 Заботы космического архитектора |
39.6
Ш55
ХУДОЖНИК А. БЕЛОВ
| Ш | 4802020000-246 М101(03)82 | 48Р-81 |
По многообразию решаемых задач конструктора летательных аппаратов можно сравнить с архитектором. Архитектору приходится определять и внешний вид всего здания в целом, и расстановку колонн на фасаде, и расположение внутренних помещений, задавать форму купола, выбирать материал облицовки, заказывать специальную мебель. Он следит, чтобы здание вписывалось в окружающий пейзаж — городской или сельский, планирует основные транспортные пути в новом микрорайоне. Так и конструктор. Все в его ведении — от малого до великого, от внешних обводов аппарата до формы и материала крепежных болтов и кронштейнов.
— Артем Иванович, что в конструкторском деле главное? — не раз спрашивали журналисты Микояна.
— Умение мечтать! — неизменно отвечал им создатель прославленных МИГов.
В словах этих нет ни преувеличения, ни нарочитости. При конструировании летательных аппаратов никак не обойтись без мечты и фантазии. А как без помощи воображения вымыслить небывалую конструкцию, работа которой должна протекать в невиданных ранее условиях? Скажем, в таком глубоком вакууме, что сами собой свариваются соприкасающиеся металлические поверхности, в таком тепловом режиме, когда температура колеблется от стоградусного холода до стоградусной жары. И где не укрыться от всепроникающей радиации, вызывающей непредсказуемые изменения в материалах и приборах.
Вы, конечно, догадались, что речь идет о космических аппаратах. Их создателям чаще чем кому бы то ни было приходится прибегать к услугам своего воображения. «Мысль, фантазия, сказка. Далее расчет и, наконец, исполнение»— таковы, по мнению Сергея Павловича Королева, этапы рождения нового. От сказки и фантазии отталкивается космический конструктор в своем творчестве, полету космического корабля всякий раз предшествует полет воображения.
Но вымысел так и останется вымыслом, если не подкрепить его инженерным расчетом, если не отделить все истинно ценное и плодотворное от несвоевременного или попросту несбыточного. И тут вступают в свои права опыт, мастерство и интуиция конструктора. Он должен проявить несовместимые, казалось бы, качества — трезвую реалистичность и дерзновенную фантазию. Таким был С. П. Королев, реальный фантаст, создатель первых искусственных спутников и космических кораблей. «Он обладал громадным даром и смелостью научного и технического предвидения, и это способствовало претворению в жизнь сложнейших научно-технических замыслов», — писал о нем академик М. В. Келдыш. А первый ученый-космонавт К. П. Феоктистов прямо говорит: «Королев — это сплав холодного рационализма, напора и мечтательности».
Далеко не все конструкторы наделены таким необычным сочетанием качеств. Поэтому не всякая их мечта воплощается в металле, не всякая их фантазия претворяется в конструкцию. Если переворошить кипы толстых технических журналов за многие годы, перелистать солидные научные монографии за последние десятилетия, можно найти немало отвергнутых проектов и забракованных идей. Но эти проекты и идеи не просто жертвы неумолимой статистики: мол, непременно на каждый удачный замысел должно быть какое-то число неудачных. Нет, за этим статистическим раскладом скрываются более глубокие причины. Зачастую отвергнутым оказывается то, что представляется слишком необычным даже специалистам по космической технике, кудесникам XX века. В стремлении преодолеть встретившиеся им трудности авторы проектов, как говорится, шагнули слишком далеко. И вот проект становится уже не решением проблемы, а пародией на такое решение. Сказочного в нем больше, чем осуществимого, воображение оторвалось от действительности.
Однако именно в этих неосуществленных конструкторских мечтах и замыслах мы можем увидеть самые сокровенные проблемы космонавтики наших дней. Ведь по тем проектам, которые удались, ничего не скажешь о том, что сейчас заботит и тревожит космических конструкторов. А здесь это проявляется особенно ярко. Поэтому не будем торопиться каждую конструкторскую диковинку объявлять безнадежно отвергнутой. Если вглядеться внимательно в сегодняшние космические корабли и орбитальные станции, немало отыщешь в них такого, что еще вчера считалось неприемлемым и сказочным. Необычное становится со временем нормой космической техники. Кто знает, не будет ли завтра привычным и обыденным то, что ныне кажется нам нереальным? Быть может, не успеет просохнуть типографская краска на этих страницах, как что-то из «диковинного» уже перекочует в конструкторские бюро и производственные цехи, станет явью космических будней.
акой, по вашему мнению, инструмент для космического конструктора самый важный? Хочу предупредить заранее, что угадать нелегко. Назовете вы циркуль, линейку или рейсфедер — все не то. Без них, конечно, не обойдешься в конструкторском бюро, не спроецируешь конструкторскую мысль на лист ватмана. И все же не они определяют правильность решения, принятого конструктором, не они возвещают об успехе осенившей его идеи. Между тем есть такой прибор, который без промедления скажет, чего стоит новая космическая «машина». Прибор этот — весы, настоящие весы, на которых взвешиваются воплощенные в металле конструкторские замыслы.
Проектируя любое инженерное сооружение, конструктор непременно задумается о весе. Он постарается сделать так, чтобы его творение было не только надежным и прочным, но и в меру легким. Но нигде вес не имеет такого большого значения, как в космической технике. Почему? Вы это поймете сами, когда присмотритесь к космической ракете.
Почти девяносто процентов веса ракеты составляет топливо. На двигатели и на устройства, управляющие их работой и полетом ракеты, отводится около трех процентов. Примерно столько же весит выводимый на орбиту груз — спутник или космический корабль. И лишь оставшиеся несколько процентов веса всей ракеты приходятся на ее конструкцию — корпус и внутренний каркас. При столь скудном «рационе» поневоле будешь постоянно оглядываться на весы. В конструкторских бюро так и говорят, что проектировать космическую ракету или космический аппарат — это, прежде всего, считать весовые издержки. Ибо нет здесь таких вопросов, которые решались бы без учета веса.
Конечно, думать, будто конструкторы то и дело бегают к весам, было бы чересчур уж наивно. Да и нечего им еще взвешивать в разгар конструкторской работы. Вся их продукция — это чертежи да эскизы. В лучшем случае изготовят небольшую модель из пенопласта или картона. Но потребность во взвешивании уже есть, и весьма настоятельная потребность. Больше того, имен-
 Так распределяется вес ракеты и основных транспортных средств между их конструкцией, силовой (двигательной) установкой, запасами топлива и перевозимым грузом. Хорошо видно, что у ракеты большая часть веса приходится на топливо, вес же конструкции минимален. |
Приступая к работе над проектом, конструкторы зачастую знают лишь задачу, которую должен выполнить космический аппарат. Они начинают выяснять условия полета: его время и дальность, необходимую точность, характер предполагаемых измерений на трассе и т. п. Эти и другие исходные данные обрастают расчетами, схемами, чертежами и макетами. В работу включаются сразу многие специалисты. Баллистики уточняют маршрут предстоящего полета, аэродинамики рассчитывают воздействие воздушного потока при прохождении сквозь атмосферу, прочнисты прогнозируют нагрузки на конструкцию, тепловики прикидывают тепловые режимы в отсеках и на поверхности корпуса, электрики пытаются выяснить потребность аппарата в энергии. Не сидят без дела и механики, радисты, специалисты по системам управления, двигателисты. Но никто из них не может представить себе свое будущее творение, пока не получит от главного конструктора своеобразный пароль — заветную цифру. Только после этого обсуждают они конкретные варианты теплозащиты, антенн, каркаса, электрического оборудования, выбирают тип двигателя и подсчитывают запасы топлива к нему, составляют перечень приборов, увозимых в далекое путешествие. Все проектируемые системы обретают зримые черты, и постепенно вырисовывается внешний и внутренний облик космического аппарата. Теперь каждая проектная группа твердо знает, в какие килограммы ей нужно уложиться. Ведь главный конструктор распределил между различными системами космического аппарата его общий вес — тот вес, который задан грузоподъемностью ракеты-носителя.
Никакую систему нельзя переводить в другую, более тяжелую весовую категорию. Если же случается такое, то избыточные килограммы становятся предметом разбирательства главного конструктора. Только он выносит окончательный приговор: разрешить перетяжеление системы или же отправить ее на доработку. Вот и приходится разработчикам при всяком удобном случае прикидывать вес своего изделия — не превысили ли они отпущенную им норму. А так как взвешивают они всего лишь воображаемые конструкции, то ни к чему им пока весы. Можно обойтись карандашом, бумагой да вычислительной машиной.
В космическом производстве появилась даже особая профессия. К многочисленному коллективу специалистов, участвующих в создании космического аппарата, присоединились весовщики. Основная их обязанность — вести бухгалтерию веса, следить за всеми его изменениями в процессе проектирования. Они учитывают и контролируют вес каждого прибора, каждой гайки и каждого кронштейна и тут же оповещают о любом превышении нормы, о любом весовом излишестве.
И все равно готовый космический аппарат всегда тяжелее первоначально задуманного. Это стало уже закономерностью и никого не удивляет. Видимо, невозможно заранее предугадать все трудности и проблемы, с которыми сталкиваешься при создании космической конструкции. Преодолевая их, порой увеличивают прочность, наращивают запасы топлива, вводят дополнительные устройства и приспособления — словом, так или иначе повышают вес изделия. Например, американский космический корабль «Меркурий» за три года его конструирования прибавил в весе более чем на 20 процентов. А другой проектируемый в Соединенных Штатах космический аппарат «Галилей», предназначенный для полетов к Юпитеру, потяжелел в 1,4 раза по сравнению с запланированным весом.
Если космический аппарат не укладывается в отведенный ему вес, приходится что-то в нем урезать, что-то перекраивать, что-то проектировать заново. Если даже это не помогает, не остается ничего иного, как идти на некоторое его «ухудшение»: отказываются от пусть и полезных, но не абсолютно необходимых элементов, уменьшают продолжительность полета или сокращают программу исследований. Такие меры приберегают, конечно, как крайние. Чтобы не допустить перетяжеления, у главного конструктора есть в запасе еще кое-что.
В каждом проекте предусматривают специальный резерв веса, как раз на случай его превышения. Распределяя общий вес аппарата между различными конструкторскими группами, главный конструктор «утаивает» некоторую его часть. Когда испробованы уже все средства, а втиснуться в запланированную норму так и не удалось, вводят в действие резерв главного конструктора.
С резервом, безусловно, спокойнее. Но само наличие его свидетельствует о хроническом неблагополучии с весом космических аппаратов. Поэтому конструкторы не перестают ломать голову над тем, как им раз и навсегда излечить свои творения от стремления к тяжеловесности. Вот придумать бы такое, что одним ударом разрубило бы узел весовых проблем! Но в нынешних космических конструкциях не найти уже не выявленных ранее возможностей, которые сулили бы значительное облегчение. Остается лишь уповать на совершенно новые принципы и подходы, на качественно иные конструкции и материалы. Так появляются на свет проекты один другого фантастичнее.
ГРАНДИОЗНЫЕ И ОСОБЕННЫМ ОБРАЗОМ УСТРОЕННЫЕ
сли уж настроились конструкторы на решительную борьбу за вес, то начать им следовало бы с ракет-носителей. Можно ли мириться с тем, что конструкция ракеты уподобляется тончайшей скорлупе, до отказа заполненной жидким топливом? А несомый ею полезный груз и того меньше — какие-то несколько процентов от общего веса ракеты с топливом. Если бы не спасительная идея составных многоступенчатых ракет, картина была бы совсем удручающая.
Судите сами: чтобы вывести на земную орбиту вокруг Солнца автоматическую станцию, вес топлива одноступенчатой ракеты должен в 58 раз превосходить вес ее конструкции. Все равно что вместить стакан воды в наперсток. Ни сейчас, ни в ближайшем будущем не создать конструкции с такой невероятной емкостью. Поэтому многообещающая идея — перемещаться в безвоздушном пространстве с помощью ракетных аппаратов — поначалу казалась совершенно неосуществимой.
Так столкнулись космические конструкторы с первой большой проблемой — противоречием между энергетическими потребностями ракет и возможностями конструкций. Чтобы примирить их ограниченную вместимость с принципом реактивного движения, потребовалась еще одна, на этот раз сугубо конструктивная идея.
По мере сгорания топлива масса ракеты уменьшается, и та же самая реактивная тяга ускоряет ее все сильнее. Но ведь ракета состоит не из одного лишь топлива. Освобождающаяся от его запасов часть конструкции становится ненужным грузом, затрудняя разгон. Значит, надо избавляться от нее. Такую возможность предусмотрел и научно обосновал К— Э. Циолковский. Еще в 1903 году великий основоположник космонавтики предложил для перемещения в мировом пространстве «род ракеты, но ракеты грандиозной и особенным образом устроенной». Он подсказал будущим конструкторам оригинальную структуру ракеты-носителя, которая стала ключом к недоступному прежде миру внеземных полетов.
 Здесь изображены различные емкости в порядке возрастания их вместимости. У некоторых содержимое может весить во много раз больше, чем сама емкость. Вместимость одноступенчатой космической ракеты должна была бы в несколько раз превосходить вместимость обыкновенного ведра, что абсолютно невозможно, если учесть особые требования прочности и жесткости, предъявляемые к ракетной конструкции. Таким требованиям вполне отвечает конструкция двухступенчатой ракеты, которая обходится значительно меньшим количеством топлива. |
Многоступенчатая ракета Циолковского состоит из нескольких отдельных, самостоятельных ракет, установленных друг на друга. Сначала первая, самая нижняя ракета-ступень разгоняет все остальные до некоторой скорости. Когда выгорит ее топливо, конструкция этой ступени отбрасывается за ненадобностью. Облегченная ракета разгоняется уже второй ступенью до еще большей скорости и опять избавляется от высвободившейся конструкции, после чего включается третья ступень. За счет того, что не приходится разгонять лишнюю массу, получается весьма значительный выигрыш в топливе. И чем больше число ступеней, тем меньше его требуется.
Если в одноступенчатой ракете, выводящей на земную орбиту автоматическую станцию, топливо, как мы уже знаем, должно быть тяжелее конструкции в 58 раз, то в двухступенчатой ракете — лишь в 9 раз. Допустим, вес всей ракеты с топливом составляет в этом случае 848 тонн. Тогда трехступенчатая ракета будет весить уже 185 тонн, четырехступенчатая — 140 тонн, пятиступенчатая — 124 тонны и шестиступенчатая — всего лишь 116 тонн. Причем на топливо в шестиступенчатой ракете приходится не более 100 тонн. По сравнению с двухступенчатой ракетой запасы его уменьшились в 7,5 раза! Только умелым членением ракетной конструкции на части невозможное было переведено в разряд выполнимого. Трудно найти пример другой столь же простой и эффективной технической идеи.
 Этапы развития советских ракет-носителей: 1 — двухступенчатая ракета-носитель, как выводившая на орбиты первый, второй и третий искусственные спутники; 2 — ракета-носитель, с помощью которой были запущены первые автоматические станции «Луна». Установленный на двухступенчатой ракете дополнительный блок с ЖРД позволил ей достичь второй космической скорости; 3 — ракетно-космическая система «Восток» тоже имела дополнительный блок с ЖРД, что позволило увеличить выводимый на орбиту полезный груз и осуществить первый полет человека в космос; 4 — в четырехступенчатой ракетно-космической системе «Молния», предназначенной для исследования ближайших к Земле планет, вместо дополнительного блока с ЖРД установлены третья и четвертая ступени. С помощью этой ракеты-носителя был осуществлен первый запуск межпланетной станции «Венера»; 5 — трехступенчатая ракетно-космическая система, в которой дополнительный блок с ЖРД заменен мощной третьей ступенью. Это позволило запустить на орбиту трехместный космический корабль, более тяжелый, чем космический корабль «Восток»; 6 — ракетно-космическая система «Союз», предназначенная для создания долговременных орбитальных станций и обеспечения сменности и экипажей на них. |
 Размеры американских ракет-носителей. |
Проблема вместимости, емкости конструкции продолжает волновать ракетостроителей и сейчас. Только решать ее приходится не для всей ракеты в целом, а для отдельных ступеней. Их совершенство оценивается тем количеством горючего и окислителя, которое удается втиснуть в ступень. Еще совсем недавно конструкторы были очень довольны, если вес заполненной топливом ступени в 10 раз превышал вес пустой. Теперь их умение намного возросло, и они не удивляются даже тогда, когда ступень с топливом оказывается в 15 раз тяжелее, чем одна конструкция. А что дает такая сверхвместимость, можно понять на следующем конкретном примере.
Пусть 80 процентов веса каждой ступени приходится на топливо, а 20 процентов — на конструкцию. Тогда стотонная четырехступенчатая ракета сможет вывести на орбиту высотой 200 километров искусственный спутник весом 50 килограммов. Если же в результате стараний конструкторов запасы топлива в ступенях повысятся до 95 процентов, то ракета вынесет на ту же орбиту спутник в 13 раз тяжелее!
Многоступенчатые ракеты открыли эру практической космонавтики. Но время безоговорочного восхищения могучими ракетными гигантами прошло. Все чаще поглядывают на них разработчики критическим оком. В самом деле, экие вымахали громадины! Высота ракет, выводивших на орбиту первые искусственные спутники и космические корабли, достигала почти 40 метров. Весили они сотни тонн. Чтобы обеспечить высадку космонавта на Луну, была сооружена ракета свыше 100 метров высотой и массой в тысячи тонн. Такие же огромные ракеты доставляли в космос орбитальные станции, сначала в нашей стране, а затем в США. Для полета человека на Марс с возвращением на Землю потребуется ракета вдвое выше и в 5—10 раз тяжелее. Подобные ракеты смогли бы выводить на околоземные орбиты космические станции весом 500—1000 тонн. А что в перспективе — ракеты-носители высотой с Останкинскую телевизионную башню?
«Не пора ли остановиться? — слышится вполне резонный вопрос. — Надо искать другие, более эффективные средства космического запуска».
И такие поиски ведутся уже не один год.
Почти все предлагавшиеся проекты преследуют одну цель: освободить ракету от непомерной тяжести топлива. Ведь именно в этом самое слабое место нынешних ракет-носителей. Идея составных ракет, дав старт современной космонавтике, ничем уже не может помочь. Она сделала свое дело — вместила в ракетной конструкции необходимые для выхода в космос запасы горючего и окислителя, но сократить их до минимума не в силах. Для этого нужно что-то принципиально иное.
Вот взять бы да и выгрузить топливо из ракеты. Поместить где-то рядом с ней, но так, чтобы ракета могла им воспользоваться. У этой идеи нашлось немало сторонников. Порой пытаются воплотить ее буквально, например, разгонять ракету по рельсам, между которыми залито топливо. С ракеты опущена труба, загнутая открытым концом вперед. За счет быстрого движения жидкость должна подниматься по трубе и поступать в двигатель. Так когда-то паровозы пополняли на ходу запасы воды. Но ракетное топливо — не вода. От малейшей искры оно мгновенно превратится в пылающую реку. С таким же успехом можно было бы запускать ракеты из порохового погреба.
 Ракета, разбегающаяся по рельсам, между которыми залито топливо. |
 Принцип действия «соленоидной пушки»: 1 — катушка (соленоид); 2 — металлический сердечник-ракета; 3 — выключатель; 4 — источник постоянного тока. |
 Чтобы «соленоидная пушка» не была чересчур длинной, предлагают изготовить ее в виде кольцеобразного туннеля. Ракета будет разгоняться по кольцу до тех пор, пока не достигнет необходимой скорости. После этого специальное устройство выведет ее из кругового движения и направит наружу. |
И все же заманчива эта идея — ракета отдельно, топливо отдельно. Поэтому не охладевает энтузиазм изобретателей, стремящихся претворить ее в жизнь. «Что, если соединить ракету длинным гибким шлангом с наземным хранилищем горючего?» — думают конструкторы. Тогда во время разгона на Земле и на небольшой высоте ракета могла бы сжигать не свои запасы, а перекачиваемое на ходу топливо. В нужный момент шланг автоматически отсоединится, и ракета взмоет вверх.
Не так просто осуществить разбег на привязи. Хоть и не нагружена ракета топливом, сжигаемым в начале запуска, а все равно связана с ним. И не какими-то там незримыми узами — целой топливоперегонной системой. Уж лучше совсем обходиться без горючего!
Неистощимое воображение изобретателей заменяет топливо электромагнитным полем. Мысленно обмотав запускаемый в космос аппарат витками электрического провода, они уподобляют его якорю электромагнита. Мощный импульс тока подается в обмотку аппарата и окружающего его исполинского соленоида. Электромагнитное поле с силой выбрасывает космическую конструкцию из жерла этой пусковой установки. И лишь на некоторой высоте ее подхватывает тяга включенного ракетного двигателя.
Теперь самое время вспомнить о той мощности, которую развивают ракеты-носители. Уже первый в мире космический корабль «Восток» был выведен на орбиту ракетой с мощностью двигателей в 20 миллионов лошадиных сил. Это в тысячу раз превосходит энерговооруженность любого созданного ранее летательного аппарата! Не могут электромагниты конкурировать со столь могучими ракетными двигателями. Однако идея электромагнитной катапульты не покидает страницы технических журналов. И раз за разом она становится все реальней. Никто уже не сомневается в том, что такой ускоритель ракет с успехом можно использовать на Луне, где сила тяжести в шесть раз меньше земной. Считают, что в будущем именно электромагнитным методом будут запускать в космос лунные материалы, необходимые для строительства космических сооружений. Ну а в нашем подлунном мире предлагают еще один метод запуска.
Длинный рельсовый путь убегает к горизонту. По рельсам с огромной скоростью проносятся ракетные тележки, на которых установлены модели летательных аппаратов. Перед нами — экспериментальная лаборатория аэродинамиков. Не в тесном тоннеле аэродинамической трубы проводят они свои испытания, а на открытом пространстве ракетной трассы. Для настоящего полета модель не предназначена, а будь на ее месте ракета, быстроходная тележка послужила бы ей первой стартовой ступенью. Не отрываясь от Земли, ракета могла бы развить даже сверхзвуковую скорость. Передоверив тележке часть своих топливных запасов, она заметно поубавила бы в весе.
 Ракетная тележка с установленной на ней ракетой-носителем разбегается по горизонтальному рельсовому пути. |
 Таким представляют себе запуск ракет-носителей авторы проекта, получившего название «русские горы». |
Это еще один вариант реализации все той же идеи — топливо отдельно от ракеты. Топливо, вернее, часть его — в тележке, ракета — на тележке. Топливный резервуар разбегается вместе с ракетой, поэтому отпадают все сложности, связанные с перекачкой горючего на ходу. Мало того, резервуар этот из простого хранилища превращается в мощнейший ускоритель, которому не нужно вступать в единоборство с силой тяжести — вес топлива воспринимают только рельсы.
К сожалению, горизонтальный разбег ракете ни к чему. Как бы ни была велика достигнутая ею скорость — это не та скорость, которую от нее ждут. Крыльев у ракеты нет, и она не сможет самостоятельно перейти в вертикальный полет. Вот если бы устремить рельсы ввысь... Но тогда ракетная тележка будет совершать дополнительную работу, преодолевая земное притяжение. Чем же в таком случае она будет отличаться от обычной первой ступени?
И тут авторам этого проекта пришла в голову оригинальная мысль: компенсировать работу по преодолению силы тяжести... самой силой тяжести. Решили, как говорится, клин вышибать клином. Воображение изобретателей воздвигло невиданную рельсовую гору, вершина которой находится на высоте 750 метров от поверхности Земли. Скатываясь с этой горы, тележка с ракетой развивает скорость до 170 метров в секунду. Затем спуск плавно переходит в подъем на новую гору. Тележка устремляется вверх, словно маятник, падающий с некоторой высоты и снова взлетающий почти на ту же высоту. Пусковая трасса напоминает гигантский увеселительный аттракцион. «Русские горы» — такое условное название дали этому методу запуска.
При подъеме включается ракетный двигатель тележки. Но он только разгоняет ракету, увеличивая ее скорость до сверхзвуковой. На подъем же расходуется та энергия движения, которая была приобретена во время спуска. Конечно, ни о каком энергетическом выигрыше не может быть и речи. Чтобы поднять тележку с ракетой в специальном лифте, все равно придется совершить работу. Зато ракета освободилась от какой-то части топлива и может разбегаться вверх по наклонному рельсовому пути. Когда тележка с ракетой достигнет новой вершины, ее скорость возрастет уже до 800 метров в секунду. Теперь ракета отсоединяется и включает собственный двигатель. А первая разгонная ступень-тележка выпускает парашюты и медленно скатывается вниз.
Поднимутся ли над ракетодромами крутые склоны гор? Окажется ли такой запуск удобным и эффективным? Ответов на эти вопросы пока нет. Во всяком случае, не слышно, чтобы ракетные горы обсуждались широкими кругами специалистов. Только одна деталь этого проекта привлекла их внимание: подъем ракеты на лифте. Ведь таким путем тоже можно избавить ракету от топлива — полностью или частично.
|
Специалисты перенеслись мысленно в заоблачные высоты. Как их устроил бы ракетодром, подвешенный где-то между небом и землей! Останется позади самая неприятная часть пути — сквозь плотные нижние слои атмосферы, где наиболее значительно сопротивление воздуха. Но даже у отчаянных фантазеров эти мечты вызывают недоверие: парящий над облаками ракетодром — это слишком нереально... А вот ракета может парить, если подвесить ее к стратосферным аэростатам. С этой позиции она может стартовать дальше, к околоземным орбитам. За счет «дарового» подъема на высоту до 30 километров удалось бы разгрузить ее от некоторого количества топлива.
Оборудование современного космодрома: 1 — кабель-заправочная мачта; 2 — фермы обслуживания; 3 — установщик; 4 — железнодорожный заправщик горючим; 5 — железнодорожный заправщик окислителем. |
Примеры такого запуска из поднебесья уже есть. Английскую геофизическую ракету «Дикон» доставляли аэростатом на высоту 20-25 километров. Здесь включался ее двигатель, и она устремлялась еще выше. Вес ракеты уменьшился, и упростилась ее конструкция. Но старт из подвешенного состояния не назовешь легким. К тому же аэростата хватало лишь на один раз — выхлопная струя ракетного двигателя разрушала его.
Проект фирмы «Боинг Эйрплейн» выглядит куда основательнее. Она предлагает использовать для подъема и запуска космических ракет гигантский аэростат, имеющий форму надутой автомобильной камеры. Укрепленная в центре ракета не повредит его обшивку при старте. Грузоподъемность такого кольцевого баллона диаметром 95 метров достигает 45 тонн. Настоящая первая ступень, только без ракетных двигателей и без топлива. Самые первые и самые тихоходные летательные аппараты готовы выручить современные стремительные ракеты. Это кажется не менее парадоксальным, чем если бы лошадь впрягли в гоночный автомобиль. Но чего не предпримешь ради сокращения запасов топлива в ракете! К тому же у заоблачного старта есть еще одно неоценимое достоинство: отпадает необходимость в сложном и дорогостоящем наземном оборудовании.
Сегодня ни один космический старт не обходится без участия слуг-исполинов, которые под стать громоздким и тяжеловесным ракетам-носителям. Когда на экранах наших телевизоров показывают очередной запуск «Союза», мы видим, как от стройного тела ракеты отходят сначала громадные фермы обслуживания, а затем — гигантская кабель-заправочная мачта. Американскую ракету-носитель «Сатурн» провожает в полет подвижная башня высотой 120 метров и весом около шести тысяч тонн. А доставляет 2700-тонную ракету на пусковую площадку самоходная платформа, площадь которой превышает 1000 квадратных метров. При запуске ракета на платформе не должна отклоняться от вертикали больше чем на десятую долю градуса. Нет ничего удивительного в том, что оборудование современных ракетодромов обходится в десятки раз дороже самих ракет. В поисках простого и удобного старта специалисты готовы попытать счастья не только в воздушной, но и в водной стихии.
 Запуск ракеты с поверхности моря. |
Известно, что водный транспорт — самый экономичный. Так не организовать ли старт ракет на плаву? Чтобы проверить эту возможность, американские специалисты отбуксировали в море неподалеку от Сан-Диего устройство для водного запуска ракет. Первые старты пришлись на долю маленькой ракеты «Бегемотик». В случае успеха можно было бы строить большие ракеты на верфях, как корабли, и по стапелям спускать их в воду. Предполагалось, что отдельные готовые ступени будут буксироваться далеко в море. На месте старта их соберут, заправят топливом и, освободив от балласта, приведут в вертикальное положение. Привлекло и то, что полупогруженная в воду ракета окажется более легкой, а выбор места старта ракеты-«поплавка» почти неограничен. Морская транспортировка обойдется чуть ли не в 50 раз дешевле, чем наземная. Спокойной волны тебе, ракета!
Но продолжения этой водно-ракетной затеи не последовало. По-видимому, у гидрозапуска нашлись свои существенные недостатки. Некоторые из них можно назвать сразу. Выскакивающая из моря ракета неизбежно увлечет за собой какое-то количество окружающей воды. Следовательно, некоторая часть тяги двигателя будет расходоваться не но назначению. К этому нужно добавить опасность закупорки водой ракетного сопла и необходимость особо тщательной герметизации корпуса ракеты. Окажутся ли эти препятствия непреодолимыми — покажет будущее.
Есть такой шутливый вопрос, претендующий на глубокомыслие: почему, берясь за весла, лодочник плюет себе на ладони, хотя к его услугам целая река? С гораздо большим основанием мы можем спросить у специалистов по космической технике: почему ракета берет в полет огромные запасы окислителя, когда вокруг нее неисчерпаемые запасы кислорода земной атмосферы?
Как правило, окислителя требуется в три-четыре раза больше, чем самого горючего. Например, при сгорании одного килограмма керосина расходуется 3,5 килограмма кислорода. Громадная масса окислителя не только утяжеляет ракету, но и усложняет ее конструкцию. Ведь хранить кислород приходится в наиболее плотном, жидком состоянии, то есть при очень низкой температуре. Посудите сами, легко ли поддерживать такие условия в космической ракете, где на учете каждый килограмм веса и каждый кубический дециметр пространства? Правда, есть окислители, которые не нужно искусственно сжижать: и без того они пребывают в жидком состоянии при обычной температуре. Это — азотная кислота, перекись водорода и некоторые другие вещества. Однако, помимо кислорода, они содержат элементы, не участвующие в горении. Удобство хранения покупается ценою добавочного веса этих ненужных элементов.
Куда проще самолетам, совершающим полет буквально внутри окислителя и черпающим его из окружающей среды. Но ведь работа первой, самой тяжелой ступени ракеты тоже происходит в пределах земной атмосферы. Почему бы не заменить ее жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) воздушно-реактивными двигателями (ВРД), которыми оснащены самолеты? Для такой переоборудованной ступени уже не понадобились бы запасы окислителя. Правда, сила тяги современных ВРД намного меньше силы тяги ракетных двигателей. Зато можно заставить работать сразу несколько ВРД. Избавившись от запасов кислорода в первой ступени, ракета за счет этого увеличит полезный груз.
 Ракета-носитель с первой ступенью-треножником, на котором установлены воздушно-реактивные двигатели. |
При всей необычности этой идеи она не нова. Мало того, с нее начинались первые шаги ракетоплавания. В 1936 году реактивная секция Стратосферного комитета Осоавиахима под руководством конструктора И. А. Меркулова спроектировала двухступенчатую ракету. В первой ее ступени был установлен пороховой ракетный двигатель, а во второй — прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Завод «Авиахим» изготовил шестнадцать образцов такой ракеты весом 8,3 и около 7 килограммов. Майским днем 1939 года вблизи подмосковной станции Планерная проходили летные испытания. Ракеты запускали вертикально вверх, и под действием силы тяги порохового двигателя они поднимались на высоту 250 метров. После сгорания порохового заряда первая ступень отделялась, а через 2,5 секунды включался ВРД. Он разгонял ракету до скорости 224 метра в секунду. Когда выгорало все горючее, запасенное во второй ступени, воздушно-реактивный двигатель прекращал работу. Ракета еще несколько секунд по инерции поднималась вверх и достигала высоты 1,8 километра. Не знаменательно ли, что эта первая в мире многоступенчатая ракета оказалась в то же время и первой ракетой с ВРД?
В те годы работа над воздушно-реактивными двигателями велась одновременно с исследованиями жидкостных ракетных двигателей. Уже тогда было ясно, что ВРД, не нуждающиеся в запасах окислителя на борту ракеты, обладают преимуществом перед ЖРД при полетах в атмосфере. И вот теперь ракетостроители возвращаются к своим прежним замыслам. За прошедшие десятилетия авторитет ВРД возрос, и им собираются доверить самую ответственную и самую тяжелую работу — подъем и разгон всей ракеты-носителя. Воздушно-реактивные двигатели перекочевали в первую ее ступень.
Такую ступень изображают порой в виде гигантского треножника. В центре устанавливается сама ракета, а вокруг нее — свита из десяти ВРД. На концах треножника размещаются еще три воздушно-реактивных двигателя, управляющих аппаратом в полете. Треножник взлетает вертикально вверх и разгоняется до сверхзвуковой скорости. Как только ракета выйдет в верхние разреженные слои атмосферы, где кислорода уже недостаточно для работы ВРД, включится ракетный двигатель второй ступени. Первая ступень-треножник отсоединяется и возвращается обратно на Землю. Одна и та же ступень может служить для запуска многих космических аппаратов. Это еще одно ее существенное преимущество.
На атмосферный паек предлагают перевести не только первую, но и все остальные ракетные ступени. При старте с Земли их кислородные баки останутся пустыми и не будут обременять ракету запасами окислителя. Во время разгона в атмосфере установленные на корпусе воздухозаборники станут захватывать воздух и направлять его в ожижитель. Если в качестве ракетного горючего взять жидкий водород, то он послужит и охладителем. После сжижения кислород отделится от азота и поступит в заготовленные для него баки. Пока ракета находится в атмосфере, она дышит кислородом в запас. Возможно, что время ее пребывания в питательной воздушной среде придется намеренно продлить, удлинив атмосферный участок пути. Зато возрастет полезный груз ракеты.
Самолет с ревом разбегается по бетонированной дорожке аэродрома и, оторвавшись от земли, стремительно набирает высоту — первая ступень космической ракеты взяла курс на орбиту. Так представляют порой космические старты будущего.
Еще в 1924 году советский ученый и изобретатель Ф. А. Цандер предложил связать воедино самолет и ракету, использовать крылатые аппараты для космических сообщений. Модель межпланетного корабля Цандера демонстрировалась на московской выставке по межпланетным полетам в 1927 году. После этого разработкой аэрокосмических летательных аппаратов занялись в разных странах, но далеко не все проекты оказались удачными.
 Модель крылатой космической ракеты, разработанной Ф. А. Цандером. |
Одним из наиболее известных был американский проект «Дайна-Сор». Название это составлено из двух слов, означающих в переводе «динамика» и «планирование». Полет должен был происходить под воздействием центробежной и аэродинамической сил одновременно. Аппарат совмещал в себе черты и спутника и самолета. В 1963 году спутник-самолет изготовили в полную величину, но дальнейшие его испытания и доработка были прекращены.
Это не остановило других приверженцев крылатого космического транспорта как в Соединенных Штатах, так и в Англии, Франции и ФРГ. Вот, например, как выглядит проект двухступенчатого воздушно-космического самолета. Первая ступень — это самолет-разгонщик длиной около 52 метров с воздушно-реактивными двигателями, развивающими тягу в 72 тонны. Вторая ступень, длиной 26 метров, крепится к днищу первой ступени. Ступени разделяются на высоте 35 километров, когда скорость в семь раз превысит скорость звука. После этого вторая ступень включает шесть своих ракетных двигателей, развивающих тягу в 141 тонну, и выходит на орбиту высотой 300 километров над поверхностью Земли. Первая ступень возвращается на аэродром как обычный самолет.
Есть проекты, в которых первая крылатая ступень выводит в космос крылатый спутник-самолет. Такие космические аппараты могут возвращаться с орбиты на Землю благодаря подъемной силе своих крыльев. Им прочат, помимо всего остального, весьма полезную и романтическую профессию — охотников за космическими кладами.
В наше время сокровища можно добывать не только на морском дне, с затонувших судов, или в подземных тайниках. Сокровищами буквально заполонено все околоземное пространство. Отработавшие свой ресурс искусственные спутники и автоматические станции, бесполезно летающие в космосе, представляют немалую ценность. Если бы удалось вернуть их на Землю в целости и сохранности, то установленная в них уникальная аппаратура сгодилась бы для повторного использования. По некоторым подсчетам общая стоимость неработающих космических аппаратов на околоземных орбитах достигает нескольких миллиардов долларов. Настоящее «золотое дно». Одних только спутников связи там свыше двухсот, а каждый килограмм их оборудования стоит десятки тысяч долларов.
 Воздушно-космический самолет «Дайна-Сор». |
 Двухступенчатый воздушно-космический самолет, первая ступень которого — самолет-носитель с мощными воздушно-реактивными двигателями. |
Летом 1979 года вошла в плотные слои атмосферы и разрушилась американская орбитальная станция «Скайлэб». Американские специалисты планировали спасти ее, но не сумели. А ведь стоимость станции — около двух миллиардов долларов. До сих пор вращается вокруг Земли на высоте 930 километров американская «Орбитальная астрономическая обсерватория», оцениваемая в 50 миллионов долларов. Аэрокосмические аппараты могли бы захватывать искусственные космические объекты и доставлять их на Землю.
Грохот артиллерийской канонады разбудил побережье. Крупнокалиберное орудие береговой обороны США «Бетси», безмолвствовавшее вот уже десятки лет, внезапно открыло огонь. Но под прицелом исполина был не вражеский флот — на этот раз обстрелу подвергли... космос. В 36-метровом стволе орудия стартовали исследовательские ракеты.
Кто сейчас поверит, что можно, подобно героям Жюля Верна, достигнуть Луны в пушечном снаряде? Поэтому намерение канадского ученого Д. Гоулла использовать пушки для запуска космических ракет произвело не меньший шум, чем залпы «Бетси». Первенцами артиллерийского старта стали метеорологические зонды. Воодушевленные удачей, исследователи разработали на будущее стратегический план артиллерийской осады космических высот. Сначала должен быть запущен на высоту 96 километров зонд-снаряд «Марлет-1» весом 213 килограммов. Следом за ним «Марлет-2» достигнет уже высоты 145 километров. А потом наступит очередь двухступенчатой ракеты «Марлет-3». Когда она вылетит из жерла пушки, заработает ее собственный ракетный двигатель. Мишенью для нее выбрана орбита высотой от 480 до 720 километров.
Пороховой заряд пушки — это часть топливных запасов самой ракеты, перекочевавшая из ее баков в канал орудийного ствола. Еще один (и какой уже по счету!) вариант решения все той же проблемы: ракета и топливо - раздельно. В результате вес и размеры ракет уменьшаются, а стоимость запуска снижается почти в сто раз. С такими преимуществами нельзя не считаться. Но для дальнейшего увеличения веса снарядов-спутников нужны более мощный заряд и более длинный ствол орудия. Последователям героев Жюля Верна пришлось задуматься над тем, как обойтись без вымышленной писателем гигантской чудо-пушки.
В этой главе говорилось уже о наземном, заоблачном и водном запусках. Остался неиспробованным лишь подземный. Вот его-то и выбрали сторонники ракетно-артиллерийского старта. Орудийные стволы было решено заменить вертикальными цилиндрическими колодцами. Глубина такой шахты-пушки, по предварительным расчетам, должна достигать шести километров. Ракета, установленная на специальной платформе почти на самом дне шахты, плотно закупоривает ее ствол. В момент старта под платформой взрывается пороховой заряд. Давлением газов ракету, словно пробку, выталкивает из шахты. В колодце диаметром 3,6 метра давление пороховых газов способно создать тягу в десятки тонн. Теперь ракета вполне обойдется без стартовых ускорителей, и вес ее уменьшится на 30 процентов. Такая облегченная ракета разгонится в подземном орудийном стволе даже до более высокой скорости, чем при обычном запуске.
 Ракета закладывается в ствол орудия |
|
Никто не может предугадать, когда грянет первый выстрел из шахты и состоится ли он вообще. Нельзя забывать о тех огромных перегрузках, которые возникнут при стремительном разбеге космического аппарата в артиллерийском стволе. Сложное электронное оборудование не выдержит такой встряски. А разработка новой, более стойкой аппаратуры, пригодной для пушечного старта, потребует столь высоких затрат, что вряд ли будет целесообразно стрелять спутниками.
Не только высоким давлением можно запускать ракеты, но и... пустотой. В этом легко убедиться, если закрыть пробкой бутылку и поставить ее под стеклянный колпак, из-под которого откачивается воздух. Не пройдет и минуты, как пробка вылетит из горлышка, словно в бутылке создалось избыточное давление. Да так оно и есть: под пробкой запечатано атмосферное давление, а снаружи — разреженный воздух. Обычное атмосферное давление становится движущей силой, если сочетать его с вакуумом. Впрочем, и без того оно работает как тяга при запусках ракет, только не все об этом задумываются.
 Устройство шахты для вакуумно-воздушного запуска ракет: 1 — ракета в первоначальном положении; 2 — баллоны, в которые накачивается воздух; 3 — вакуумная станция; 4 — ствол шахты; 5 — мембрана, закрывающая верхнее отверстие шахты; 6 — часть ствола шахты, в которой создается пониженное давление; 7 — компрессорная станция; 8 — часть ствола шахты, в которой создается повышенное давление. |
Мы обитаем на самом дне гигантского воздушного океана, покрывающего нашу планету. На нас и на все окружающее действует та же выталкивающая сила, что заставляет всплывать в воде легкие предметы. Разве не всплывают в атмосфере заполненные гелием шары, которые легче воздуха? И чем больше объем предмета, тем значительней эта выталкивающая сила. Подсчитано, например, что на американскую ракету-носитель «Сатурн» действует у поверхности Земли подъемная сила в семь тонн. Еще не включены ее ракетные двигатели, а тяга уже есть. Правда, величина ее ничтожна — лишь 0,2 процента от ракетной тяги. Но с помощью вакуума эту атмосферную силу можно увеличить.
Представьте себе, что нижнее отверстие длинной трубы, напоминающей орудийный ствол, закупорено ракетой, а верхнее — закрыто пластиковой мембраной. Если из трубы откачать воздух, ракета будет загоняться в нее наружным атмосферным давлением. Разбежавшись в стволе, она прорвет мембрану на другом конце и вылетит из трубы, как снаряд. При диаметре ствола 4,8 метра атмосферная тяга разгонит тридцатитонную ракету до скорости 180 метров в секунду. Часть ее топливных запасов заменена... ничем, пустотой! И на этом неравноценном, казалось бы, обмене экономится пять тонн веса ракеты.
Пока что вакуумный запуск опробован лишь в миниатюре, на небольших моделях. Но предлагают использовать его при запуске космических ракет из шахт. Ствол шахты послужит вакуумной трубой. Нужно только обеспечить с помощью специальных каналов атмосферное давление под ракетой. К сожалению, продолжительность действия атмосферной силы невелика. Ограничивает ее глубина шахты. В то время как двигателями первых ступеней ракета разгоняется свыше полутора минут, из шахты она выскочит за несколько секунд. При таком коротком разбеге не достичь высокой скорости.
— Вот построить бы такую высоченную башню, чтобы своей макушкой она упиралась в самую орбиту, — размышляют ученые. И не стесняются высказывать эту странную выдумку вслух, да еще публикуют ее в солидных научных изданиях. Только выдумка их не голословна, а подкреплена математическими расчетами. И получается, что не так уж она фантастична.
В самом деле, вообразим башню, основание которой установлено на экваторе, а вершина уходит далеко ввысь — на 36 000 километров от поверхности Земли. Оставим в стороне вопрос о том, как воздвигнуть такое грандиозное сооружение. Смею уверить вас, что трудности здесь не принципиального, а технического порядка. Верхняя точка башни за счет вращения Земли вокруг своей оси будет описывать круговую орбиту, двигаясь со скоростью искусственного спутника. Теперь остается только поднять спутник с помощью лифта на вершину башни и столкнуть его оттуда. Вот и вся процедура запуска! Никаких забот с мощнейшими ракетными ступенями, никаких проблем веса.
Больше того, «космический лифт» куда экономичнее ракет-носителей! Пока спутник подтягивается на канате к орбите, его подталкивает вверх центробежная сила, вызванная вращением нашей планеты. Это, пожалуй, единственный случай, когда даровая энергия вращения Земли работает на космический запуск. Сила притяжения все же превышает центробежную силу, поэтому без затрат энергии никак не обойтись. Зато подъем можно совершать с помощью двигателей любого типа и гораздо меньшей мощности, чем стартовые двигатели ракет-носителей. К тому же энергию дорогостоящего ракетного топлива вполне заменит дешевая и доступная электрическая энергия. На быстро вращающихся небесных телах — некоторых естественных спутниках планет или астероидах — такой запуск наиболее выгоден.
 «Космический лифт». |
Кстати, башня не только делает ненужным ракетный запуск, но и позволяет обойтись без обычной посадки космических аппаратов на поверхность Земли. Не надо им вторгаться в атмосферу с высокой космической скоростью — достаточно лишь причалить к башне. А там — спускай и поднимай на лифте грузы и космонавтов, меняй экипаж и оборудование.
Тем, кого не устраивает гигантская башня, предлагают иной вариант космического запуска. На орбиту высотой 36 000 километров, лежащую в плоскости экватора, выводится тяжелый спутник. Он будет неподвижно висеть над одной и той же точкой земной поверхности. Если спустить с него трос до самой земли, то можно затаскивать на орбиту другие спутники.
Идею эту выдвинул и разработал советский инженер Ю. Н. Арцутанов. А шестью годами позже, в 1966 году, с подобным проектом выступили на страницах журнала Национальной академии наук США четверо американских ученых, среди которых один из создателей глубинной подводной лодки «Эльвин» — Аллан Вайн.
Разумеется, запуск спутника по канату не свободен от технических трудностей. Например, небывало высокой прочностью должен обладать трос, чтобы выдержать хотя бы свой вес. Такие материалы только еще рождаются в лабораториях, но можно надеяться, что со временем эту проблему решат. Тогда миллиметровый трос, весом в несколько десятков тонн, позволил бы транспортировать на орбиту продовольствие и оборудование для космических кораблей. А в случае нарушения радиосвязи трос служил бы телефонным кабелем. Высказываются, правда, сомнения: будет ли подъемный канат, подвешенный к спутнику, достаточно стабильным. Как-никак, в атмосфере господствуют ветры. Но сам характер возражений уже говорит о том, насколько серьезно воспринята специалистами эта идея.
Итак, спутник предлагают сделать средством выведения на орбиту. Но если в рассмотренном варианте запуска планируют использовать его только для того, чтобы подвесить подъемный канат, то в другом проекте спутник дает и энергию для подъема. Вот как это задумано.
На околоземную круговую орбиту выводится спутник и закручивается, как колесо, вокруг оси, перпендикулярной плоскости орбиты. Затем из корпуса его выдвигаются в двух противоположных направлениях свернутые гибкие ленты. Под действием центробежной силы, вызванной вращением спутника, ленты разматываются во всю свою длину. А длина их немалая: как раз чтобы дотянуться с орбиты до поверхности Земли. Прикрепленные к концам лент балластные грузы растягивают и распрямляют их.
Удивительная получается картина: длинный-предлинный канат вращается в плоскости орбиты, а центр его движется по этой орбите со скоростью спутника. То один, то другой конец каната подходит к Земле. А так как наша планета тоже вращается вокруг своей оси, то в точке встречи каната с ее поверхностью их скорость по отношению друг к другу равна нулю. Совсем как в точке зацепления двух шестеренок, крутящихся с одинаковыми скоростями.
| Запуск на орбиту с помощью вращающегося спутника и двух канатов: 1 — груз крепится к концу одного каната, который подошел к поверхности Земли; 2 — за счет вращения спутника в плоскости орбиты груз поднимается вверх; 3 — груз крепится к концу другого каната; 4 — положение, в котором первый груз отсоединяется от каната и начинает самостоятельное движение по орбите. |
Если наблюдать эту картину с орбиты, то кажется, что спутник работает как громадное «чертово колесо». Что делает «чертово колесо»? Поднимает пассажиров на высоту. То же самое должен совершать и наш спутник. Вот подходит один конец каната к поверхности Земли. В этот момент не зевай — цепляй к нему тот груз, который должен оказаться в космосе. Багаж будет унесен канатом ввысь. А через 20 минут спутник совершит полуоборот и подставит другой, противоположный конец каната. Теперь к нему нужно прикрепить ношу, чтобы не поднялся он вверх порожним. Так вращающееся «колесо» сможет выбрасывать на околоземные орбиты грузы с поверхности Земли. Этот метод запуска тоже предложен Ю. Н. Арцутановым, автором идеи «космического лифта».
дин за другим смолкают двигатели ракетных ступеней. Поочередно отделяясь, ступени уносятся вниз. Космический корабль, увенчивающий ракетную пирамиду, рвется ввысь к намеченной цели. Разогнавшись до нужной скорости, он выходит на уготованную ему орбиту. Кажется, теперь можно вздохнуть с облегчением: свершилось задуманное и не о чем больше заботиться и беспокоиться. Отныне космическому аппарату предстоит спокойно кружить по замкнутому кольцу вокруг нашей планеты. Однако впечатление это обманчиво. Именно сейчас, с первого же мгновения самостоятельного полета, начинается активная жизнь посланца Земли. Чтобы успешно работать на орбите, ему необходима реактивная тяга, необходимы свои собственные двигатели. Им есть над чем потрудиться.
После отделения от последней ступени ракеты-носителя космический аппарат беспорядочно кувыркается и переворачивается. Надо привести его в надлежащее положение и «успокоить». Без реактивных двигателей с ним не управиться.
Спутник, не имеющий на борту двигателя, недолговечен. Непрерывно тормозясь разреженными воздушными слоями, он теряет высоту, снижается и, в конце концов, сходит с орбиты. Чтобы продлить его существование, приходится время от времени увеличивать высоту полета. Космонавты, работавшие на советской орбитальной станции «Салют-6», не один раз поднимали ее с помощью двигательных установок станции и грузовых кораблей «Прогресс». Иначе не смогла бы она так долго находиться в космическом пространстве. Американские специалисты, не имея возможности перевести свою станцию «Скайлэб» на бóльшую высоту, вынуждены были примириться с ее неминуемой гибелью.
Подправить орбиту бывает необходимо и в том случае, когда космический аппарат должен пройти в назначенный срок над заданным районом земной поверхности, при сближении с другим аппаратом и стыковке. Если же путь его лежит к другим планетам, неизбежны коррекции траектории полета. При огромных межпланетных расстояниях ошибка в начальной скорости всего на один метр в секунду приводит к промаху на сотни тысяч километров.
И даже на околоземной орбите не может аппарат оставаться лишь бездеятельным наблюдателем. Все время ему надо следить за своим положением в пространстве. Панели его солнечных батарей непременно должны быть повернуты плоскостями к Солнцу, приемопередающие антенны — направлены на Землю, а приборы, проводящие астрономические наблюдения, требуют строгой ориентации всего корпуса.
Много задач, и самых различных, приходится решать двигателям космического аппарата. Поэтому одним типом двигателя никак не обойтись. Например, разгон или торможение аппарата в полете производят мощными реактивными толчками. А точная ориентация нуждается в тонком управлении. В современных астрофизических исследованиях порой необходимо направить орбитальный телескоп или какой-нибудь другой прибор на выбранную точку небесной сферы с очень малой погрешностью — не выше десятых долей угловой секунды. В этих случаях двигатель уподобляется микрометрическому винту микроскопа. Не подходит для такой ювелирной работы обычный ракетный двигатель. Нужны специальные микродвигатели — «микрушки», как их ласково называют специалисты. Впервые их применили на советской автоматической станции «Луна-3», сфотографировавшей в октябре 1959 года обратную сторону естественного спутника нашей планеты. В течение всего времени фотографирования — около 40 минут — «микрушки» непрерывно поддерживали наводку станции на поверхность Луны. Впоследствии их стали широко использовать для ориентации самых различных космических аппаратов, вплоть до нынешних «Союзов», «Прогрессов», «Салюта». На космическом корабле «Союз» установлены сразу три типа двигателей — большой, средней и малой тяги.
Можно сказать, что с двигателями космическим аппаратам повезло. Двигателей создано множество, самых различных типов и мощностей. Наиболее известны жидкостные ракетные двигатели, сила тяги которых может в десятки раз превышать вес аппарата. Рядом с ними детскими игрушками кажутся маломощные двигатели, вроде ионного, тяга которого слабее в сотни тысяч раз. И все эти двигатели работают, всем нашлось место на космическом корабле.
Но полного удовлетворения у конструкторов нет. Не радует их непомерно разрастающийся список космических «движков». Ведь все они требуют запасов вещества, служащего строительным материалом для реактивной струи, и энергии, чтобы с высокой скоростью выбрасывать это вещество из сопла. Неважно, что иногда энергия и вещество совмещаются, как, например, в химическом горючем или в баллоне со сжатым газом. Все равно без них не обойтись. Таким образом, проблема веса топлива волнует не только ракетостроителей, но и создателей космических аппаратов. Пытаясь решить ее, конструкторы обращаются порой к самым необычным проектам космических двигателей.
Неисчерпаема энергия нашего Солнца. В конечном счете именно она вращает турбины электростанций, питает мощные промышленные предприятия, перемещает на огромные расстояния железнодорожные составы, совершает много других полезных дел. В том числе — разгоняет космические корабли. Но прежде чем принять облик высококалорийного ракетного горючего, солнечные лучи проходят длинный ряд перевоплощений. А не обратиться ли сразу к первоисточнику? К чему лишние промежуточные звенья? На околоземной орбите каждый квадратный метр освещаемой поверхности получает до полутора киловатт солнечной энергии. Вот и надо черпать эту светоносную силу, а всякие генераторы и аккумуляторы убрать из космического аппарата. Удобно, не обременительно и не нужно бояться того, что энергия истощится. Только как же переработать электромагнитное излучение Солнца в движение реактивной струи?
Это может сделать, например, солнечная полупроводниковая батарея в сочетании с ионным двигателем. Батарея поддерживает высокое напряжение на электродах, которые ускоряют поток заряженных частиц.
Так ускоряются электроны в трубке телевизора. Если перенести телевизор в космическое пространство и удалить стенку трубки с люминесцирующим экраном, то свободно вытекающий электронный луч уподобится реактивной струе и создаст тягу, правда, совсем незначительную. Чтобы питать такой двигатель электрической энергией, нужна обширная площадь улавливателя солнечной радиации. Каждый киловатт, рожденный на борту спутника, требует не меньше десяти квадратных метров панелей солнечных батарей. В пересчете на вес это оборачивается многими десятками килограммов. Даровая энергия Солнца достается вовсе не даром. Нужно еще прикинуть, не лучше ли поставить на космический аппарат компактный химический источник тока?
Достоинства солнечных батарей очевидны там, где можно обойтись малой мощностью. Взять хотя бы орбитальные космические аппараты. Двигатели им нужны лишь для ориентации, стабилизации и для коррекции орбиты. Они могли бы целиком состоять на солнечном довольствии. Начало уже положено советским искусственным спутником «Метеор», запущенным в декабре 1971 года. На нем был установлен ионно-плазменный двигатель, питавшийся энергией Солнца. Конструкторы впервые рискнули оставить в космическом аппарате только запасы вещества, из которого формируется реактивная струя. Энергию брали за бортом.
У очень сильного человека соперников всегда меньше, чем у людей с обычными физическими данными, которых большинство. Так же обстоит дело и с космическими двигателями. Проектов маломощных устройств, создающих реактивную тягу, развелось такое множество, что нелегко их даже перечислить. И продолжают поступать новые предложения.
Раз тяга двигателя невелика, ему нужно очень долго работать, чтобы произвести ощутимое действие. Вероятность же безотказной его работы тем меньше, чем сложнее он устроен. С этой точки зрения комбинация ионного источника, системы ускоряющих электродов, солнечных батарей и обслуживающей их электрической схемы — не лучший вариант. Надо бы что-нибудь попроще. Скажем, включил электрическую лампочку — и двигатель заработал. Есть один такой проект.
Камера двигателя заполняется газообразным соединением, разлагающимся на свету. Стоит только зажечь в камере источник света с определенным спектральным составом — например, ртутно-аргоновую лампу, — как молекулы газа распадаются на две части. Вдвое увеличивается число частиц в камере двигателя, давление в ней повышается, и продукты разложения вытекают из сопла, создавая тягу.
Электрическую лампочку вполне заменит солнечный свет, проникающий в камеру через прозрачное окно. Тогда конструкция двигателя становится неправдоподобно простой: не нужен источник электрического тока — лишь рабочая камера с иллюминаторами да запас разлагающегося вещества. Жаль только, что мощность исчисляется не лошадиными, а муравьиными силами. При диаметре сферической камеры в 30 сантиметров заполняющий ее азид аммония, разлагаясь на свету, создаст тягу в пять тысячных долей грамма. С такой тягой нечего думать о старте с поверхности даже небольшой планеты или ее спутника. Но вдали от планет, где их притяжение ничтожно, она станет движущей силой. И для тонкой коррекции или ориентации космического аппарата эта малая, зато постоянная по величине мощность весьма подходит.
| Сверху вниз: 1 — ионный реактивный двигатель, использующий преобразованную энергию солнечного излучения; 2 — фотохимический реактивный двигатель с собственным источником света; 3 — реактивный двигатель, работающий на веществе, легко испаряющемся из твердого состояния; 4 — реактивный двигатель, работающий на энергии луча лазера, направляемого с Земли. |
Случалось вам оставить открытой склянку с кристалликами йода? Тогда вам известно удивительное свойство этого вещества. Через несколько часов пузырек оказывается пустым. Кристаллики исчезают, улетучиваются. К веществам, способным переходить в пар, минуя жидкое состояние, относятся также нафталин, камфора, параформальдегид, дифенил и даже обыкновенный лед. Все они могут стать строительным материалом для струи. При нагреве солнечными лучами такое вещество, помещенное в камеру двигателя, начнет испаряться, и пары его, вытекая из сопла, создадут движущую тягу. Тяга эта очень мала, как и у фотохимических двигателей, описанных выше. Но простота и удобство в обращении привлекают внимание к этим «движкам». Подсчитали, что одного литра легколетучего вещества достаточно, чтобы в течение года поддерживать вращение спутника вокруг оси со скоростью, например, десять оборотов в минуту.
Только специальное, легколетучее вещество можно подогреть на солнечном свету так, чтобы оно превратилось в достаточно густое облако и заполнило камеру двигателя. С обычным веществом солнечному излучению не справиться. Это под силу лишь лучам, посылаемым... с Земли.
Вот тянется тонкий, но сильный световой луч к самой орбите и упирается в борт корабля. Яркость его так велика, что, проникнув сквозь прозрачное окно в камеру двигателя, он разогревает лежащее здесь вещество до нескольких тысяч градусов. Раскаленной струей плазмы истекает оно из сопла. Вы, конечно, догадались, какие лучи способны на такие чудеса? Да, это луч лазера, в котором плотность энергии необычайно велика. Лазеры могут поспорить с Солнцем, лишь бы их мощность была подходящей. А поскольку они остаются на Земле, то их можно как угодно усложнять и утяжелять, добиваясь высокой отдачи энергии. Многократное использование лазерной установки со временем окупит немалые затраты на ее изготовление.
Лазерный пучок мощностью в 1800 мегаватт сообщит стокилограммовому космическому аппарату ускорение, в 300 раз превышающее ускорение свободного падения на Землю. Пока вопрос в том, найдутся ли столь сильные источники световых лучей. На сегодняшний день мощность лазеров исчисляется киловаттами. Этого слишком мало, чтобы создать тягу в космическом пространстве. Единственное, на что способны нынешние лазеры, — это освещать с Земли солнечные батареи спутников, движущихся по низким орбитам, дополняя солнечные лучи. Энерговооруженность аппаратов с такой двойной подсветкой заметно повысится. Не соперниками, а помощниками Солнца станут на первых порах лазеры.
Недаром про беспомощное состояние говорят: «Словно подвесили в пустоте». В таком «подвешенном» состоянии оказывается любой космический аппарат, когда он покидает земные пределы. Уходит «из-под ног» не только почва, но и воздушная атмосфера, которая так хорошо поддерживает самолеты и позволяет им перемещаться. Единственная опора в космической пустоте — это запасы того вещества, которое отбрасывают в виде реактивной струи, создавая движущую тягу. Но в погоне за малым весом конструкторы посягают даже на эти запасы, грозя лишить аппарат последней опоры. Не слишком ли увлекаются они всемерным облегчением своих творений?
Нет, речь идет вовсе не об изъятии реактивного вещества, а о равноценной замене. Равноценной по силе тяги, но не по весу. Выигрыш в весе — непременное условие всех конструкторских ухищрений. Например, одна зарубежная фирма разрабатывает космический двигатель, в котором реактивная струя создается из биологических отходов космонавтов.
Дело в том, что утилизация отходов на космическом корабле выросла в одну из самых значительных технических проблем. Полная регенерация в системе жизнедеятельности пока не достигнута, а желательно использовать все отходы полностью. Новый двигатель должен помочь справиться с этой проблемой. Все, что остается в обитаемом космическом аппарате после регенерации воды и кислорода, все пищевые отходы, фекалии, бумагу — все можно будет выгодно утилизировать. Поэтому не нужно спешить с удалением таких веществ из корабля, как делают до сих пор. Если уж их выбрасывать, то в виде реактивной струи, чтобы получить тягу. Но сначала смесь, состоящую из этих компонентов, надо нагреть в специальной камере до высокой температуры. Нагрев можно совершать с помощью электрической дуги, повышающей температуру до 10 000 градусов. Раскаленные газообразные продукты будут истекать из сопла с большой скоростью. Один из первых пробных двигателей на биологических отходах при наземных испытаниях уже развивал тягу в 68 килограммов.
Напрашивается вывод: «мусоропровод» космического корабля должен заканчиваться камерой сгорания ракетного двигателя. Систему жизнеобеспечения следует совместить с двигательной установкой. Может быть, это и поубавит запасы реактивного вещества, но совсем они не исчезнут. Кто же станет планировать космические полеты, полагаясь только на отходы жизнедеятельности космонавтов? Чересчур уж скудно. Большинство двигателистов стремятся к совсем иным масштабам — к запасам вещества без конца и без края. И такие залежи были найдены в верхних слоях атмосферы.
Под воздействием солнечного и космического излучений молекулы газа здесь ионизируются, приобретают электрический заряд. Атмосферные слои из заряженных частиц — это готовое рабочее вещество для ионно-плазменного двигателя. По принципу действия он не будет отличаться от прямоточного воздушно-реактивного двигателя, используемого в авиации. Ионизированный газ можно ускорять комбинацией электрических и магнитных полей. Во время полета аппарата в верхних слоях атмосферы ионизированный воздух, попавший в переднее, входное отверстие двигателя, пройдя между электродами и полюсами магнитов, с высокой скоростью будет вытекать из сопла. Никаких забот со специальными ионными источниками. Было бы на борту корабля достаточно энергии, а дарового реактивного вещества — целый океан. Жаль только, что полет ограничен пределами ионосферы, то есть низкими околоземными орбитами. До больших высот ионосфера не дотягивается, здесь о Земле напоминает только ее магнитное поле.
 Реактивный двигатель, использующий различные отходы для создания реактивной струи. |
 Прямоточный реактивный двигатель, рабочим веществом для которого служат заряженные атомы и молекулы газов в верхних слоях атмосферы. |
При этих словах всплывает в памяти школьный курс физики: контур с током, помещенный в магнитное поле. Какое удивительное упрямство проявляет он, ориентируясь строго перпендикулярно к магнитным силовым линиям. В космической технике такие качества считают похвальными. Именно этого добиваются от систем ориентации и стабилизации спутников. Ничто не должно сбивать их с выбранной позиции. Пусть поучатся у контура с током! Так появились на орбите двойники электрического контура из школьных учебников, правда, куда более сложные и хитроумные, но не менее упрямые. Они заменили в некоторых космических аппаратах двигатели ориентации и стабилизации. Никаких запасов вещества контурам не нужно, достаточно одного источника электрической энергии. Опору себе они нашли в магнитном поле Земли.
Но магнитное поле Земли неоднородно — сила его убывает с высотой. А в неоднородном магнитном поле электрический контур не только поворачивается, ориентируется, но еще и перемещается в какую-нибудь сторону. Магнитное поле либо втягивает, либо выталкивает его. Весьма ценное свойство! Ведь это же магнитный космический двигатель, обходящийся без реактивной струи. Где же они — самоходные электрические контуры, плывущие по магнитным волнам околоземного пространства? Почему их не видно? Скрываются где-то на страницах толстых научных журналов. Познакомимся с одним из них и, может быть, поймем, что охлаждает пыл изобретателей.
 Помещенный в магнитное поле Земли электрический контур с током испытывает на себе действие сил, стремящихся его повернуть, как если бы он находился между полюсами магнита. |
Представьте себе прямой провод до 50 километров длиной, запущенный на орбиту в верхние слои атмосферы. В центре провода находится компактный источник электрической энергии, а на концах — специальные электроды. Ионизируя воздух, они превращают его в проводник электрического тока. Благодаря этому оба конца провода замыкаются через окружающие ионизированные слои атмосферы. Получается своеобразный контур с током, движущийся по орбите. Взаимодействуя с магнитным полем Земли, он получает ускорение и может перемещаться в пространстве. Такой геомагнитный двигатель применим до высоты 10 000 километров. При силе тока около десяти ампер его мощность равна 25-50 ватт.
 Геомагнитный двигатель, обладающий свойствами электрического контура с током. |
Не настораживает вас несоответствие цифр? При столь исполинских размерах контура и не такой уж малой силе тока двигатель сравним по мощности со слабой электрической лампочкой. Слишком хилую опору представляет собой магнитное поле Земли. Величина его незначительна и годится только для того, чтобы вращать стрелку компаса. Вот если бы оно было таким же сильным, как гравитационное поле Земли...
Так почему бы не использовать для перемещения космических аппаратов именно гравитационное поле?
На первый взгляд вопрос звучит даже издевательски. И ответ на него можно дать в том же духе: как же, используют — для движения вниз, при сходе с орбиты и посадке. На «крыльях» притяжения не взлетишь. Само понятие полета прочно связано в нашем сознании с освобождением от оков Земли.
Но авторы странной идеи не унимаются. Доводы здравого рассудка для них не аргумент. «Ведь могут же парусные суда ходить против встречного ветра», — возражают они. И развивают весьма необычную теорию движения против гравитационных сил с помощью этих же самых гравитационных сил.
Мы привыкли считать, что сила притяжения тела Землей пропорциональна массе тела и обратно пропорциональна квадрату расстояния от этого тела до центра Земли. Между тем это справедливо только для точечной массы, то есть для воображаемого, не существующего в действительности тела, обладающего массой, но не имеющего протяженности, размеров. Забывая об этом, мы в подавляющем большинстве случаев не делаем существенной ошибки, так как обычные тела ничтожно малы по сравнению с нашей планетой — все равно что точки. Но на самом деле сила притяжения Земли, действующая на какое-либо тело, вовсе не равна силе, действующей на точку той же массы. Как ни мало это отличие, оно позволяет предложить космический двигатель нового типа.
 Слева — разгон гравилета по спирали в поле тяготения Земли. Справа — схема действия сил притяжения на удлиненный спутник: массы «гантели» притягиваются к Земле силами F1 и F2 , не совпадающими по направлению. Складывающаяся из них суммарная сила притяжения, изображенная белой стрелкой, меньше арифметической суммы сил F1 и F2, на точку, имеющую массу всей «гантели» |
Предположим, что вокруг Земли движется гантелевидный спутник, ориентированный своей длиной перпендикулярно к плоскости орбиты. Обе его шаровые массы можно считать точками, которые притягиваются к Земле по вышеупомянутому закону. Суммарное притяжение всего спутника складывается из этих двух сил по правилу параллелограмма. Поскольку обе силы расположены под углом друг к другу, то результирующая сила притяжения, приложенная в центре тяжести спутника, меньше их арифметической суммы. В этом и проявляется различие между притяжением тела и притяжением точки, не имеющей размеров. Если в центр тяжести «гантели» поместить точку с массой, равной сумме ее шаровых масс, то сила притяжения была бы как раз вдвое больше силы притяжения одной из этих масс. Спутник-«гантель» притягивается слабее, чем равноценная ему по массе точка. Можно подумать, что его протяженность вносит некоторую силу отталкивания, ослабляющую притяжение. И чем длиннее спутник, тем больше это воображаемое отталкивание. Имея достаточно внушительную «гантель», можно заставить эту «отталкивающую силу» трудиться, удалять аппарат от Земли. Для этого нужно укорачивать «гантель», сводить обе ее шаровые массы вместе, и снова разносить их на полную длину спутника.
Вот движется наша «гантель» по эллиптической орбите и совершает половину витка — от наиболее близкого к Земле положения до наиболее удаленного. Размер орбиты определяется уменьшенным притяжением раздвинутого спутника. При наибольшем удалении мы сдвигаем массы «гантели», превращаем ее в точку. Притяжение спутника Землей возросло, и он будет продолжать движение уже по иному эллипсу. Сделав половину оборота, спутник-точка придет в положение, ближайшее к Земле, но окажется от планеты несколько дальше, чем в начале движения. Здесь мы снова раздвинем обе массы. «Гантель» опишет новый полувиток орбиты, более вытянутый по сравнению с прежним. В положении наибольшего удаления спутник окажется еще дальше от Земли, чем в конце первого полувитка. Опять мы сдвигаем «гантель» и так далее.
«Пульсирующий» спутник, меняющий свои размеры, будет описывать раскручивающуюся спираль, постепенно удаляясь от Земли. Энергия, затрачиваемая на сдвигание и раздвигание «гантели», переходит в энергию движения спутника в целом. Предложившие идею такого гравитационного маневра советские ученые В. В. Белецкий и М. Е. Гиверц назвали свой космический корабль гравилетом. Самое парадоксальное заключается в том, что притяжение планеты используется для удаления от нее. Двигатель получается наиболее маломощным из всех двигателей малой тяги. Лишь при длине «гантели» в десятки и даже в сотни километров он сравнится с ионным двигателем.
Технически реализовать эту идею совсем не просто. Можно запустить на орбиту космический аппарат с электромотором, который сматывает и разматывает длинный трос, соединяющий две массы. Можно вообще отказаться от раздвижной «гантели», а поворачивать продолговатый аппарат то боком, то торцом к Земле. Это тоже будет изменять величину действующего на него притяжения и позволит ему удаляться от планеты по спирали. А разворачивать и ориентировать космические аппараты без ракетных двигателей уже научились. Для этого используется нехитрое устройство.
Представьте себе невероятное: желая развлечься, вы раскрутили юлу, и вдруг ваша комната поплыла, завращалась в обратную сторону. Не может, конечно, такого произойти... на Земле. А в космосе это случалось и случается. Если внутри неподвижного космического аппарата начать крутить с большой скоростью тяжелый маховик, ось которого закреплена в корпусе с помощью подшипников, то сам аппарат тоже придет в движение: начнет вращаться в противоположном направлении. Таков результат действия одного из законов механики. Своим вращением аппарат как бы компенсирует вращение внутреннего маховика. Точно так же происходит отдача орудия при вылете из него снаряда. Чем больше снаряд и чем выше скорость его полета, тем сильнее отдача. Это хорошо знают артиллеристы. Аналогично: чем массивнее маховик и чем быстрее его раскручивать, тем большее влияние окажет он на космический аппарат. Весьма удобный и простой способ ориентации и поворота спутников!
 Изменение ориентации спутника вращением укрепленного внутри него маховика. |
Идея эта была высказана еще К. Э. Циолковским. Немало сейчас на орбитах космических аппаратов, разворот которых совершается с помощью установленной внутри «юлы» с электромотором: например, советские метеорологические спутники «Метеор», в которых электромотор питается энергией от солнечных батарей. Маховиками можно разворачивать и гравилеты, если они появятся на околоземных орбитах.
Завершая наше знакомство с космическими двигателями без реактивного вещества, вообразим себе еще одну необычную картину: космонавты сами, за счет своей мускульной силы, раскручивают маховик. Для этой цели можно использовать, например, велосипедный привод. Вручную экипаж разворачивает и разгоняет гравилет, удаляясь от родной планеты. Хоть и нецелесообразен космический полет на «велосипеде» с точки зрения сегодняшней техники, но в принципе он вполне возможен.
Предел мечтаний конструкторов — избавить космический аппарат и от источника энергии, и от запасов вещества одновременно. Оставить лишь пустой двигатель, который нечем питать и нечем приводить в действие. Пусть позаботится о нем космос: вдохнет в него активность и движущую силу.
Не слишком ли полагаются конструкторы на холодные и безжизненные космические пространства? Пуститься туда без всяких запасов — это все равно, что без воды и пищи отправиться в пустыню. Но если точно знаешь, где расположен в пустыне оазис, то без особого риска можно отбыть налегке. В космической пустыне тоже существуют свои спасительные «оазисы».
 Прямоточный реактивный двигатель, работающий за счет восстановления распавшихся молекул воздуха в верхних слоях атмосферы. |
В верхних слоях атмосферы под воздействием солнечного и космического излучений молекулы газов расщепляются на отдельные атомы. В полдень такой процесс начинается на высоте 40-50 километров и захватывает вышележащие слои. Когда атомы вновь соединяются в молекулы, высвобождается энергия, затраченная на разрыв молекулярных связей. Так, при соединении в молекулы атомов кислорода, содержащихся в килограмме воздуха, выделяется 848 килокалорий. Такой энергией можно нагреть воздух до 3000 градусов. Если это сделать в камере двигателя, то давление в ней резко повысится и воздух с высокой скоростью устремится наружу через выхлопное сопло. Но вся загвоздка в том, что процесс соединения атомов протекает весьма лениво, затянуто во времени. Столь медленным тепловыделением никак не нагреть воздух до высокой температуры. Неплохо бы «подстегнуть» эту химическую реакцию, тогда реактивная тяга была бы обеспечена.
Химики ускоряют медленные процессы с помощью катализаторов — веществ, в присутствии которых реакции протекают в сотни и в тысячи раз быстрее. Лабораторные опыты показали, что золото лучше всего ускоряет соединение атомов, содержащихся в воздухе. Такой катализатор в камере прямоточного двигателя сыграет роль запальной свечи, а воздух с распавшимися молекулами заменит горючее. Остается только позолотить внутренние стенки камеры, установить в ней золотые перегородки, словом, позаботиться о наилучшем контакте воздушного потока с этим металлом.
К сожалению, химики подсказали только катализатор. Но некому научить двигателистов, как этим катализатором воспользоваться. Хотелось бы, чтобы его поверхность омывалась как можно большим количеством воздуха. Без этого не получишь сильного тепловыделения и достаточной тяги. Но всякие каналы, решетки и другие приспособления, увеличивающие внутреннюю поверхность камеры, резко тормозят поток воздуха, входящий в двигатель. А ему полагалось бы, наоборот, ускоряться, чтобы возникло тяговое усилие. В этих противоречиях безнадежно запуталась конструкторская мысль.
Далеко запрятаны ключи от «солнечных кладовых» атмосферы, где наготове и энергия, и реактивное вещество для космического корабля. Не лучше ли в таком случае перехватывать солнечные лучи еще в пути, до того как они начнут раскалывать на части молекулы воздуха? Посредничество разреженных воздушных слоев, консервирующих энергию Солнца, вовсе не обязательно. Только как же тогда впрячь в космическую «колесницу» свет — эту наилегчайшую и неосязаемую субстанцию?
 Межпланетные перелеты космического аппарата с солнечным парусом: слева — полет за орбиту Марса, справа — полет к Венере против «солнечного ветра». (Белыми стрелками показано направление силы тяги солнечного паруса.) |
Астрономов долгое время мучила загадка кометных хвостов. Почему они всегда направлены в сторону от Солнца? Потом нашли этому объяснение. Оказывается, их сдувает давлением солнечных лучей. Толкающее действие этих лучей испытали и американские надувные спутники «Эхо». Их тоже сносило с орбиты напором «солнечного ветра». Ведь при малом весе они обладают большой поверхностью, или, как говорят специалисты, парусностью.
«Солнечный ветер» и парусность спутников. Впору пуститься в плавание на космическом парусном фрегате!
На фрегат рассчитывать, конечно, трудно, а вот на маленький челнок — можно. Ведь давление солнечного света ничтожно мало. На околоземной орбите оно составляет почти миллиграмм на квадратный метр. Тем не менее обширный солнечный парус мог бы увлечь спутник Земли в межпланетное пространство, к другим небесным телам. Нужно лишь уметь им управлять — вовремя сворачивать и разворачивать. Десятикилограммовый космический аппарат с солнечным парусом диаметром 70 метров быстрее чем за год достиг бы окрестностей Венеры.
Если не хватает солнечной тяги, можно уподобиться тому комедийному персонажу, который, сидя в лодке, дует в парус, чтобы ускорить движение. Для этого достаточно покрыть одну сторону паруса тонким слоем радиоактивного вещества, испускающего быстро тормозящиеся в любом материале альфа-частицы. В одном направлении альфа-частицы будут поглощаться парусом, а в другом — лететь свободно сплошным потоком. Чем не реактивная струя? На каждый квадратный метр такого паруса можно получить тягу в 2,5 миллиграмма.
В упряжке с солнечными лучами мог бы работать и лазерный луч, если упереться им с Земли в парус космического аппарата. Но и лазеру не под силу тягаться с обычными ракетными двигателями. При диаметре паруса 360 метров мощность луча должна быть 180 000 мегаватт, чтобы движимый им десятитонный аппарат не отставал от ракетного корабля такого же веса.
Чем короче длина волны лазерного излучения, тем эффективнее его толкающее действие. Наибольшую тягу давал бы лазер, испускающий рентгеновские лучи, но его еще нужно создать. Во всяком случае, движимый рентгеновским лучом межзвездный корабль был бы не менее перспективен, чем фотонная ракета. За 10 лет корабль весом в 100 тонн достиг бы звезды Альфа Центавра, отстоящей от нас на расстоянии четырех световых лет. Но все придумываемые ныне межзвездные перелеты грешат одним: совершенно фантастическими цифрами необходимой мощности. Не избавлен от этого недостатка и рентгеновский звездолет. Мощность лазерного излучения должна составлять миллион мегаватт. Пока что это превышает мощность всех электростанций на земном шаре. Освободив межзвездный корабль от всяких запасов энергии, авторы проекта явно перегрузили ими Землю.
Перечисляя различные варианты космического полета без энергии и без рабочего вещества, мы чуть было не забыли о самом простом и незамысловатом. Ведь можно просто-напросто прицепить один космический аппарат к другому, на борту которого заготовлено ракетное топливо сразу на двоих. Тогда буксируемый космический аппарат уподобится воздушному планеру или речной барже. С него можно убрать не только источники энергии и запасы рабочего вещества, но и сам двигатель. Разгружать так разгружать! Только какой во всем этом смысл? Зачем понадобился космический прицеп без руля и без ветрил, проект которого обсуждается специалистами? Оказывается, с его помощью можно решить давно назревшую научную задачу.
 Межзвездный корабль, движимый лучом рентгеновского лазера, мог бы достичь даже околосветовой скорости. |
Исследователям земной атмосферы в последнее время досаждает «белое пятно». Даже не «пятно», а целый шаровой слой вокруг нашей планеты, начиная с высоты 60 километров и кончая высотой в 100-120 километров. Для самолетов и воздушных шаров он недосягаем: чересчур разреженная атмосфера не позволяет создать подъемную силу. А орбиты спутников пролегают выше этой зоны; разреженная воздушная среда оказывает здесь настолько сильное сопротивление, что невозможно совершить даже один оборот. Только высотным метеорологическим ракетам доступна эта ничейная промежуточная область, но они пронизывают ее за считанные минуты, не успевая собрать всей нужной информации. Вот и придумали спустить в недостижимую зону с более высокой орбиты исследовательский аппарат, привязанный к обычному спутнику. Свисая на 100-километровом тросе, он «в ногу» со своим ведущим обежит недозволенные орбиты, не затратив на это ни ватта энергии, ни грамма реактивного вещества. Движущей силой для него станет тяга буксира, совершающего свой полет намного выше.
аждому, кто хоть немного знаком с космонавтикой, должны быть известны три замечательные скорости. Двигаясь со скоростью 7,9 километра в секунду, любое тело становится спутником Земли. Это — первая космическая скорость. При второй космической скорости, равной 11,2 километра в секунду, стартовавший с Земли аппарат преодолевает земное притяжение и уносится в межпланетное пространство. Третья космическая скорость — примерно 16,5 километра в секунду — позволяет уже покинуть Солнечную систему. Эта скорость — самая высокая. Бóльшая нужна разве что для выхода за пределы нашей Галактики. Но не будем забираться так далеко. И в самой Солнечной системе найдется цель, достигнуть которую можно лишь при скорости полета, превышающей третью космическую.
В одном научно-фантастическом рассказе говорится о том, как улетевший с Земли космический корабль стал вдруг падать на Солнце. Совершенно случайно, из-за ничтожной ошибки в управлении. Непосвященный читатель не усмотрит в этом ничего необычного. Кому не известно, что Солнце — сильнейший центр притяжения? Не так просто вырваться из его цепких объятий. Только третья космическая скорость позволяет разорвать путы солнечного тяготения. Казалось бы, в обратную сторону — к Солнцу — лететь куда легче. Всего-то и нужно — не сопротивляться силам, влекущим корабль к нашему светилу.
Сообщу читателям сведения, которые, уверен, удивят многих. Чтобы попасть с Земли на Солнце, нужна чуть ли не вдвое бóльшая скорость, чем для выхода за орбиту самой последней планеты Солнечной системы — Плутона, отстоящей от Земли почти в 40 раз дальше Солнца. Парадоксально, но факт: падение на Солнце требует более высоких затрат энергии, чем преодоление его силы притяжения. Автор упоминавшегося научно-фантастического рассказа проявил незнание основных законов космического полета.
Ученые давно мечтают познакомиться поближе с нашим светилом. От колебаний солнечной активности зависят многие жизненно важные для нас процессы — начиная с погоды и кончая нашим самочувствием. Вблизи Солнца, где наиболее значительна напряженность гравитационного поля, можно с высокой точностью проверить справедливость теории относительности, предсказывающей зависимость хода времени от сил тяготения. И главное, мы до сих пор не знаем толком, каков источник неисчерпаемой солнечной энергии. Если на Солнце бушует пламя предполагаемой термоядерной реакции, то приборы должны улавливать испускаемые им нейтрино — мельчайшие элементарные частицы. Однако этого не подтверждают сложные и тонкие физические эксперименты, проведенные на Земле. Так что настала пора запустить на Солнце исследовательский зонд.
Но где взять силы для решающего прыжка в глубь планетной системы? Современные ракеты-носители не обеспечивают необходимую для этого скорость. Космический аппарат «Гелиос», запущенный совместно Соединенными Штатами и ФРГ, не смог продвинуться к Солнцу ближе чем на 50 миллионов километров — треть радиуса земной орбиты. Сильнейший центр притяжения на поверку оказался ничуть не лучше какого-нибудь центра отталкивания.
Настоящий полюс недоступности. Впрочем, Солнце ли в этом виновато? Ключ ко всей проблеме нужно искать на Земле.
При запуске космического корабля наша планета играет роль первой стартовой ступени. Ее орбитальная скорость — около 29,8 километра в секунду — весьма существенное подспорье для ракетных ускорителей. Специалисты, разрабатывающие космические запуски, конечно же, не отказываются от такого подарка и в полной мере используют энергию движения Земли. Для полетов к Марсу, к Юпитеру и к другим более удаленным от Солнца планетам старт производится в направлении этого движения. Тогда скорость, с которой ракета отрывается от Земли, складывается с ее орбитальной скоростью. Словно камень из быстро крутящейся пращи, срывается ракета с земной орбиты и, обгоняя нашу планету, устремляется прочь от Солнца.
Если бы орбитальная скорость Земли была не столь велика (у Сатурна, например, она в три раза меньше), межпланетные перелеты доставались бы нам более высокой ценой: пришлось бы наращивать мощность ракетных двигателей, увеличивать запасы топлива, а следовательно, и вес ракет-носителей. Хоть и не довольны мы ракетами-гигантами, но именно нашей планете обязаны тем, что они такие, а не еще бóльших размеров и веса.
Однако все выглядит совсем иначе, когда ракета стартует к Солнцу. В этом случае вращение Земли по орбите уже не помощь, а помеха, да еще какая. Ракете нужно погасить орбитальную скорость и, к тому же, преодолеть земное притяжение. Вот и получается, что запуск на Солнце должен происходить со скоростью 31,8 километра в секунду. При этом ракету посылают в сторону, противоположную движению Земли по орбите. Так появилась в космонавтике четвертая космическая скорость, пока что недостижимая.
Нас всегда удивляло могущество сил тяготения нашего светила, возвращающего кометы из глубин космоса даже через сотни лет. А оказалось, что куда легче выиграть единоборство с мощнейшим центром притяжения, чем справиться с унаследованной космическим кораблем орбитальной скоростью Земли. Она облегчает ракеты, когда они стартуют за земную орбиту, она же их утяжеляет, если путь их лежит к планетам внутри этой орбиты — к Венере и к Меркурию. Ракетостроителям совсем не безразлично, какой маршрут изберут проектировщики межпланетных трасс.
Недолгие минуты, а то и секунды работают двигатели ракеты-носителя. По сравнению с многомесячным межпланетным перелетом — это не более чем миг. И за такое кратчайшее время скорость космического корабля достигает огромных величин. Как будто он получил сильнейший толчок! Так и считают при разработке межпланетных трасс, что космический аппарат разгоняется мгновенными толчками.
Получив при запуске соответствующий толчок, межпланетный корабль начинает двигаться подобно другим небесным телам. Он становится искусственной планетой, обращающейся вокруг Солнца по сильно вытянутому эллипсу. Одним своим краем эллипс касается орбиты Земли, другим — орбиты той самой планеты, которая выбрана конечным пунктом. По этому эллиптическому маршруту корабль курсирует от одной орбиты к другой, как челнок.
Если же нужно перейти на орбиту планеты-мишени, требуется уже второй толчок — как раз в тот момент, когда корабль достигнет наиболее удаленного края эллипса. Этот толчок заставит космический аппарат свернуть на выбранную орбиту.
Но каждое новое включение ракетного двигателя — это дополнительный расход топлива, это добавочный вес, обременяющий космический аппарат и ракету-носитель. Если конечная орбита, на которую перекочевывает корабль, дальше от Солнца, чем земная орбита, в 12 раз и более, то ракетные двигатели сжигают за два толчка слишком много горючего. Конструктор недоволен таким расточительством, оборачивающимся килограммами и десятками килограммов веса баков с топливом. Но в ответ на его претензии разработчики космических трасс советуют... еще раз включить ракетный двигатель в середине пути. При этом они уверяют, что, вопреки обычной арифметике, при трехтолчковом межпланетном перелете топлива выгорает меньше, чем при двухтолчковом.
 Эллиптические орбиты межпланетных перелетов с двумя включениями ракетного двигателя. (Оранжевая стрелка показывает направление силы тяги включенною двигателя.) |
Скажем, нацелились мы на орбиту Урана, в 19 раз более далекую от Солнца, чем Земля. Сначала направим корабль по сильно вытянутому эллипсу далеко за эту орбиту. В точке наибольшего удаления вторым ускоряющим толчком пошлем его в обход Солнца по другому эллипсу, касающемуся Урановой орбиты за нашим светилом. Только теперь, приложив в момент касания третий, уже тормозящий толчок, переведем космический аппарат на орбиту планеты-мишени.
На первый взгляд мало привлекателен столь замысловатый маршрут с заведомым перелетом. Но точные расчеты способны убедить любого скептика. Несмотря на то, что ракетные толчки растут в числе, по мощности они становятся гораздо слабее. Разгадка заключается в том, что в различных точках эллиптической орбиты скорость движения неодинакова. Наименьшая скорость — в момент наибольшего удаления от Солнца. А чем медленнее движется тело, тем легче свернуть его с избранного пути на новый. В самой далекой точке обходного зауранового эллипса достаточно лишь незначительного толчка, чтобы послать корабль к Солнцу по другой эллиптической орбите. По мере приближения к нашему светилу скорость корабля нарастает. Когда он придет в точку касания с орбитой Урана, его собственная скорость почти сравняется с орбитальной скоростью этой планеты. Остается только слегка затормозить корабль, включив двигатель в третий раз.
Общий выигрыш в весе горючего тем выше, чем более глубокий обходный маневр совершит межпланетный корабль. И самый выгодный межорбитальный переход... через бесконечность. Через бесконечность без особого труда можно попасть даже на Солнце. Если воображаемый сверхвытянутый эллипс уводит корабль в беспредельные космические дали, скорость движения там падает до нуля. Нет никакого орбитального вращения вокруг Солнца, и не нужно гасить никакую скорость. Не израсходовав ни капли топлива, аппарат сам по себе начнет падать на Солнце из бесконечного далека.
Этот вариант вполне устроил бы конструкторов, да жаль, что маневры с бесконечностью представляют лишь умозрительный интерес. Кто же станет всерьез обсуждать пути следования «бесконечность и обратно»? Фантастика, к тому же не научная. Но может быть, не обязательно в буквальном смысле забираться в самые что ни на есть глубины мирового пространства? Не достаточно ли направить космический аппарат только к окраинам Солнечной системы? Такие маршруты тоже были рассчитаны.
Чтобы упасть на Солнце с расстояния, в 20 раз превышающего радиус земной орбиты, нужно всего два раза включить ракетный двигатель: на старте, разгоняя ракету-носитель до скорости 15,8 километра в секунду, и в самой удаленной точке, тормозя космический аппарат, имеющий скорость два километра в секунду. Это совсем не то, что четвертая космическая скорость, недоступная современной космической технике. Значит, можно все-таки попасть на Солнце в наши дни с помощью созданных уже ракет-носителей!
 Окольный путь с Земли к Юпитеру с тремя включениями ракетного двигателя. |
Однако те, кто прокладывают космические трассы, без особого воодушевления встретили проект путешествия к центру Солнечной системы через ее окраины. И не удивительно. Целых 17 лет нужно добираться до заурановой области, и после предстоит еще 16 лет падать на Солнце. Столь затянутый перелет не оправдаешь никакой экономией топлива. Нет, не устраивают окольные рейды расчетчиков космических трасс. Нужны другие маршруты, не только выгодные, но и более краткосрочные.
— Хочешь быстрей попасть на Солнце — целься в Юпитер, — советуют ученые. — Юпитер может заменить бесконечность.
В октябре 1959 года ракета-носитель вывела советскую автоматическую станцию «Луна-3» на орбиту, конечный участок которой упирался в поверхность Земли. Казалось, уже в момент старта космический аппарат был обречен: на первом же витке он должен был войти в земную атмосферу и сгореть, подобно метеору. Но не грубый просчет, а, наоборот, сверхтонкий расчет привел к такому необычному запуску. Наперерез станции двигалась Луна. Своим притяжением она выправила полет космического аппарата: орбита его изменилась и отступила от Земли на безопасное расстояние. Луна не только уберегла станцию от печальной участи. Она так развернула ее орбиту, что станция вернулась к Земле с севера, а не с юга. Это обеспечило наиболее благоприятную связь с территорией Советского Союза.
 Полет к Солнцу через Юпитер. |
Весь маневр был выполнен без включения ракетного двигателя, только лишь силою лунного притяжения. Впервые в истории космических полетов поле тяготения небесного тела заменило ракетный двигатель. Этот хитроумный замысел помог облегчить космический аппарат, избавив его от запасов топлива, необходимых для маневрирования в подлунном пространстве.
Размеры Луны ни в какое сравнение не идут с размерами Юпитера, масса которого превышает массу всех остальных планет, вместе взятых. Проходя мимо него, космический аппарат испытывает настоящий гравитационный удар. Для баллистиков, планирующих межпланетные маршруты, открываются редкостные возможности: в поле тяготения Юпитера они могут совершать подлинные чудеса. Можно, например, всего за несколько лет добраться до Солнца, и не потребуются для этого сверхмощные ракетные ступени. Земля и планета-гигант возьмут на себя бóльшую часть энергетических расходов.
Предположим, что ракета стартует в направлении движения Земли со скоростью 16,8 километра в секунду. Судьба ее вроде бы предрешена — ей уготован путь за пределы Солнечной системы. Но время запуска выбрано с таким расчетом, что на перехват идет Юпитер. Сильнейшим притяжением он разворачивает космический корабль в прямо противоположную сторону. Описав петлю, корабль устремляется к Солнцу и достигает его через три года. Срок вполне приемлемый. Для прыжка на Солнце используется, как трамплин, орбитальное вращение Земли. То самое вращение, которое считали главным препятствием на пути к Солнцу! Кроме того, представляется возможность за один полет исследовать сразу два крупнейших объекта нашей системы.
В Юпитере баллистики нашли ту точку опоры, с помощью которой они могут повернуть любую орбиту межпланетного перелета, как им вздумается. Например, в период с 1976 по 1979 годы было удобное расположение планет для полетов к Сатурну через Юпитер. Длительность путешествия всего три года, в то время как прямой перелет к Сатурну при той же начальной скорости вдвое продолжительнее. Такое благоприятное расположение Земли, Юпитера и Сатурна повторится снова лишь через 20 лет. Американский космический аппарат «Пионер-11», совершивший маневр вблизи Юпитера, достиг Сатурна в сентябре 1979 года. Именно из-за неподходящего времени запуска путешествие затянулось более чем на шесть лет.
По-разному можно использовать мощное поле тяготения Юпитера. Но для этого нужно до него долететь. К счастью, гигант Солнечной системы находится к нам ближе всех остальных планет, лежащих за марсианской орбитой: Сатурна, Урана, Нептуна и Плутона. Это позволяет уже сейчас планировать весьма непродолжительные межпланетные перелеты с юпитерианским маневром. Если в будущем понадобится регулировщик на самом оживленном перекрестке космических магистралей, наверняка его пост будет где-то вблизи Юпитера.
 Полет к Сатурну с маневром в поле тяготения Юпитера. |
Однако Юпитер не довольствуется лишь скромной должностью стрелочника, переводящего межпланетные корабли с одной орбиты на другую. В некоторых случаях он претендует даже на роль дополнительной ракетной ступени, выступая союзником конструктора в его неустанном труде по сокращению веса космических кораблей.
Кого только не впрягало в космическую «колесницу» воображение наших бесхитростных предков, начиная со стаи гусей и кончая «последним словом» техники — воздушным шаром. А вот Луну и планеты не осмеливались они оседлать. Слишком неправдоподобным казалось это даже самым завзятым фантазерам. Зато ученые XX века не раз уже мысленно разгоняли космические корабли и с помощью Луны, и с помощью планет.
Луна вращается вокруг Земли со скоростью примерно один километр в секунду. Попадая в поле ее притяжения, космический аппарат на какое-то время захватывается Луной. Перемещаясь вместе с ней, он увеличивает свою первоначальную скорость за счет ее орбитальной скорости. Правда, ненамного, так как скорости эти не совпадают по направлению. Но если умело спланировать полет космического корабля, удастся сэкономить какое-то количество горючего за счет лунной добавки к скорости. Более того, ничего не стоит превзойти самого барона Мюнхаузена, совершившего фантастический полет на пушечном ядре. Двигаясь по вытянутой эллиптической орбите искусственного спутника Земли, космический аппарат может «верхом на Луне» стартовать с этой орбиты к другим планетам. Ускоренный Луной, он превратится в межпланетного странника.
 Увеличение скорости космического аппарата за счет орбитальной скорости Луны: V1 — первоначальная скорость аппарата, Vл — орбитальная скорость Луны, V2 — новая скорость аппарата. |
Луна вместо горючего в баках — это звучит заманчиво. Сколько же тонн топлива сэкономит тогда Юпитер! Приводимые учеными цифры ошеломляют: приращение скорости за счет этой планеты может достигать 40 километров в секунду. Ни один ракетный двигатель не сравняется, по своим возможностям с Юпитером. И все другие планеты тоже годятся для разгона космических кораблей. Ученые только еще подбираются к этим необычным ускорительным «ступеням», но уже сейчас рождаются грандиозные проекты, обсуждаются удивительные перспективы. На одном корабле можно, например, совершить целую космическую одиссею с попутным облетом планет, расположенных за орбитой Марса.
Вот стартует с Земли космический аппарат и, совершив гравитационный маневр вблизи Юпитера, направляется к Сатурну. Испытав его притяжение, он незамедлительно отбывает к Урану. Тот подхватывает его своим полем тяготения и переадресует к Нептуну. Всего девять лет займет такое Великое многопланетное путешествие, в то время как прямой полет к Нептуну длился бы целых тридцать лет. Встреча с каждой планетой ломает традиционный эллиптический маршрут и сокращает сроки. Хотя запуск происходит с начальной скоростью 15 километров в секунду, корабль в конце концов выходит за пределы Солнечной системы. Недостающая скорость набирается им в пути: при очередном облете планеты он наследует часть ее орбитальной скорости. За Нептуном скорость корабля уже вчетверо превышает ту, которая необходима для вылета из нашей планетной системы.
 Великое многопланетное путешествие. |
В 1977 году американскими специалистами были запущены к дальним планетам две космические станции — «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Совершив в 1979 году маневр в поле тяготения Юпитера, оба аппарата направились к Сатурну. Предполагают, что «Вояджер-1», проходя мимо Сатурна, разгонится до третьей космической скорости и покинет Солнечную систему. Путь «Вояджера-2» рассчитан иначе. Миновав в августе 1981 года Сатурн, он должен оказаться в январе 1986 года возле Урана, а в сентябре 1989 года — достичь Нептуна. В течение двенадцати лет могут быть исследованы четыре большие планеты и двенадцать их крупных спутников. Правда, сами американские ученые весьма сдержанны в оценке перспектив этого многопланетного вояжа. Не раз они подчеркивали, что вероятность нормальной работы «Вояджера-2» в окрестности Урана, через девять лет после запуска, довольно мала. А возле Нептуна, когда пройдет целых двенадцать лет, и вовсе нельзя рассчитывать на безотказность оборудования станции. Уже в 1979 году на «Вояджере-2» вышел из строя один из двух приемников, на которые поступают команды наземного центра. Пришлось прибегнуть к экстренным мерам, чтобы не потерять контроль над станцией.
Благоприятное для Великого многопланетного путешествия расположение планет складывалось ежегодно с 1976 по 1980 годы. Вновь оно ожидается лишь через двести лет. Поэтому-то американские специалисты поспешили воспользоваться возможностью осуществить уникальный полет, пусть даже не в таком полноценном варианте, как предполагалось вначале.
Не только для исключительно редких и необычных космических экспедиций нужна подходящая планетная ситуация, но и для самого обычного межпланетного перелета. Даже скрупулезно выдержанная скорость запуска сама по себе еще не гарантирует того, что, двигаясь по эллиптической орбите, космический аппарат встретится с планетой, на которую он нацелен. В нужный момент она, скорее всего, окажется в совершенно иной точке своей орбиты. Значит, следует так угадать срок старта, чтобы за время перелета планета как раз подоспела к назначенному месту встречи. Лишь проанализировав положения светил на небосводе, ученые, подобно средневековым астрологам, предвещают успех космического запуска. Без их прогнозов, опирающихся на доскональное знание движений небесных тел и на мудрые советы электронных вычислительных машин, никак не обойтись. Взаимное расположение «планеты отправления» и «планеты назначения», благоприятное для перелета между ними, регулярно повторяется через определенный период времени, называемый синодическим. Старты на Юпитер, например, возможны ежегодно со сдвигом почти на месяц: в марте 1972 года, в апреле 1973 года, в мае 1974 года, в июне 1975 года, в августе 1976 года, в сентябре 1977 года и так далее. Синодический период Марса равен 26 месяцам. Но из-за того, что орбиты Земли и Марса не окружности, а эллипсы, расстояние между ними в благоприятные для запуска периоды меняется раз от разу. Однажды оно становится наикратчайшим. Это — год великого противостояния, повторяющийся через 15-17 лет. Таким был 1971 год, когда спускаемый аппарат советской межпланетной станции «Марс-3» совершил мягкую посадку на поверхность «планеты назначения», а сама станция «Марс-3» вместе со станцией «Марс-2» стали ее искусственными спутниками.
Но даже уложившись точно в срок запуска, предписываемый синодическим периодом, можно попасть вовсе не в планету, а в... ее «тень». Да, да! Ведь мы не учли, что орбиты планет не лежат в одной плоскости, а наклонены друг к другу под небольшими углами. Между тем, стартуя с Земли и наследуя ее орбитальную скорость, любой космический корабль вынужден двигаться в плоскости земной орбиты, называемой плоскостью эклиптики. Ничего удивительного, если, прибыв к пункту встречи точно по расписанию, он все же разминется с планетой. Она в этот момент пройдет на миллионы километров «выше» или «ниже» плоскости эклиптики. Лишь незримая проекция планеты на эту плоскость встретится с посланцем Земли.
 Удачный и неудачный старты космического аппарата к Марсу. В первом случае (Марс окрашен оранжевым цветом) время запуска выбрано так, что аппарат и Марс встречаются в точке пересечения земной и марсианской орбит. Во втором случае (Марс изображен светлой точкой) запуск запоздал — аппарат и Марс разминулись в пространстве. |
Мало кого устроит свидание с призраком. Что же делать? Уповать на тот редчайший случай, когда эллиптическая орбита корабля уткнется как раз в точку пересечения плоскости эклиптики с орбитой планеты-мишени? Ведь только тогда желанная встреча станет неминуемой. Ученые считают, что случай идет навстречу тому, кто его ищет. Они сами устраивают такие совпадения. Например, запуск советской автоматической станции «Марс-1» — 1 ноября 1962 года — был подгадан так, чтобы она встретилась с Марсом вблизи точки пересечения им плоскости земной орбиты.
Лишь дважды за время оборота вокруг Солнца каждая планета «пронизывает» плоскость эклиптики. Поэтому из всех предсказываемых запусков, чередующихся через синодический период, очень немногие гарантируют попадание в планету. Для Юпитера, например, такие старты приходятся на начало января и начало июня. В остальных случаях нужно подправлять полет с помощью ракетного двигателя, то есть запасать на межпланетном корабле топливо. Таким образом, хочешь отбыть в дальний рейс налегке — правильно выбирай день и час отправления с Земли. Расписание межпланетных перелетов и вес космического аппарата оказались взаимосвязанными, и без современных «гороскопов» конструкторам никак не обойтись.
Но что-то уж слишком однотипны эти «гороскопы». Любой из них рассчитан на движение космического корабля в плоскости эклиптики. А почему бы не расширить зону межпланетных перелетов? Скажем, посылать корабли вне плоскости земной орбиты, чтобы они встречались с планетами в любых точках их орбит. Как бы полегчали тогда аппараты, избавившись от необходимого для корректировки топлива!
В самом деле, космические аппараты поубавили бы в весе, зато ракеты-носители потяжелели бы, и довольно значительно. Ведь выход из плоскости эклиптики сопряжен с немалым расходом топлива. Судите сами: даже стартуя перпендикулярно к орбите Земли с третьей космической скоростью, мы отклонимся от этой плоскости лишь на угол в 24 градуса. Чтобы орбита межпланетного перелета действительно была перпендикулярной к земной орбите, нужна скорость запуска 43,6 километра в секунду. Это — пятая космическая скорость, тоже пока недоступная. Творцам межпланетных трасс приходится искать обходные пути к недосягаемым маршрутам. Однако пути эти оказываются чересчур уж протяженными, так как идут через... бесконечность. Но попробуем заменить их полетами к далеким границам Солнечной системы, как мы уже делали однажды, столкнувшись с бесконечностью.
Послав корабль по вытянутому эллипсу к Плутону, ничего не стоит повернуть плоскость его орбиты на 90 градусов в самой удаленной точке, где он почти неподвижен. Потребуется незначительная добавочная скорость — каких-то полтора километра в секунду. Но не устраивают ученых сроки такого маневра: 45 лет полета туда и столько же — обратно. Выигрывая в топливе и весе, проигрываем в расстоянии и во времени.
И снова на помощь приходит Юпитер. Притяжением этой крупнейшей из планет можно так развернуть космический аппарат, что он вылетит из плоскости эклиптики под углом 90 градусов. Поистине неисчерпаемы возможности планеты-гиганта, и в будущих «гороскопах» без него никак не обойтись.
Несбыточные, казалось бы, проекты переводятся Юпитером в разряд вполне реальных, можно сказать, обыденных. К сожалению, не на всяком маршруте, сконструированном теоретиками, попадается такой всемогущий помощник. Поэтому многие и многие весьма оригинальные замыслы и идеи скрываются еще в своеобразных запасниках космических трасс. Смотрят на них пока как на прихотливую игру воображения, забаву острого ума и тонкого расчета. Взять хотя бы проекты многократного облета нашего естественного спутника.
Вот стартует космический корабль с высокой околоземной орбиты в сторону Луны. Через 3,66 суток он окажется над ее обратной, невидимой нам стороной. Лунное тяготение заворачивает его и отбрасывает назад к Земле. Возвращается корабль точно по такой же дуге, которая привела его к Луне, только зеркально отраженной и повернутой на некоторый угол. Проходят еще 3,66 суток, и, обогнув нашу планету, он снова устремляется к ее спутнику. Снова проделывает аппарат в пространстве тот же самый путь, но иначе расположенный — несколько повернутый вокруг Земли по отношению к первой «петле». Путь этот приводит ровно через 3,66 суток к лунной орбите, теперь уже к другому ее участку.
Между тем Луна тоже не стоит на месте. За прошедшее время она сместилась как раз на столько, что пересекающий ее орбиту аппарат вновь встречается с ней. Все повторяется сначала. Словно челнок, снует космический корабль от одного небесного тела к другому, как в хорошо отлаженном механизме: Земля — Луна, Земля — Луна... 3,66 суток туда и 3,66 суток обратно. И это не единственный вариант многократного облета Луны. Можно выбрать более замысловатый путь, скомбинированный из кусков эллипса, с петлями, охватывающими Луну.
Всего один запуск, а столько полетов к Луне и обратно! Это ли не экономия в запасах горючего на борту космического аппарата? Но лишь в теории так хорошо сходятся и увязываются все концы с концами. Совсем не то в действительности. Строго соблюсти описанные маршруты облета можно было бы только в том случае, если бы лунная орбита представляла собой идеальную окружность, чего на самом деле нет. А требования, предъявляемые к запуску, просто пугают. Мыслимое ли дело выдерживать на старте скорость с точностью до одного миллиметра в секунду! Это все равно что фиксировать миллиграммы на весах, взвешивающих многотонные грузы. Если же вспомнить о тех искажениях, которые вносит в полет космического аппарата притяжение Солнца, то иллюзорность такого проекта становится очевидной, во всяком случае на сегодняшний день. Еще одна необычность космонавтики, практическое воплощение которой пока что даже не обсуждается.
 Варианты многократного облета Луны космическим аппаратом при одном запуске.  «Созвездие» из пяти спутников, расположенных в точках либрации, поворачивается вместе с Луной вокруг Земли как единое целое. Светлыми кружками изображены спутники в одном положении, темными — в другом, спустя некоторое время. |
В проектах подлунного космоплавания особое место занимают так называемые либрационные точки. Эти точки пространства интересны тем, что любые помещенные в них тела будут оставаться неподвижными относительно воображаемой линии, соединяющей Землю с Луной.
Три такие точки лежат как раз на этой линии: одна — между Землей и Луной, ближе к последней, другая — за Луной, а третья, словно незримый двойник Луны, копирует ее движение по орбите, находясь по другую сторону от Земли. Еще две точки находятся на лунной орбите: одна — на шестую часть ее окружности впереди Луны, другая — на таком же расстоянии позади.
Если разместить в этих пунктах пять искусственных спутников, то вся система будет оставаться неизменной, как будто Земля, Луна и эти спутники связаны жестким каркасом. Таков эффект суммарного действия сил притяжения Земли и Луны. Нельзя сказать, что спутники совсем не движутся: вся пятерка вращается вместе с Луной вокруг Земли, дрейфует по небосклону. Но выглядят они такими же неподвижными относительно друг друга, как и звезды в созвездии Большой Медведицы, несмотря на то, что «ковш» в течение ночи меняет свое положение на небе. Остается только поблагодарить предусмотрительную природу за то, что она предоставила для нужд космоплавания весьма удобные места под будущие космические гавани, перевалочные базы, внеземные станции и людские поселения. Достоинства их можно оценить уже сейчас.
Легко ли иметь дело с сетью железных дорог, в которой все промежуточные станции со временем куда-то смещаются, плывут, разбегаются? Прежде чем пускаться в очередной рейс, нужно каждый раз заново рассчитывать весь маршрут, подгадывая так, чтобы и поезд, и станция одновременно прибывали в назначенный пункт. Да еще нужно подумать об экономичности маршрута и быстроте перевозок. Именно такой ежеминутно перестраивающейся железнодорожной сети уподобится в будущем совокупность баз и станций, движущихся по орбитам вокруг Земли и Луны. Взаимное расположение их будет непрерывно меняться. И только спутники в либрационных точках замерли для всех, кто находится на Земле или на другой конечной станции — на Луне.
Сколько заманчивых проектов посвящено этим «стоянкам», разбросанным вокруг Луны? Неоднократно предлагали устроить космопорт в ближайшей к Земле подлунной либрационной точке. Не нужно никаких запасов топлива, чтобы удержать его на месте при любых случайных отклонениях. С этим вполне справится солнечный парус. А еще лучше — привязать станцию к Луне, привязать в буквальном смысле слова тросом длиною в 58 000 километров. По предварительным расчетам, для четырехтонного сооружения, повисшего над нашим естественным спутником, вес троса составит около 120 тонн. Ставший «на якорь» космопорт послужит удобной пристанью для легкого транспорта с ручным управлением, курсирующего между либрационной точкой и лунной поверхностью. А старт с него возможен в любом направлении и с любым наклоном орбиты. Значит, можно высаживаться в каком угодно районе Луны, даже на обратной ее стороне. Пассажиров будущих космических линий ждут удобные маршруты: Земля, либрационная точка, далее везде.
Можно понять волнение двигателистов, конструкторов и баллистиков в напряженные предстартовые минуты. Наберет или не наберет космический аппарат расчетную скорость? Не будет нужной скорости — не выйдет он на предназначенную ему орбиту. Пропадет труд многих коллективов. Только выход на запланированный режим, к стремительной, непредставимой на Земле быстроте движения венчает их усилия. И потом, когда межпланетный аппарат находится у самой цели своего нелегкого и долгого пути, они волнуются не меньше. Только теперь их почему-то не радует быстрота его движения. Наоборот, некоторые даже сетуют: какое это все-таки неудобство — высокая скорость полета. Чтобы разобраться в том, что их тревожит, давайте представим себе спуск космического корабля на поверхность какой-нибудь планеты, например Земли.
 Изменение орбиты космического корабля при многократном прохождении сквозь атмосферу. |
Вот возвращается корабль из далекой экспедиции. С каждым часом увеличивается в размерах окутанная голубоватым сиянием атмосферы родная планета. Теперь самое время подумать, какой путь выбрать дальше. Многокилометровая толща атмосферы таит в себе угрозу для всякого тела, вторгающегося в нее с высокими космическими скоростями. Наглядным примером тому служат метеоры. Не достигают они поверхности Земли — сгорают в атмосфере. Помимо нагрева, космическому кораблю следует опасаться еще и больших перегрузок. Поэтому вход в плотные слои воздушной оболочки нашей планеты должен быть достаточно пологим. Иначе слишком резкое торможение приведет к нежелательным последствиям для космонавтов, да и для самой конструкции.
Казалось бы, чего проще? Выберем угол вхождения в атмосферу поменьше, и все проблемы отпадут сами собой. Но при чересчур пологом вхождении космический корабль встретит слишком слабое сопротивление разреженных воздушных слоев. Не успев погасить свою гигантскую скорость, он вырвется обратно в заатмосферное пространство. И только притяжение Земли удержит его на орбите искусственного спутника. Завершив первый оборот, корабль-спутник снова проскочит сквозь разреженную воздушную среду в космическое пространство. Потеряв часть скорости, он перейдет на орбиту меньшего размера. Такое многократное прохождение сквозь земную атмосферу будет продолжаться до тех пор, пока корабль не растеряет свою громадную энергию.
На первый взгляд это не влечет за собой никаких катастрофических последствий. Разве что затягивается процесс приземления? Не только. При таком торможении «малыми порциями» совершенно невозможен предварительный выбор места посадки. Можно угодить в скалистый хребет, можно нырнуть в океан. А неоднократное пересечение зон радиации, опоясывающих Землю, вредно для организма космонавтов. Таким образом, возвращающийся из межпланетного путешествия корабль попадает в положение богатыря на распутье: чересчур крутые пути в атмосфере опасны для него и для экипажа, не в меру пологие — тоже. Где же золотая середина между этими крайностями?
Безопасных путей совсем немного. Они образуют узкий коридор, ведущий из космоса в глубь атмосферы. Именно в него должен попасть космический аппарат. Тогда за одно прохождение сквозь воздушную толщу он успеет сбросить весь излишек энергии движения, не испытав ни чрезмерных перегрузок, ни перегрева.
Задача, прямо скажем, не из легких. Ведь коридор этот похож, скорее, на тесный лаз, чем на просторную магистраль. Ширина его зависит от конструкции космического корабля, от допустимых для него перегрузок и перегрева, а также от скорости полета. Если наибольшая допустимая перегрузка равна 10 (то есть сила воздействия воздушного потока на корабль не должна превышать его вес более чем в 10 раз), то при входе в земную атмосферу со второй космической скоростью ширина коридора составляет всего 10 километров. И даже при вдвое большей допустимой перегрузке ширина его достигает лишь 32 километров.
Таков зазор между самым крутым дозволенным путем снижения и самым пологим, не уводящим обратно в безвоздушное пространство. Попасть в этот проход без дополнительной коррекции полета крайне трудно.
Советская автоматическая станция «Зонд-5» впервые осуществила после облета Луны в сентябре 1968 года пологий безопасный вход в земную атмосферу. При этом максимальные перегрузки не превышали 10-16. Стоило увеличить крутизну пути всего на один градус, и перегрузки возросли бы втрое. А отклонение на такой же угол в другую сторону привело бы к сквозному пролету через атмосферу в космическое пространство.
Не только у Земли — у каждой из планет существует свой коридор входа, зависящий, помимо всего прочего, от физических и химических свойств атмосферы. Есть коридоры-проспекты и есть коридоры-щели. Вход в атмосферу Венеры, например, связан с такими же трудностями, что и вход в атмосферу Земли. Коридоры этих планет, по предварительным расчетам, одинаковы. Когда в декабре 1978 года спускаемые аппараты советских станций «Венера-11» и «Венера-12» устремились к поверхности ближайшей соседки Земли, им нужно было угодить в зону шириной два-три десятка километров. На фоне тех 70 миллионов километров, которые отделяли нас тогда от Венеры, это все равно что попасть в человеческий волос с расстояния в несколько километров. Оба спускаемых аппарата успешно справились со своей задачей.
 Спуск советской станции «Зонд-5» в атмосфере Земли: 1 — точка входа, из которой возможна посадка на ближней границе заданного района; 2 — расчетная точка входа, из которой станция движется по запланированной траектории спуска; 3 — точка входа, из которой возможна посадка на дальней границе заданного района; 4 — траектория спуска станции; 5 — условная граница атмосферы; 6 — траектория, по которой двигалась бы станция, если бы не было воздействия атмосферы; 7 — заданный район посадки. |
Марсианская атмосфера сильно разрежена. Поэтому, даже вертикально пронизывая газовую оболочку планеты, космический аппарат испытывает перегрузки, не превышающие 50. Это значит, что для автоматических аппаратов не страшна никакая крутизна снижения. Да и для пилотируемых кораблей марсианский коридор раздается до 320 километров.
Могучее притяжение Юпитера разгоняет подлетающий к нему космический аппарат до скорости не меньше 50 километров в секунду. Мало хорошего сулит эта колоссальная скорость. Вертикальное вторжение в юпитерианскую атмосферу губительно — перегрузки достигают 4000. Даже рассчитывая на заведомо неприемлемое — на 100-кратные перегрузки, получаешь весьма узкий коридор: нельзя свернуть с безопасного направления больше чем на один-два градуса. Если же максимальная допустимая перегрузка ограничена общепринятой величиной, равной 10, то коридор входа вообще захлопывается. «Планета на замке» — к такому неутешительному выводу приходят разработчики посадок космических аппаратов.
Коридор, у которого пол сошелся с потолком и сомкнулись боковые стены, — вот чем встречает Юпитер всех прибывающих. Что и говорить, негостеприимная планета! Видимо, заказана туда дорога межпланетным зондам и станциям? Но ключ к таким суженным коридорам нашелся в самом неожиданном месте — в конструкторских бюро. Там, где бессильны специалисты по космическим трассам, успеха добиваются проектировщики, выбирающие форму спускаемых аппаратов.
Пусть из-за неисправности в системе управления космический корабль вошел в атмосферу ниже коридора. Траектория кажется угрожающе крутой, стремительно нарастают перегрузки, и... в этот критический момент корабль взмывает вверх, на безопасный путь. Снижение его становится более плавным, спуск затягивается, и перегрузки падают. Спускаемый аппарат перестал быть безвольной игрушкой стихий. У него есть теперь опора в воздухе — подъемная сила. В случае промаха она подхватывает корабль и уносит в спасительную зону коридора. Если же возвращающийся на Землю корабль входит в атмосферу выше коридора, поможет отрицательная подъемная сила, подъемная сила «наоборот». Спускаемый аппарат уподобляется тогда летящему вверх ногами планеру, на который действует аэродинамическая сила, направленная к Земле. Она-то и удерживает его в атмосфере.
Для космических аппаратов, использующих подъемную силу, коридор входа раздвигается: нижняя его граница опускается, а верхняя — поднимается. При допустимой перегрузке, равной 10, земной коридор раскрывается до 82 километров. Дело за конструкторами, которые должны окрылить свое изделие, наделить его качествами воздушного планера. Впрочем, крылья совсем не обязательны — достаточно подъемной силы, создаваемой корпусом. Но форма корпуса должна быть вполне определенной.
Спускаемый аппарат советской автоматической станции «Зонд-6» имел осесимметричную сегментально-коническую форму: что-то вроде автомобильной фары. Примерно через два месяца, после того как станция «Зонд-5» успешно вошла в земной коридор, новая станция, «Зонд-6», впервые осуществила спуск в атмосфере, воспользовавшись подъемной силой. Центр тяжести спускаемого аппарата был смещен относительно оси симметрии таким образом, что в полете «фара» повернулась под некоторым углом к набегающему потоку воздуха. За счет этого и создавалась подъемная сила. Войдя в земную атмосферу в Южном полушарии, на расстоянии многих тысяч километров от границ Советского Союза, аппарат совершил посадку на территории нашей страны.
 Коридор входа в атмосферу Земли: 1 — подъем аппарата в коридор за счет подъемной силы; 2 — спуск аппарата в коридор за счет отрицательной подъемной силы.  Управляемый спуск советской станции «Зонд-6» в атмосфере Земли: 1 — траектория, по которой станция сначала вышла в верхние слои атмосферы, а затем снова спустилась вниз; 2 — траектория, по которой двигалась бы станция, если бы не было воздействия атмосферы; 3 — условная граница атмосферы. |
 | ||
| Спускаемый аппарат советского космического корабля «Восток», сделанный в виде шара диаметром 2,3 метра и весом 2,4 тонны. При спуске в атмосфере на космонавта действовали перегрузки в 8-10 единиц. | Спускаемый аппарат советского космического корабля «Союз», имеющий форму фары и весящий 2,8 тонны. При спуске в атмосфере на космонавта действуют перегрузки, не превышающие 3-4 единиц. | |
У советского космического корабля «Союз» спускаемый аппарат тоже имеет сложные обводы, напоминая фару, движущуюся своей широкой частью вперед. В отличие от прежних кораблей «Восток» и «Восход», он снижается в атмосфере с помощью подъемной силы. Если на шарообразный спускаемый аппарат корабля «Восток» действовали при спуске перегрузки, равные 8-10, то для корабля «Союз» перегрузки уже вдвое меньше. Поворачивая аппарат вокруг центра тяжести, можно направлять подъемную силу вверх, вбок или вниз. Стоит, например, перевернуть его вверх ногами, и подъемная сила меняет свое направление на прямо противоположное, превращаясь в снижающую силу. Такой управляемый спуск гарантирует точную посадку в заданном районе.
Этим спускаемым аппаратам, конечно, далеко до планеров и самолетов: можно сказать, что в некотором смысле их подъемная сила раз в 10-15 меньше. Все попытки улучшить аэродинамику посадочных ступеней приводят к немалому их утяжелению. Но это уже заботы тех, кто борется за снижение веса космических кораблей.
онструкция космической ракеты — это как бы два неразлучных близнеца. Правда, внешне они совершенно непохожи друг на друга: один из братьев — могучий атлет, другой — немощный карлик. Атлет принимает на свои плечи всю тяжесть корпуса, огромных топливных баков, выводимого на орбиту груза, весь напор воздушного потока и все бремя перегрузок при разгоне ракеты. Именно к нему в первую очередь обращают взоры конструкторы и прочнисты. Ведь он — единственная опора во время яростной атаки продольных и поперечных сил, крутящих и изгибающих моментов, обрушивающихся на ракету при запуске. Эту часть конструкции так и называют силовой, или несущей.
Помимо нее, в ракете всегда присутствуют в большом количестве различные накладки, косынки, крепежные детали, установочные элементы, кронштейны и внутренние стойки для размещения приборов и аппаратуры. Вот это и есть тот самый карлик, который ютится под могучим торсом атлета, уклоняясь от тяжелого труда.
 Ракета с несущим и подвесным топливными баками: 1 — конический несущий бак; 2 — цилиндрический подвесной бак; 3 — один из опорных узлов бака; 4 — ЖРД; 5 — несущий корпус.  Здесь показано изменение максимальной скорости двухступенчатой ракеты в зависимости от распределения массы между ее ступенями.  Распределение массы четырехступенчатой ракеты между ее ступенями: а — неправильное; б — правильное. |
Атлету полагаются крепкие стальные мышцы. Но карандашом космического конструктора правит жесткая рука скупости. Вспомните: лишь несколько процентов веса всей ракеты отводятся на конструкцию, скрепляющую все части воедино и выдерживающую немалые усилия. Ничтожно малая величина. Если рассчитывать на нее — а ничего иного конструктору не остается, — то атлет получается чересчур худосочным, с хрупким скелетом и неразвитой мускулатурой. А по роду своей работы он должен быть не иначе как богатырь. Вот и появляются у космического конструктора весьма непростые заботы: воспитать из своего детища, которого он сам лишил каких бы то ни было атлетических данных, рекордсмена по поднятию тяжестей.
Что скажут самолетостроители, если им предложат, не уменьшая веса всего самолета в целом, в десять раз облегчить его каркас? Даже несведущий человек ответит, что столь тщедушная, хилая конструкция сразу развалится под тяжестью двигателей, горючего и груза. А ведь у космической ракеты именно такие ненормальные пропорции. Не так просто добиться желаемой прочности, если каждый шаг, каждое решение конструктора оценивается прежде всего на вес. Нечего и думать о том, чтобы выбрать для корпуса ракеты потолще шпангоуты или добавить в ее каркас дополнительные крепления. Остается лишь уповать на свое искусство и хитроумие. И начинает тогда конструктор неодобрительно поглядывать на другого «близнеца», который норовит прожить тунеядцем за счет трудолюбивого собрата. Хоть и невелик его вес — недаром мы назвали его карликом, — а все же это какой-никакой резерв.
В конструкции самолета вес слабо нагруженных элементов примерно равен весу силовых, несущих. Стремясь хоть как-то ослабить несправедливость такого распределения, самолетостроители выбирают для несиловых элементов легкие, пусть и не очень прочные материалы. В космической технике, где вопрос о весе стоит еще более остро, таких мер явно недостаточно. Все, что не несет какую-то долю общей нагрузки, стараются здесь перекроить и перестроить заново. Такое переустройство началось с самой значительной неработающей части конструкции — с топливных баков.
Почти весь объем космической ракеты заполнен горючим и окислителем. Можно представить себе исполинские размеры резервуаров, в которых они содержатся! Непозволительная роскошь жертвовать столько конструктивного материала под тару, уступать карлику такую весомую долю. «Пусть баки не только хранят топливо, но и несут на себе вышележащие ступени ракеты», — решили конструкторы. И призадумались: не слишком ли большую нагрузку возлагают они на тонкостенные полые баллоны? Хватит ли у них необходимой для этого жесткости и прочности?
Каждый из нас без колебаний сядет на туго надутый футбольный мяч, не опасаясь раздавить его. Такому мячу уподобляется топливный бак, если накачать в его свободный от жидкости объем сжатый газ. Теперь ему не страшна давящая сверху тяжесть. Распирающее его изнутри давление стало незримой частью конструкции, выдерживающей непосильное для пустого сосуда бремя. Например, американскую ракету «Атлас» нельзя даже перевозить в горизонтальном положении, если не поддерживать в ее топливных емкостях повышенное давление. Чересчур слабосильная конструкция ракеты, 93 процента веса которой приходится на топливо, не выдержит его тяжести. Жидкому горючему и окислителю это давление не помеха. Наоборот, оно помогает выталкивать жидкость в камеру сгорания ракетного двигателя. Так топливные баки, до этого лишь отягощавшие ракету своим весом, стали силовой, несущей конструкцией. Из карлика они превратились в атлета.
 Несущие топливные баки в ракете-носителе «Сатурн-5»: 1 — первая ступень ракеты; 2 — бак для жидкого кислорода; 3 — баллоны со сжатым гелием; 4 — бак для керосина; 5 — жидкостный ракетный двигатель. |
Одна из заповедей космического конструктора гласит: каждый элемент ракеты, каково бы ни было его назначение, обязан, по возможности, принимать на себя часть общей нагрузки. Тогда вес этого элемента будет не несомым, а несущим, и конструктивная ценность его возрастет во много раз. Хорошо бы, если бы в конструкции не осталось ни одного «нетрудоспособного» элемента. К сожалению, такая идеальная ракета — недостижимая мечта конструкторов и проектировщиков. На практике далеко не всякая деталь совмещает свои прямые обязанности с ролью подпорки или крепления. Поэтому именно по весу оставшихся еще несиловых элементов оценивают совершенство конструкции ракеты и мастерство конструктора. Создатели космической ракеты в любом случае предпочтут ту деталь, которая может нести нагрузку, то есть стать подспорьем для прочнистов. Ракеты с подвесными баками, не воспринимающими вес верхних ступеней, считают сейчас уже устаревшими.
Не позавидуешь космическому конструктору: ему приходится ладить и с весовщиками, и с прочнистами одновременно. Попробуй угодить и тем, и другим сразу, если их стремления прямо противоположны. Конфликт между весом и прочностью обостряется порой до того, что даже силовую конструкцию начинают подозревать в излишествах. Конструктор проявляет недовольство уже не карликом, а своим любимцем — атлетом.
В самом деле, все ли его «мышцы» одинаково нагружены в полете? Проверить это можно еще на Земле. Для этого проектируют намеренно ослабленную конструкцию, в расчете не на полную нагрузку, а, скажем, на восемьдесят процентов от ее величины. Затем испытывают готовое изделие, постепенно повышая нагрузку до полноценной, стопроцентной. Конструкция, конечно, не выдерживает ее, поскольку не рассчитана на такие усилия. Но рвется в первую очередь самое перенапряженное звено. Его-то и нужно подкрепить. После этого еще раз нагружают конструкцию до очередной поломки. Заменив выбывший из строя элемент другим, более прочным, приступают к новому испытанию. Так продолжается до тех пор, пока конструкция не будет противостоять полной нагрузке. Усиливая одну за другой отдельные детали, «подтягивают» ее прочность до нужного уровня. Такая подновленная, подправленная опытным путем конструкция весит меньше, чем спроектированная сразу под стопроцентную нагрузку. Опыт более строгий судья, чем теоретический расчет, при котором неизбежно завышается прочность.
Так атлет сбрасывает лишний вес, нарастив только те «мышцы», от которых зависит выполнение возложенной на него задачи. Конструкторы нащупали еще один весовой резерв — индивидуальный подход к различным частям силовой конструкции. В зависимости от того, какова доля ответственности каждой части за безопасность всей ракеты, выбирают для нее большую или меньшую прочность. Перераспределение веса идет уже не между карликом и атлетом, а между различными группами «мышц» атлета.
Многое зависит и от того, как распределен общий вес ракеты между ее ступенями. Ценность одного килограмма далеко не одинакова в различных частях многоступенчатой ракеты. Чем выше расположена ступень, тем дороже обходится ее вес. Это и понятно, ведь каждый килограмм верхней ступени требует в качестве неизбежного приложения нескольких килограммов топлива в нижних ступенях, да еще вмещающую его конструкцию. Поэтому выгоднее сгонять вес ракеты с верхних ступеней в нижние. Например, каждый килограмм, сэкономленный во второй ступени, позволяет добавить в 10 раз больший полезный груз, чем при экономии килограмма в первой ступени. А килограммы космического аппарата, водруженного на вершине ракеты-носителя, котируются по самой высокой цене.