взлетной и конечной масс этой ракеты равно 3,25, а скорость истечения — примерно 2100 метрам в секунду. Формула Циолковского показывает, что ракета, которая могла бы стать спутником, обращающимся вокруг Земли на высоте до 500 километров, должна иметь при указанном отношении масс скорость истечения газов порядка 7000 метров в секунду, что недостижимо для современной реактивной техники. При сохранении величины скорости истечения, равной 2100 метрам в секунду, соотношение масс должно равняться примерно 60, что может быть, хоть и не без труда, осуществлено с помощью трех— или четырехступенчатой ракеты.
Если же учесть, что в настоящее время достигнуты и большие значения скорости истечения, и большие величины относительного запаса топлива, характеризующего конструктивное совершенство ракеты, то станет очевидно, что принципиально запуск искусственных спутников Земли вполне возможен при современном уровне развития ракетной техники. Для этого нужно воспользоваться «ракетным поездом» — ракетой, состоящей из ряда ступеней.
Но ведь такие многоступенчатые ракеты уже имеются, за чем же тогда дело стало?
Оказывается, наибольшим препятствием на пути создания искусственного спутника являются его размеры. С возрастанием размеров искусственного спутника трудности его запуска быстро увеличиваются. Эти трудности связаны с взлетным весом «ракетного поезда», то есть весом всей составной ракеты при взлете с Земли.
О том, каковы эти трудности, можно судить, например, по сообщениям американских ученых, сделанным ими, в частности, на Международном астронавтическом конгрессе в Риме в сентябре 1956 года, относительно разработанного в США проекта запуска искусственного спутника «Авангард». По этому проекту спутник должен представлять собой небольшой шар диаметром от трети метра до полуметра и весом около 10 килограммов. Запуск же такого спутника осуществляется с помощью трехступенчатой ракеты взлетным весом примерно 10 тонн. Это значит, что на 1 килограмм веса спутника приходится 1 тонна взлетного веса ракеты — в тысячу раз больше! А ведь эта ракета, длина которой равна примерно 22 метрам, а наибольший диаметр — 114 сантиметрам, весьма совершенна по своей конструкции: из общего ее веса 10 тонн на долю самой конструкции ракеты приходится не более 1,5 тонны.
Это отношение 1000 : 1 выглядит весьма обескураживающим. Легко видеть, насколько важно добиваться его уменьшения, стремиться к лучшим весовым соотношениям. И, конечно, усилия ученых и конструкторов в этом направлении будут не только не ослабевать в связи с успешным запуском первых спутников, но непрерывно возрастать. Можно предполагать, что совершенствование конструкции ракет и двигателей, применение новых, более тепло-производительных топлив, развитие приборной техники и радиоэлектроники (в особенности здесь важно применение полупроводниковых приборов, сочетающих большую надежность и простоту с ничтожными по сравнению с обычными электронными лампами размерами и весом и расходующих несравненно меньше электроэнергии) позволят уменьшить это соотношение до 200»а может быть, даже до 100. Подобное соотношение было бы замечательной победой науки и техники, значительно расширило бы возможности научного использования искусственных спутников. Вместе с тем, конечно, оно облегчило бы и путь в мировое пространство, путь к далеким мирам...
Неудивительно, что при проектировании спутника борьба ведется в буквальном смысле за каждый грамм. Так, тот же американский спутник представляет собой магниевый шар со стенками толщиной всего 0,8 миллиметра; при общем весе спутника 10 килограммов вес этого шара равен всего 1,8 килограмма.
Несмотря на такую экономию в весе, этот спутник далеко не сразу удалось запустить из-за трудностей, возникших при создании ракеты1. В основном эти трудности связаны с двигателями, в особенности с двигателем первой ступени, который должен быть весьма мощным.
1 Запуск спутника «Авангард» удалось осуществить только 17 марта 1958 года, да и то в облегченном варианте — спутник в этом случае представлял собой шар диаметром около 15 сантиметров и весом примерно 1,5 килограмма. Это был второй успешный запуск искусственного спутника в США. Первый спутник был запущен 31 января 1958 года. Он получил название «Эксплорер» («Исследователь») и представлял собой отрезок трубы диаметром примерно 150 миллиметров, длиной около двух метров и весом примерно 14 килограммов, причем на долю оборудования приходилось только 8 килограммов. Запуск этого спутника был осуществлен с помощью четырехступенчатой ракеты «Юпитер С». Первой ступенью служила модифицированная ракета с жидкостным двигателем «Редстоун», а остальные три ступени имели пороховые ракетные двигатели снаряда «Сержант». На второй ступени ракеты их было 2, на третьей — 3 и на четвертой — 1.
Тем более ошеломляющим для всей мировой науки было сообщение об успешном запуске первого советского искусственного спутника, также имеющего форму шара диаметром 58 сантиметров, но весящего 83,6 килограмма! По расчетам, опубликованным в иностранной печати, вес ракеты, с помощью которой был запущен этот спутник, должен составлять не менее 80-100 тонн.
Что же говорить о втором искусственном спутнике, запущенном в Советском Союзе 3 ноября 1957 года, и, в особенности, о третьем спутнике, запущенном 15 мая 1958 года? Ведь только вес научного оборудования, установленного на втором спутнике, равен 508,3 килограмма, а вес третьего спутника — 1327 килограммов! Если судить по лучшим зарубежным достижениям, взлетный вес ракеты, использованной для запуска этих спутников, должен составлять сотни тонн! Уменьшить этот вес можно только путем радикального усовершенствования конструкции ракет или же путем применения новых, улучшенных топлив.
Кстати сказать, запуск искусственных спутников стал возможен только после того, как у нас в стране была создана межконтинентальная баллистическая ракета, о которой говорилось в предыдущей главе как о вершине развития современной ракетной техники. Эта ракета и была использована для запуска спутников.
Несомненное превосходство советской ракетной техники, наглядно продемонстрированное перед всем миром запуском искусственных спутников, подчеркивается не только самим фактом запуска первых в мире искусственных спутников и во много раз большим весом этих спутников по сравнению со спутниками США. Об этом говорит также и сравнение орбит советских и американских спутников.
Действительно, как избрать орбиту искусственного спутника?
Прежде всего возникает вопрос о положении плоскости орбиты по отношению к плоскости экватора, а также о целесообразном месте запуска. При решении этого вопроса приходится учитывать два противоречивых требования.
Чтобы использовать скорость, которую Земля имеет в своем вращении вокруг оси, полет спутника по орбите должен осуществляться в том же направлении, что и вращение Земли, то есть с запада на восток. При таком запуске спутник «бесплатно», без затраты топлива, получает ту скорость, которой обладает точка запуска в своем вращении вокруг оси Земли, как приобретает скорость поезда выпрыгивающий из него на ходу пассажир. Максимальный выигрыш в скорости может быть при этом получен, очевидно, на экваторе — он равен 465 метрам в секунду. Чем больше географическая широта точки взлета ракеты, тем этот выигрыш меньше. Полет в противоположном направлении настолько же увеличивает необходимую идеальную скорость ракеты. При взлете с полюса направление полета, конечно, вообще не сказывается на величине идеальной скорости.
Таким образом, чтобы облегчить задачу запуска спутника, плоскость его орбиты должна быть расположена под возможно меньшим углом к экватору, а точка запуска — возможно ближе к нему.
Но при таком выборе орбиты спутника он будет пролетать над очень узкой полосой земной поверхности, расположенной у экватора. Следовательно, возможности наблюдений за спутником и со спутника будут сильно ограниченны, а ведь такие наблюдения весьма важны. Зато наилучшей в отношении наблюдений была бы полярная, или меридиональная, орбита, при которой спутник обращался бы вокруг Земли в плоскости, проходящей через полюсы, то есть по меридиану. Правда, при этом была бы полностью потеряна выгода, которую можно получить, используя окружную скорость Земли вокруг оси. Чем ближе плоскость орбиты спутника к полярной, тем больше возможности научных наблюдений с помощью спутника, но вместе с тем больше и необходимый запас топлива на ракете для достижения заданной высоты орбиты.
Плоскости орбит спутников, запущенных в США, расположены под небольшим углом к экватору, примерно 30-35°, орбиты же советских спутников расположены под углом 65° к экватору. Это значит, что запустить советские спутники было труднее, но зато больше и научное значение этих спутников1.
1 Последний спутник США «Эксплорер» имеет угол орбиты 51°, а запущенный 14 апреля 1959 года спутник «Дискаверер» — орбиту, проходящую вблизи полюсов.
Но вот плоскость орбиты избрана. Как теперь установить форму самой орбиты? Должна быть орбита круговой или эллиптической? Если будет избран эллипс, то насколько вытянутый, с какой высотой перигея и апогея, то есть наименьшей и наибольшей высотой?
Конечно, наиболее просто было бы создать спутник, имеющий круговую орбиту на высоте, как уже говорилось, не менее 200 километров. Для запуска такого спутника потребовалось бы наименьшее возможное количество топлива. Но зато срок «жизни» такого спутника был бы также наименьшим — под действием воздушного сопротивления разреженной атмосферы первоначально круговая орбита превратится быстро в спиральную, спутник будет приближаться к Земле, терять высоту. В то же время он станет двигаться во все более плотной атмосфере, оказывающей ему все большее сопротивление, что еще сильнее снизит его скорость. Наконец все туже закручивающаяся спираль приведет спутник в столь плотную атмосферу, что, ворвавшись в нее с огромной, космической скоростью, спутник превратится в метеор — он вспыхнет, испарится. Так произойдет еще одна космическая катастрофа, на этот раз — с небесным телом, созданным рукой человека.
Чтобы удлинить срок жизни спутника, целесообразно увеличить его скорость при запуске выше круговой. Ниже, в главе 15, посвященной траекториям полета межпланетных кораблей, будет показано, что в этом случае орбита спутника будет уже не круговой, а эллиптической. Высота полета спутника над Землей будет при этом все время изменяться между перигеем и апогеем. Чем больше эта избыточная скорость при запуске спутника, тем более вытянутым окажется эллипс, тем больше будет высота апогея по сравнению с высотой перигея. Это и приведет к значительному увеличению срока жизни спутника. Теперь уже воздушное сопротивление, действие которого будет проявляться в моменты полета спутника у перигея, то есть на меньших высотах, будет постепенно снижать высоту апогея1. Эллипс, который описывает спутник вокруг Земли, постепенно начнет приближаться к кругу, его вытянутость — уменьшаться. Наконец спутник выйдет на круговую орбиту, а затем, как уже было сказано, перейдет на спиральный спуск.
Так ценой затраты дополнительного топлива при запуске спутника можно увеличить высоту апогея его орбиты и, тем самым, срок его жизни. Понятно, конечно, что необходимость в дополнительном топливе усложняет ракету и увеличивает ее взлетный вес.
Как известно, первый спутник, запущенный в Советском Союзе, имел начальную высоту апогея 947 километров, второй спутник — 1671 километр, а третий спутник — 1880 километров. Следовательно, наряду со все возрастающим весом спутников увеличивалась и высота их над Землей и, соответственно, срок жизни2.
1 Высота перигея будет также уменьшаться, но в десятки раз медленнее.
2 Миниатюрный американский спутник «Авангард» достиг максимальной высоты около 4000 километров.
Следует отметить, что большая вытянутость эллиптической орбиты, большая высота апогея дает и еще одно преимущество, помимо увеличения срока жизни. Совершая свои путешествия от перигея к апогею и наоборот, спутник пересекает различные слои земной атмосферы. Так, первый советский спутник в своем движении по орбите то входил в ионосферу, то выходил из нее, а второй и третий спутники, помимо этого, выходили практически вовсе за пределы земной атмосферы. Это чрезвычайно важно для некоторых исследований, о которых ниже будет сказано подробнее, в частности для исследований космических лучей.
 На такой пусковой платформе устанавливается ракета «Авангард» перед запуском (по журналу «Миссайлз энд Рокетс», июль, 1958 г.). |
Запуск советских искусственных спутников Земли был осуществлен с помощью составной многоступенчатой ракеты. Первый спутник, имевший шаровидную форму, был помещен в носовой части последней ступени ракеты и закрыт защитным носком-конусом, сбрасываемым в полете. Вторым спутником явилась сама последняя ступень ракеты, причем в этом случае также имелся сбрасываемый носок, защищавший при полете в плотной атмосфере научное оборудование спутника от воздействия давления встречного потока воздуха и перегрева. Таким же защитным носком был снабжен и третий спутник, который, как и первый спутник, при достижении орбиты отделился от последней ступени ракеты, так называемой ракеты-носителя, но, в отличие от него, имел не шаровидную, а конусообразную форму.
Примерное общее представление об устройстве ракет для запуска искусственных спутников Земли можно получить по американской ракете «Авангард», о которой были опубликованы подробные сведения. Одним из характерных отличий этой ракеты является отсутствие у нее стабилизаторов, что делает ракету похожей на простой карандаш или, еще лучше, на винтовочный патрон с пулей. Вместо стабилизаторов и рулей ракета управляется в полете путем изменения направления реактивной тяги двигателя, для чего весь двигатель должен поворачиваться на некоторый угол — до 4-5° от оси ракеты. Такая шарнирная подвеска двигателя для целей управления была в свое время предложена Циолковским и в 1931 году практически осуществлена в Советском Союзе. В ряде случаев она оказывается более выгодной по сравнению с обычными рулями, но обладает и некоторыми недостатками. В частности, отклонение двигателя от оси ракеты может быть лишь небольшим, так как иначе сильно усложняется подвод топлива к двигателю. Но из-за этого при запуске ракеты, когда она движется еще с малыми скоростями и потому неустойчива, управление ракетой может оказаться неудовлетворительным. Считается, что первые одна — две секунды после взлета могут оказаться роковыми для ракеты, если на нее подействует сильный порыв ветра.
Для запуска ракета устанавливается на специальной пусковой платформе высотой примерно 3,5 метра. В платформе имеется канал диаметром 2,5 метра для того, чтобы отвести газы, вытекающие из двигателя первой ступени ракеты при запуске. Так как газы имеют очень высокую температуру, то канал охлаждается водой. Для всех работ по монтажу ракеты и подготовке ее к запуску стенд имеет специальную высокую башню, которая перед запуском отводится в сторону по рельсовому пути.
Как же был осуществлен запуск советских искусственных спутников?
Конечно, во всех случаях, при запуске любых искусственных спутников, без ракет не обойтись. Но принципиально возможно несколько облегчить ракетам их задачу. Так, например, первоначальный подъем ракеты на некоторую высоту можно осуществить с помощью аэростата или самолета, а конечное, последнее, ускорение спутника на орбите — путем взрыва специального заряда на ракете. Подобные проекты предлагались. Однако все они рассчитаны на запуск небольших, скорее — миниатюрных спутников. Для спутников большого размера такие методы, вероятно, не годятся, их запуск с начала до конца должен осуществляться ракетами.
Полет ракеты для доставки спутника на его орбиту во многом похож на полет обычных высотных или дальних ракет, описанных выше, в главе 6. Но полет на орбиту — не только полет на гораздо большую высоту и с гораздо большей скоростью,— он имеет и одно принципиальное отличие. Если обычные ракеты разгоняются двигателем лишь при взлете, один-единственный раз, а весь остальной полет совершают с выключенным двигателем, то запустить спутник таким образом невозможно. Чтобы создать искусственный спутник Земли, двигатель его ракеты должен работать обязательно дважды — один раз при взлете с Земли, другой — уже на орбите спутника, чтобы разогнать его до нужной орбитальной скорости.
 Траектория полета орбитальной ракеты. |
При запуске советских искусственных спутников ракета стартовала вертикально, так же, как стартуют и высотные ракеты. На некоторой высоте ось ракеты стала отклоняться от вертикали под действием органов ее управления, работавших по определенной, заранее заданной программе. Ракета стала лететь под углом к горизонту, в общем направлении на северо-восток, причем двигатель ракеты разогнал ее до скорости, необходимой для достижения нужной орбитальной высоты. Вслед за тем ракета продолжала полет уже с неработающим двигателем; за счет накопленной при разгоне скорости она по-прежнему набирала высоту. Траекторией такого безмоторного полета, своеобразного «дрейфа» в мировом пространстве, был эллипс. Наконец на высоте в несколько сот километров ракета стала лететь почти горизонтально, параллельно земной поверхности, достигнув высоты заданной орбиты спутника. Вот теперь снова понадобилась помощь двигателя ракеты, чтобы разогнать ее до нужной орбитальной скорости; как уже указывалось выше, эта скорость несколько превышала круговую на данной высоте, она равнялась примерно 8 километрам в секунду.
К моменту, когда ракета, точнее — последняя ее ступень, достигла заданной высоты и скорости полета, все топливо на ней было выработано и двигатель снова прекратил работу, теперь уже навсегда, вслед за чем был сброшен защитный конус (носок) ракеты. При запуске второго спутника, которым служила последняя ступень ракеты, этим дело и ограничилось. Когда же запускался первый спутник, то после сбрасывания защитного конуса шаровидный спутник, находившийся в передней части ракеты, был вытолкнут из нее специальным устройством с небольшой скоростью. Примерно так же обстояло дело и при запуске третьего спутника, как это показано на рисунке.
Так как все перечисленные заключительные операции производились в то время, когда последняя ступень ракеты уже летела по орбите с нужной орбитальной скоростью, то Земля сразу получала по нескольку «спутников». В их числе были собственно спутник, ракета-носитель (при запуске первого и третьего спутников) и части защитного конуса. Однако дальнейшая судьба этих «спутников» оказалась различной.
Ракета, с помощью которой были запущены спутники, состояла, как указывалось выше, из нескольких ступеней. Они по очереди отделялись и падали на Землю по мере того, как на каждой ступени вырабатывалось все топливо.
В качестве примера, иллюстрирующего полет такой составной ракеты, можно привести опубликованные расчетные данные запуска трехступенчатой ракеты «Авангард», о которой выше уже упоминалось.
Первая ступень ракеты за 114 секунд работы жидкостного ракетного двигателя, развивающего тягу более 12 тонн, поднимает всю ракету на высоту 58 километров и сообщает ей скорость 1680 метров в секунду. Затем первая ступень (длина ее 13,5 метра при общей длине всей ракеты примерно 22 метра) отделяется и падает на Землю на расстоянии примерно 450 километров от места старта. В момент отделения запускается жидкостный ракетный двигатель второй ступени, имеющей длину примерно 9,5 метра и диаметр 81 сантиметр. Двигатель второй ступени увеличивает высоту полета ракеты до 210 километров и скорость до 4900 метров в секунду.
После остановки двигателя второй ступени из-за выработки всего запасенного на ней топлива ее тоже следовало бы отделить — ведь она теперь только мешает. Однако на самом деле вторая ступень не будет отделена, она будет продолжать полет вместе с третьей ступенью вплоть до достижения высоты орбиты. Это объясняется тем, что на второй ступени находятся все приборы управления полетом ракеты. Установить их на небольшой третьей ступени оказалось невозможным — слишком мала последняя ступень ракеты «Авангард». Конечно, на ракете больших размеров можно было бы все сделать иначе.
 Схема отделения третьего советского спутника от ракеты-носителя. |
Ракета с неработающим двигателем продолжает полет до высоты примерно 480 километров. Управление полетом ракеты на этом участке осуществляется с помощью небольших ракетных двигателей, струи газов из которых вытекают в боковом направлении. Одновременно третья ступень с установленным на ней спутником раскручивается вокруг своей оси с тем, чтобы потом, после отделения второй ступени, вращение третьей ступени обеспечивало устойчивость ее в полете.
Когда ракета достигает заданной высоты (480 километров), вторая ступень отделяется и падает (вероятно, в Атлантический океан). Включается пороховой ракетный двигатель последней, третьей ступени, который разгоняет эту ступень вместе с установленным на ней спутником до заданной круговой скорости. Защитный носок ракеты, закрывающий спутник, сбрасывается, и спутник выталкивается из ракеты-носителя.
После запуска спутник начинает неутомимо накручивать на старушку Землю бесконечные витки своих спиралеобразных орбит.
Но почему спиралеобразных? Ведь орбиты спутников — это гигантские эллипсы. При чем же здесь спираль?
 Траектория запуска ракеты «Авангард»  Такие кривые выписывал первый советский спутник над земной поверхностью в течение суток. |
Действительно, орбиты советских спутников очень близки к эллипсам и в первом приближении могут быть приняты за эти геометрические фигуры. Относительно звезд их эллиптические орбиты остаются почти неподвижными1. Но ведь сама Земля вращается вокруг своей оси, и, очевидно, над земной поверхностью спутники будут двигаться по какой-то сложной кривой. Если бы Земля не вращалась, то спутники проходили бы все время над одними и теми же географическими пунктами. Из-за вращения Земли советские спутники видны из самых различных мест на земной поверхности, лежащих между северным и южным полярными кругами. Если соединить на карте те города, над которыми проходили спутники в соответствии с их абсолютно безошибочными «расписаниями», публиковавшимися в советских газетах, то получатся какие-то странные зигзагообразные линии. Но в действительности трассы спутников на земной поверхности представляют собой очень плавные кривые, похожие на так называемые синусоиды. Вблизи экватора широта спутника над Землей меняется быстро, его трасса наклонена под большими углами к меридианам. Чем дальше от экватора, тем меньше этот угол, пока, наконец, кривая трассы не касается 65-й параллели и не поворачивает назад, снова к экватору.
1 В действительности они не неподвижны (см. ниже).
Так как Земля совершает один оборот вокруг своей оси за 24 часа, а спутник один оборот вокруг Земли — примерно за 1½ часа, то за сутки спутник успевает обежать вокруг Земли примерно 16 раз. Это значит, что он «прочертит» на земной поверхности 16 витков своей спиралеобразной трассы. Каждый следующий виток смещен на запад по отношению к предыдущему на 24° по долготе. Это составляет примерно 2500 километров в экваториальной области и примерно 1500 километров на широте Москвы. Вот на такое расстояние и должен был бы перенестись за полтора часа наблюдатель (как видно, тут потребовался бы реактивный самолет!), если бы он снова захотел оказаться как раз под спутником.
Конечно, эти расчеты приближенны. Чтобы точно установить, над каким местом земной поверхности будет проходить спутник в заданное время, нужно учесть и то, что скорость движения спутника по его орбите не остается постоянной, и то, что положение самой орбиты в пространстве, то есть по отношению к звездам, тоже не остается неизменным: плоскость орбиты, оказывается, медленно поворачивается вокруг полярной оси земного шара (так называемая прецессия орбиты). Все это и учитывается, когда составляется точное «расписание» движения спутников.
К сожалению, увидеть спутник, даже если он проходит над самой головой, можно далеко не всегда. Дело тут, конечно, вовсе не в одной только облачности. Даже когда небо абсолютно чистое, мы можем видеть быстро пересекающую его искусственную звездочку лишь в определенные моменты: утром — до восхода солнца и вечером — после его захода. Днем тоненький лучик, идущий к нашему глазу от искусственного спутника, затеряется в массе солнечных лучей— спутник будет невидим. Невидим он будет и ночью — ведь спутник сам не светится, он лишь отражает падающие на него солнечные лучи, а ночью спутник оказывается в огромном конусе тени, отбрасываемой земным шаром. Только утром и вечером, когда на небосводе солнца не видно, а мчащийся на высоте в сотни километров спутник освещен его горячими лучами, можно стать свидетелем незабываемого зрелища — увидеть искусственную звезду, мчащуюся среди мерцающих неподвижных звезд небосвода1.
1 Интересно, что возможны такие дни, когда спутник не виден нигде на земном шаре. Такое «исчезновение» спутника отмечено, в частности, в период с 29 января по 2 февраля 1958 года, когда ни с одной точки земной поверхности не был виден второй советский спутник. Это было связано с тем, что в эти дни орбита спутника проходила в зоне сумерек, то есть у самой плоскости, делящей земной шар на две части — дневную и ночную. С дневной стороны спутник не был виден на фоне яркого неба, с ночной — спутник был повернут к наблюдателям своей неосвещенной стороной.
Правда, первый советский спутник можно было видеть лишь с помощью сильного бинокля или подзорной трубы — это была слабая звездочка примерно пятой или шестой звездной величины. Зато ракеты-носители этого и третьего спутников, а также второй и третий спутники, имеющие гораздо большие размеры, были отчетливо видны как яркие желтоватые звезды, стремительно движущиеся по небу. На всех континентах, во всех странах люди следили за этими посланцами человечества в Космос, за этими «филиалами» Земли в небе.
Во многих случаях можно было видеть, как пролетавшая в небе искусственная звезда довольно резко меняла свой блеск, становилась более или менее яркой. Это было связано с тем, что ракета-носитель первого спутника, второй и третий спутники, которые имели несимметричную геометрическую форму, меняли свою освещенность в результате вращения вокруг центра тяжести. Значит, искусственные спутники обладали и этим движением, свойственным спутникам природным.
Научное значение первых искусственных спутников Земли поистине неоценимо. Не только астронавтика, но и многие «земные» науки сделают гигантский шаг вперед, опираясь на результаты наблюдений, произведенных с помощью спутников. Можно не сомневаться, что, несмотря на свои относительно небольшие размеры, спутники оправдают очень большие надежды ученых. Вот уж действительно — мал золотник, да дорог! Понятно, почему так велико научное значение первых спутников Земли. Ведь только они позволили ученым впервые перенести приборы с Земли на другое небесное тело. Это неизмеримо расширило возможности научных исследований, позволило осуществить научные наблюдения, принципиально не осуществимые с Земли.
И, пожалуй, самым первым по научному значению из всех приборов первого советского спутника следовало бы назвать прибор, который на этом спутнике вовсе не установлен! Ничего удивительного в этом нет, ибо речь идет о приборе, которым является... сам спутник, само это крошечное небесное тело, созданное советскими людьми.
Для науки чрезвычайно ценно уже одно только то, что в небе появились другие небесные тела, другие спутники Земли, помимо извечного ее спутника — Луны. Но еще более ценно то, что эти новые спутники во многом отличны от Луны, что они имеют несравненно меньшие размеры, чем Луна, обращаются вокруг Земли на несравненно меньших расстояниях и имеют соответственно меньший период обращения. Вследствие этих отличий на движении искусственных спутников, которое подчиняется, естественно, тем же законам, что и движение Луны, будут сильно сказываться многие факторы, практически не сказывающиеся на движении Луны. Будет сказываться, конечно, и то очень важное обстоятельство, что искусственные спутники движутся в иной плоскости вокруг Земли, чем плоскость движения Луны.
Вот почему искусственные спутники и являются очень ценными научными приборами. Изучая особенности их движения, можно сделать научные выводы большой важности. Так, например, неизмеримо сильнее, чем на движении Луны, будут сказываться на спутниках такие особенности Земли, как ее сплющенность, то есть отличие от правильной геометрической формы шара, (истинная форма земного шара — геоид — близка к эллипсоиду вращения), или же неоднородность ее строения, то есть неравномерное размещение масс внутри земной коры. Из-за этих особенностей Земли орбита искусственного спутника не будет точно круговой или эллиптической, она будет, как говорят, искажена. Кроме того, она не будет занимать фиксированного положения в пространстве (не будет перемещаться параллельно самой себе), а будет вращаться по сложным законам. Естественно, что по этим причинам будет изменяться и скорость движения спутника по орбите.
Значит, точно измеряя эти, как их называют, возмущения орбиты искусственного спутника, можно судить о вызывающих их причинах. Таким методом можно, например, определить точную форму или, как говорят, фигуру Земли, проверив заодно и другие, используемые в настоящее время методы. Этим будет оказана большая помощь геодезии — науке об измерении Земли и картографии — карты станут более точными. В частности, можно будет гораздо точнее, чем теперь, установить расстояние между земными материками и, наконец, выяснить, действительно ли перемещаются материки, как это предполагается некоторыми учеными, и если да, то как именно. Или, например, можно будет судить о неравномерностях строения земной коры, что может принести большую пользу геологии. В частности, с помощью таких гравиметрических наблюдений (то есть наблюдений за изменением силы тяжести в разных точках земной поверхности) могут быть обнаружены новые месторождения полезных ископаемых.
Наблюдая за орбитой искусственного спутника, можно сделать и еще один вывод, имеющий огромное значение для науки. Особенно важен этот вывод, в частности, потому, что никаким другим способом наука пока получить его не в состоянии. Речь идет об определении плотности воздуха в верхних слоях атмосферы, на границе ее с мировым пространством. Это конечно, имеет далеко не один только академический интерес. На такие огромные высоты уже забираются автоматические ракеты; за первыми спутниками появятся и другие, на разных высотах; недалеко то время, когда там будут летать и люди. А ведь впереди — межпланетный полет, при котором, конечно, корабль должен пересечь всю атмосферу, снизу доверху. И для всего этого совершенно необходимо точное знание плотности и других свойств атмосферы на всем ее протяжении — иначе нельзя точно рассчитать полет, а без такого расчета нельзя быть до конца уверенным в его успехе.
Но как же можно узнать с помощью спутника, какова плотность тех крайне разреженных слоев атмосферы, в которых он движется? Должны ли для этого находиться на спутнике какие-нибудь приборы, измеряющие плотность воздуха и сообщающие результаты своих измерений на землю?
Нет, необходимости в таких приборах в этом случае, к счастью, нет1. Задача может быть решена и без них. Для этого, как указывалось выше, требуются лишь тщательные наблюдения за движением спутника: он сам снова становится измерительным прибором. Все дело в том сопротивлении, которое оказывает спутнику воздух, в котором он движется.
1 На третьем советском спутнике были установлены приборы для непосредственного измерения плотности атмосферы.
Как известно, воздух оказывает сопротивление всякому движущемуся в нем телу. Это так называемое аэродинамическое сопротивление зависит от плотности воздуха, оно тем больше, чем больше эта плотность. Конечно, спутники движутся в самых верхних, крайне разреженных слоях атмосферы, где плотность ничтожно мала, но все же и этот воздух оказывает сопротивление движению спутника, правда, сопротивление очень небольшое. Измеряя это сопротивление, можно довольно точно определить плотность земной атмосферы на огромных высотах.
Но разве возможно измерить аэродинамическое сопротивление спутника в его полете по орбите? На первый взгляд это представляется еще гораздо более трудной задачей, чем непосредственное измерение плотности воздуха. Ведь для измерения этого сопротивления при испытаниях самолетов или их моделей в аэродинамических трубах служат специальные высокоточные аэродинамические весы, самописцы и другие приборы. Что же заменит их в данном случае?
Вот тут-то и появляется на сцену сам спутник как высокочувствительный измерительный прибор. Дело в том, что орбита спутника очень чутко реагирует на его скорость, даже ничтожное изменение скорости ощутительно изменяет орбиту. Поэтому точные измерения орбиты позволяют судить об изменении скорости движения спутника, а значит, и о величине воздушного сопротивления, которая, как указывалось выше, прямо пропорциональна плотности воздуха.
Кстати, в значительной мере именно из-за этого использования аэродинамического сопротивления спутника для определения плотности атмосферы в ее верхних слоях первому советскому спутнику была придана шаровая форма. Аэродинамическое сопротивление шара изучено лучше, чем других тел. Кроме того, как бы шар ни вертелся в полете, он все равно остается шаром. А представьте себе спутник в виде цилиндра. Летит такой цилиндр вокруг Земли и при этом поворачивается то одним боком, то другим. Ведь так и обстояло дело, например, со вторым советским спутником, яркость которого, как и яркость ракеты-носителя первого спутника, менялась в полете. Но понятно, что каждому положению цилиндра будет соответствовать свое сопротивление. Как же тут разобраться, какова истинная величина этого сопротивления, чтобы по ней определить плотность воздуха? Тут можно сильно ошибиться...
Как же должно влиять на орбиту искусственного спутника сопротивление атмосферы? Хорошо известно, что сопротивление воздуха мешает полету самолета, тормозит его. Если бы на самолете не было двигателя, то скорость его полета под действием этого сопротивления непрерывно уменьшалась бы. Значит, и скорость спутника должна постепенно уменьшаться, ведь на спутнике нет двигателя, который мог бы восстановить потерю скорости. Но в действительности скорость спутника, как показали наблюдения за первыми советскими спутниками, не только не уменьшается, а непрерывно возрастает!
Чем же объяснить этот парадокс, это кажущееся противоречие?
Оно объясняется тем, что, как и следовало ожидать, все-таки существует «двигатель», вызывающий этот неожиданный рост скорости спутника. Таким двигателем является Земля, сила ее тяготения. Как только скорость спутника под влиянием воздушного сопротивления оказывается меньшей, чем это требуется для полета по данной орбите, он под действием притяжения к Земле начинает двигаться по другой орбите. Новая орбита отличается от исходной, главным образом, высотой своего апогея — она уменьшается; высота перигея тоже уменьшается, но неизмеримо медленнее. Значит, эллипс становится менее вытянутым, он приближается к кругу. Средняя же скорость спутника по всей орбите не только не уменьшается, но даже возрастает — сказывается снижение спутника, его падение в поле земного тяготения (в то же время максимальная скорость спутника, то есть его скорость в перигее, при таком торможении спутника уменьшается, что очень важно для посадки межпланетного корабля, о которой будет идти речь в главе 17).
Чем сильнее влияет воздушное сопротивление на движение спутника, тем значительнее его снижение и больше рост средней скорости движения. В итоге же уменьшается период обращения спутника вокруг Земли — и потому, что уменьшается проходимый за каждое обращение путь, и потому, что свой путь спутник проходит с большей скоростью. Наблюдая за тем, как уменьшается период обращения спутника, можно судить о величине воздушного сопротивления и, значит, о плотности воздуха на тех высотах, где движется спутник.
Именно из-за воздушного сопротивления оказалась различной судьба первого советского спутника и его ракеты-носителя. Вначале, когда спутник был вытолкнут из ракеты-носителя, он ушел вперед километров на тысячу. Однако потом, под действием воздушного сопротивления, значительно большего для ракеты-носителя1 ракета начала постепенно нагонять спутник. Примерно через 5 дней она уже догнала спутник и стала все быстрее удаляться от него, приближаясь вместе с тем к Земле. Когда спутник совершил 500 оборотов вокруг Земли, то ракета-носитель обогнала его уже на целых два оборота, совершив за это же время 502 оборота. 2 декабря 1957 года ракета-носитель обогнала спутник уже на 12 оборотов — она сделала 900 оборотов, тогда как спутник — 888 оборотов вокруг Земли. Вслед за этим ракета-носитель вошла в наиболее плотные слои атмосферы и через два месяца после запуска перестала существовать — отдельные оплавленные части ее упали на территории Аляски и западного побережья США. Спутник же по-прежнему продолжал полет вокруг земного шара и 9 декабря завершил 1000-й оборот вокруг него, пройдя путь в 43,2 миллиона километров. Он прекратил свое существование примерно через месяц после гибели ракеты-носителя, 4 января 1958 года, совершив за 3 месяца 1400 оборотов вокруг Земли и пройдя путь около 60 миллионов километров.
1 Торможение в атмосфере, связанное с ее сопротивлением, зависит от так называемой поперечной нагрузки движущегося тела — отношения его веса к площади поперечного сечения. Чем меньше поперечная нагрузка, то есть чем меньше вес, приходящийся на единицу поперечного сечения, тем сильнее торможение. Поперечная нагрузка ракеты-носителя значительно меньше, чем у спутника.
Падение спутника сквозь наиболее плотные нижние слои атмосферы, когда он из-за аэродинамического нагрева раскаляется докрасна, превращаясь в болид, разрушаясь и частично испаряясь, представляет исключительно большой интерес для науки. Ведь недалек тот момент, когда не только искусственные спутники совершат посадку на Землю, но и отправится в полет первый межпланетный корабль с людьми на борту, а он, естественно, должен совершить безопасную посадку при возвращении на Землю. Вот почему так важны наблюдения за спутником в последние часы его существования: наука извлекает пользу и из самой гибели созданного людьми искусственного небесного тела. К сожалению, эта задача очень сложна, и до сих пор тщательно проследить за падением спутников не удалось.
Понятно, что для всех наблюдений, связанных с измерениями орбиты спутника, эти измерения должны быть очень точными. Но даже при наличии подобных измерений получение нужных результатов весьма не простое дело. Так, например, задача определения плотности воздуха на больших высотах по скорости снижения спутника гораздо сложнее, чем описано выше. Ведь при этом приходится учитывать, что причиной снижения спутника может быть не только воздушное сопротивление, но и другие явления, например так называемое приливное действие Земли. Необходимо считаться также с давлением солнечных лучей на спутник. Примерный расчет показывает, что при круговой орбите на высоте 500 километров это давление примерно сравнивается по величине с аэродинамическим сопротивлением, оказываемым спутнику разреженной атмосферой, в которой он движется. Давление солнечного излучения может тормозить спутник, а может и создавать небольшую движущую силу — в зависимости от того, как избрана орбита спутника. По проекту, разработанному во Франции, использование солнечного давления на небольшой искусственный спутник с такой высотой круговой орбиты может полностью компенсировать различные тормозящие действия на спутник и, следовательно, сделать продолжительность жизни спутника практически неограниченной. Конечно, создать подобный «тысячелетний» спутник можно и простым увеличением высоты орбиты.
 Наблюдатели Пулковской обсерватории Академии наук СССР готовы отметить момент пролета спутника. Для удобства наблюдений телескопические трубки AT-I снабжены зеркалом, в котором отражается сравнительно большой участок неба. Это позволяет смотреть вниз, а не вверх.  Снимок ракеты-носителя первого советского спутника, сделанный 10 октября 1957 года в Пулковской обсерватории с помощью короткофокусного астрографа. Разрыв светящегося следа ракеты сделан для определения момента пролета. Звезды на снимке вышли в виде коротких черточек, а не точек, что объясняется длительностью выдержки при съемке. |
Чтобы точно установить закон движения спутника по орбите, необходимы тщательные определения положения спутника на небе в каждый данный момент. Наблюдению за движением спутников у нас в стране уделено большое внимание. Основная роль при этом возложена на специальные станции наблюдения, организованные в разных пунктах страны. Станции снабжены специальными телескопическими широкоугольными трубками, с помощью которых создаются «оптические барьеры» на небе. Трубки располагаются по прямой перпендикулярно ожидаемому направлению полета спутника, а иногда также и по меридиану. Момент пересечения спутником этой невидимой прямой, фиксируемый одним из наблюдателей, отмечается с помощью точных часов. Чтобы облегчить такие же наблюдения, ведущиеся многими астрономами-любителями, по радио каждый час передаются сигналы точного времени.
Исключительно большое значение имеют фотографические наблюдения за спутниками, доступные не только специальным обсерваториям, но и каждому любителю, обладающему фотоаппаратом. Четкие снимки пролетающего спутника в виде яркой полоски, пересекающей небо, с отметкой времени пролета (например, путем разрыва этой полоски перекрыванием объектива) могут принести особенно большую пользу.
Но, конечно, ограничиться только оптическими наблюдениями нельзя. Ведь большую часть суток пролетающий в небе спутник невидим. Поэтому очень важны радиолокационные наблюдения, осуществляемые с помощью особых, весьма сложных установок, так называемых радиолокационных телескопов.
Однако подобные установки еще весьма немногочисленны. Вот почему важно было создать спутник не «пассивный», а «активный», способный передавать на Землю и сообщения о своем местонахождении на небе, и, если можно, другие важные сведения. Как известно, уже первый советский спутник был именно «активным» спутником.
На первом советском спутнике были установлены две передающие радиостанции, работавшие на волнах длиной 7,5 и 15 метров. Вот почему этот спутник был снабжен двумя парами усов-антенн длиной 2,4-2,9 метра. На нем были установлены также и источники электрического тока, необходимые для работы радиостанций. В течение трех недель весь мир слушал сигналы этих станций. Их удавалось принимать на расстоянии до 10 тысяч километров от спутника.
Работа радиостанций на спутнике имела огромное значение и для изучения электрического потолка земной атмосферы — ионосферы. Ведь до сих пор ее изучение осуществлялось с помощью радиоволн, которые излучались с поверхности Земли и отражались различными слоями ионосферы; по характеру этого отражения можно было судить о свойствах ионосферы. Самые отдаленные слои ионосферы удавалось «прощупывать» таким образом лишь с трудом, а может быть, и вовсе не удавалось — по существу, не было известно, где находится верхняя граница ионосферы. Спутник дал возможность посылать радиосигналы из разных точек ионосферы и из областей, лежащих выше нее.
Ценность радиозондирования ионосферы значительно увеличивалась тем, что спутник излучал радиоволны двух различных частот. Накопленные за время работы раций первого спутника сведения, а также сведения, полученные в результате запуска второго и третьего спутников, будут подвергнуты тщательному изучению и помогут не только установить свойства ионосферы, но и улучшить на этой основе дальнюю радиосвязь. Они будут иметь также большое значение при решении проблем радиосвязи с будущими межпланетными кораблями. Еще большее значение для этой цели имеет, конечно, ценнейший опыт, полученный при приеме сигналов радиостанций первой советской космической ракеты, ставшей спутником Солнца. Ведь это были сигналы первого настоящего межпланетного корабля!
При приеме на слух посылаемые первым спутником радиосигналы казались совершенно одинаковыми короткими звуками «пип-пип» (посылаемые спутником сигналы имели вид телеграфных посылок длительностью 0,3 секунды с паузами такой же продолжительности). Однако в действительности чередующиеся с паузами посылки были вовсе не одинаковы. Иногда они становились длиннее, иногда короче. Это вызывалось тем, что на основные сигналы постоянной частоты и длительности накладывались другие сигналы — зашифрованные показания установленных на спутнике приборов.
Принятые земными наблюдательными станциями сигналы спутника записывались и затем расшифровывались. Такая система передачи показаний приборов называется радиотелеметрической. С ее помощью регистрировались, в частности, давление и температура азота, заполняющего шаровидный спутник.
 Первый советский искусственный спутник Земли. |
Но зачем же в спутнике находился азот?
Прежде всего, он создавал давление внутри герметического шара-спутника. Легко видеть, что это необходимо и для работы приборов спутника, и для уменьшения толщины его стенок. Но не менее важна и вторая роль азота: она связана с регулированием температурного режима спутника.
Двигаясь по своей орбите, спутник то нагревался палящими лучами Солнца, то замерзал, когда для него наступало «солнечное затмение», то есть когда он попадал в конус земной тени. Температура спутника при таких переходах может измениться более чем на 200-250° С. Может быть, это было бы и не страшно для металлического шара, но заведомо недопустимо для различного научного оборудования, размещенного внутри шара. Поэтому возникла острая необходимость регулировать температуру спутника.
 Записанные радиосигналы первого советского спутника. Как видно, они не совсем одинаковые. |
Задача эта оказалась очень нелегкой и, главное, совершенно новой — ведь еще никому до сих пор не приходилось регулировать температуру какого-нибудь... небесного тела. А спутник является как раз именно таким телом, его температура определяется лучистым теплообменом с окружающим пространством. Поэтому поверхности спутника были приданы определенные свойства в отношении поглощения и излучения лучистого тепла. Но этого мало. При тепловых расчетах спутника приходилось учитывать и выделение тепла внутри него, как это имеет место, допустим, внутри земного шара. Только Земля подогревается изнутри теплом радиоактивного распада калия, урана и других веществ, а спутник — теплом, выделяющимся в результате работы установленного на нем научного оборудования и радиостанций.
Продолжая эту аналогию между Землей и нашим искусственным спутником, можно было бы указать и еще некоторые сходства и различия. Так, в отличие от Земли, мчащейся в безвоздушном пространстве, спутник движется в земной атмосфере, хоть и очень разреженной. Это заставляет учитывать и некоторое количество тепла, которое спутник получает в результате трения о воздух. С другой стороны, Земля обладает замечательным механизмом для выравнивания температуры по всей ее поверхности — атмосферой. Такой атмосферы спутник лишен. Впрочем, почему лишен?
Вот тут-то мы и встречаемся со второй функцией азота, заполняющего спутник. Если нельзя создать атмосферу, окружающую спутник, то почему бы не устроить ее... внутри спутника? Ведь подобная атмосфера тоже может выравнивать температуру на спутнике. И вот наш спутник приобретает азотную «атмосферу». Но если мы еще пока не в силах управлять ветрами в земной атмосфере и только мечтаем об этом, то никто не мешает нам организовать «ветры» в азотной атмосфере спутника наилучшим образом, чтобы приборы внутри спутника находились в наиболее благоприятных условиях. Вот почему азот в спутнике циркулирует по заданным путям с помощью специальных устройств. Это тоже была нелегкая задача.
Глядя на модель первого советского спутника — блестящий металлический шарик с усами антенн, — впервые показанную на Всесоюзной промышленной выставке, не просто было представить себе все трудности, которые пришлось преодолеть при его создании, все проблемы, которые пришлось решить. Но, конечно, самая большая, самая главная трудность заключалась в том, чтобы доставить этот скромный на вид и такой замечательный по существу шарик на его головокружительную орбиту. Для этого мало было даже создать невиданную, не существующую нигде за рубежом сверхвысотную ракету. Нужно было научиться управлять ракетой так, чтобы она прочертила в мировом пространстве точно предопределенный ей путь.
Долгие месяцы, если не годы, рассчитывали бы ученые этот путь, если бы не прибегли к помощи совершенных электронных счетных машин, — без них такие расчеты были бы вряд ли возможны. Сколько самых различных обстоятельств и влияний пришлось учитывать при выполнении этих расчетов! И вот ракета взлетела. Одно — два неучтенных обстоятельства, выходящая за рамки допустимой производственная погрешность, ничтожная неточность в работе, одна из сотен возможных случайностей — и весь огромный труд пойдет насмарку, ракета не выйдет на заданную орбиту.
Ведь стоит ошибиться в величине конечной скорости ракеты на заданной высоте орбиты на два — три десятка метров в секунду — это при скорости-то в 8 километров в секунду! — и высота спутника над Землей изменится на добрую сотню километров. На столько же изменит положение орбиты спутника и ничтожное, в один градус, изменение направления конечной скорости вверх или вниз. Мы уже не говорим о таких ошибках, которые приводят к гибели ракеты...
Запуск первого советского спутника удалось осуществить сразу, без каких бы то ни было репетиций, и он полностью подтвердил все предварительные расчеты ученых, показал безупречную работу всех двигателей, механизмов, устройств, приборов. Ракета вышла абсолютно точно на заданный курс, спутник стал обращаться вокруг Земли по строго указанной ему орбите. Это поистине блестящий, невиданный успех советской науки и техники!
Конечно, второму советскому спутнику было намного легче — ведь дорожка в Космос была уже проторена, второй раз — не первый! Но зато ему было и много трудней. Достаточно вспомнить хотя бы о том, что он весил в 6 раз больше — только вес его оборудования превосходил полтонны. И вместе с тем забрался этот спутник почти на тысячу километров выше. Но, пожалуй, самое большое его отличие от первого спутника заключается в количестве установленного научного оборудования. Второй спутник — это уже целая научно-исследовательская лаборатория в Космосе.
Все научное оборудование второго спутника установлено непосредственно на ракете-носителе, а не на особом шаровидном спутнике. Это объясняется, главным образом, тем, что задача определения плотности воздуха на больших высотах уже не являлась здесь основной, так что второй спутник мог быть и не шаровым. С другой стороны, расположить все научное оборудование второго спутника в шаре было практически невозможно, такой шар получился бы несоразмерно большим. Вместе с тем, чтобы увеличить срок жизни второго спутника, его орбита была повышена, да и, как оказалось, даже на меньших высотах, соответствующих полету первого спутника, срок жизни ракеты-носителя достаточно велик.
На втором спутнике имелся и шар, похожий на шаровидный первый спутник. В этом шаре были расположены радиостанции с источниками питания, различные измерительные приборы, система циркуляции газа. Радиостанции спутника работали на волнах 7,5 и 15 метров, но на этот раз передачи на волне 15 метров велись, как и раньше, в виде телеграфных посылок длительностью 0,3 секунды с такими же паузами, тогда как станция на волне 7,5 метра излучала сигнал непрерывно. Большая мощность радиопередатчиков позволяла принимать их сигналы на расстояниях до 15 тысяч километров, а в некоторых случаях эти сигналы обходили даже вокруг земного шара.
Спереди, на силовой раме, предназначенной для крепления научной аппаратуры, была установлена «солнечная лаборатория» спутника для исследования коротковолнового солнечного излучения — ультрафиолетового и рентгеновского. О том, что Солнце испускает, кроме видимого света, и такие лучи, стало известно только в последние годы в результате исследований, произведенных с помощью высотных ракет. Эти коротковолновые лучи могут быть обнаружены лишь на огромных высотах, куда залетают ракеты. На меньших высотах и у земли такие лучи в солнечном спектре не обнаруживаются, они полностью поглощаются вышележащими слоями атмосферы; земной поверхности достигают лишь наиболее длинноволновые ультрафиолетовые лучи, непосредственно примыкающие к фиолетовой части спектра. Объясняется это тем, что коротковолновое излучение Солнца обладает чрезвычайно большой активностью и потому вступает во взаимодействие с верхними слоями атмосферы, вызывая ионизацию молекул воздуха. Ученые считают, что коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца (большая часть этого излучения испускается атомами водорода в хромосфере Солнца и соответствует длине волны 1215 ангстрем) и рентгеновское излучение солнечной короны (так называемые мягкие рентгеновские лучи с длиной волны 3-100 ангстрем) являются главной причиной образования ионосферы.
Схема устройства второго советского искусственного спутника Земли.
Хотя общая энергия коротковолнового излучения Солнца очень мала сравнительно с энергией излучаемого им видимого света, однако оно оказывает исключительно большое влияние на земную атмосферу. Уже одно это делает чрезвычайно ценным его изучение. С другой стороны, коротковолновое излучение рождается малоизученными внешними слоями солнечной атмосферы — хромосферой и короной, что только усиливает интерес к нему. Наконец, установлено, что усиление солнечной активности, связанное с появлением так называемых хромосферных вспышек, неизменно приводит к интенсивным процессам в ионосфере, результатом которых являются, в частности, нарушения радиосвязи. Это делает особенно важным как с теоретической, так и с практической точек зрения согласованное изучение ионосферных процессов, солнечной активности и коротковолнового солнечного излучения. Именно для этих целей более всего подходит «солнечная лаборатория» на спутнике, работающая параллельно с земными станциями «службы Солнца».
«Солнечная лаборатория» спутника состояла из трех одинаковых приборов, так называемых фотоумножителей. Три прибора нужны были для того, чтобы один из них был всегда направлен на Солнце при вращении спутника (приборы были расположены под углом 120° друг к другу). Энергия солнечного излучения, проникающего в фотоумножитель, преобразовывалась в электрические сигналы, интенсивность которых была пропорциональна этой энергии; затем сигналы усиливались, зашифровывались и передавались земным наблюдательным станциям радиотелеметрической системой спутника.
назад