Едва ли создатели небесной механики, т. е. науки о движении небесных тел, предполагали, что открытые ими законы впоследствии будут применяться для расчёта движения космических кораблей, управляемых человеком. Между тем, космический корабль, летящий в межпланетном пространстве с выключенным двигателем, подчиняется в точности таким же законам, как и небесные тела. Зная величину и направление скорости небесного тела в какой-либо точке пространства, мы можем вычислить его орбиту, т. е. весь его путь в мировом пространстве. Аналогичным образом, зная величину и направление скорости космического корабля в какой-нибудь точке мирового пространства, можно совершенно точно вычислить весь путь, пройденный кораблём с момента выключения двигателя, и весь путь, который ему ещё предстоит совершить при выключенном двигателе.

Бросим какое-либо тело с некоторой начальной скоростью, направленной горизонтально. Если бы не было силы притяжения Земли и сопротивления воздуха, то брошенное тело двигалось бы по инерции прямолинейно и равномерно и постепенно удалялось бы от поверхности Земли. Но сила притяжения Земли заставляет тело падать назад на Землю. Это падение происходит одновременно с удалением от Земли вследствие движения по инерции; оба движения, происходящие под углом друг к другу, складываются по закону параллелограмма, в результате чего путь тела искривляется. При небольших начальных скоростях падение тела назад на Землю опережает удаление от Земли; поэтому тело начинает постепенно приближаться к Земле. Но при некоторой, вполне определённой начальной скорости наступит такое состояние движения, что в каждый промежуток времени тело будет по инерции удаляться от поверхности Земли ровно настолько, насколько будет падать вследствие притяжения. Тогда тело, продолжая свой полёт, будет всё время оставаться на одной и той же высоте над поверхностью Земли, т. е. иными словами, будет двигаться вокруг Земли по окружности, имеющей свой центр в центре Земли (рис. 29). Скорость полёта, при которой наступает такое движение, будем называть круговой скоростью. Вблизи поверхности Земли она равна 7912 метров в секунду и уменьшается с высотой. На небольших высотах это уменьшение составляет 0,6 метра в секунду на один километр высоты, а на высоте 1000 километров — 0,5 метра в секунду. (Напомним, что мы пренебрегаем сопротивлением воздуха.)

Рис. 29. При начальной горизонтальной скорости в 7,9 километра в секунду тело опишет вокруг Земли окружность 1; при скорости от 7,9 до 11,2 километра в секунду оно будет двигаться по эллипсу 2; при скорости в 11,2 километра в секунду — по одной из ветвей параболы 3; при ещё больших скоростях — по одной из ветвей гиперболы 4. Для осуществления полёта по касательной прямой 5 к земной поверхности понадобилась бы бесконечно большая скорость.

Круговая скорость на Меркурии, Венере, Марсе и Плутоне меньше, чем на Земле, а на всех остальных планетах — значительно больше (см. таблицу 3 на стр. 104).

Круговая скорость у поверхности планеты является наименьшей скоростью, позволяющей космическому кораблю оторваться от поверхности планеты и продолжать затем постоянно двигаться по траектории, практически невозмущаемой влиянием других небесных тел. С этой точки зрения круговую скорость можно назвать «первой» космической скоростью.

Какая же нужна минимальная начальная скорость для того, чтобы брошенное тело совсем преодолело притяжение Земли, т. е. унеслось бы в межпланетное пространство?

Математический расчёт показывает, что работа, необходимая для удаления тела с поверхности планеты в бесконечность, равна той работе, которую нужно было бы затратить для подъёма тела на высоту, равную радиусу планеты, при условии, что напряжение силы тяжести не изменяется по мере удаления тела от центра планеты. Для того чтобы дать возможность какому-либо телу совсем улететь с поверхности планеты, необходимо сообщить ему на поверхности планеты такую скорость, чтобы его кинетическая энергия численно была равна только что указанной работе; эта скорость будет больше круговой скорости на 41%. Тело, обладающее такой скоростью, вообще будет двигаться в бесконечность по параболе; поэтому эта скорость называется параболической, но в том случае, когда тело будет брошено вверх строго вертикально, оно будет двигаться по прямой линии. Как круговая, так и параболическая скорости для разных точек Земли имеют разную величину. Если пренебречь влиянием вращения нашей планеты, то для точек на экваторе Земли параболическая скорость равна 11 189 метрам в секунду.

Скорость взлёта космического корабля, конечно, складывается с окружной скоростью вращения планеты около собственной оси. На земном экваторе окружная скорость равна 465 метрам в секунду. Поэтому направление взлёта должно быть выбрано так, чтобы оно совпадало с направлением вращения Земли. В этом случае для удаления тела в бесконечность достаточно сообщить ему скорость только в 10 724 метра в секунду. Параболическая скорость на Меркурии, Венере, Марсе и Плутоне меньше, чем на Земле, на планетах-гигантах она значительно больше (см. таблицу 3).

Если телу сообщить скорость, большую круговой скорости, но меньшую параболической, то оно будет двигаться по эллиптической орбите.

Приведённые расчёты выполнены при допущении, что тело находится под действием силы притяжения только одной Земли. Однако космический корабль, покидающий Землю, будет подвергаться одновременно притяжению Земли и притяжению Солнца. Поэтому для того чтобы тело могло удалиться за пределы нашей солнечной системы, ему следует сообщить скорость, большую параболической. Будем называть эту скорость освобождающей скоростью. Величина освобождающей скорости зависит от её направления; наименьшее значение, равное 16 662 метрам в секунду, она будет иметь в том случае, когда её направление будет совпадать с направлением движения Земли вокруг Солнца.

Освобождающая скорость на всех планетах, кроме Марса и Плутона, больше, чем на Земле (см. таблицу 3).

Значения круговой, параболической и освобождающей скоростей для спутников планет даны в таблице 4.

Когда будет достигнута «первая» космическая скорость, в порядке дня встанет вопрос о постройке искусственного спутника, обращающегося вокруг Земли вне атмосферы (рис. 30).

Вследствие отсутствия сопротивления воздуха при выборе формы для такого спутника соображения удобообтекаемости совершенно отпадают. Движение спутника будет продолжаться вечно без всякого расхода топлива под действием силы тяготения.

¹См. примечание к таблице 2 на стр. 21.

Рис. 30. Примерная конструкция искусственного спутника Земли. С такого спутника космические корабли будут отправляться в межпланетное пространство. Вращение спутника вокруг своей оси будет вызывать на нём искусственную тяжесть.

Рис. 31. Космический корабль улетает в мировое пространство с искусственного спутника Земли.

Постройка спутника может быть произведена из нескольких частей, последовательно отправленных с Земли. Его устройство должно быть основано на тех же принципах, что и устройство космического корабля, а условия жизни на нём будут напоминать условия в кабине космического корабля.

Искусственный спутник может быть использован в качестве промежуточной отправной станции для космических путешествий (рис. 31). При наличии такой внеземной станции топливо, а также полезный груз, необходимый для достижения конечной цели путешествия, могут быть доставлены на неё предварительно, отдельными частями. Это облегчит конструкцию космического корабля, так как ему понадобится запасаться для путешествия значительно меньшим количеством топлива.

Основная ценность близкого к Земле искусственного спутника будет заключаться в том, что для полёта к нему будет нужна небольшая начальная скорость. Конечно, такой спутник должен двигаться уже вне сколько-нибудь ощутимой атмосферы. Исходя из этих соображений, достаточно его расположить на высоте около 200 километров. Соответствующая этой высоте круговая скорость равна 7791 метров в секунду. Ракета, способная развить в свободном пространстве скорость около 9 километров в секунду, легко может долететь до такого искусственного спутника, несмотря на потерю скорости вследствие притяжения к Земле и сопротивления воздуха. Такая же ракета, отправляющаяся с искусственного спутника, не только может достичь любой планеты, но и навсегда покинуть нашу солнечную систему.

Впрочем, для реализации путешествия «по этапам» совсем не обязательно создание постоянного искусственного спутника. Сначала можно будет отправить космический корабль в полёт по круговой или эллиптической орбите вокруг Земли, а затем доставить к нему с помощью вспомогательных ракет дополнительные грузы и топливо, необходимые для дальнейшего полёта к намеченной цели.

Искусственные спутники будет полезно создать не только вокруг планет, но и вокруг Солнца. Их назначение будет такое же, как и искусственных спутников Земли; кроме того, они могут использоваться для путешествия в области, близкие к Солнцу. Ряд готовых, не искусственных, а природных станций вокруг Солнца можно выбрать среди многочисленных астероидов. Многие из этих астероидов, благодаря их удачному положению относительно Солнца и ничтожной силе тяжести, представляют собой особенно удобные промежуточные станции.

Полёты на Луну и вокруг Луны будут особенно облегчены тем, что солнечное притяжение практически не будет оказывать на них никакого влияния. В противоположность путешествию на другие планеты полёт на Луну может быть предпринят почти в любое время и будет длиться недолго. Поэтому необходимые запасы продуктов могут быть минимальными.

Неподготовленному читателю может показаться, что начальная скорость, необходимая для достижения лунной орбиты, значительно меньше параболической скорости, необходимой для удаления тела в бесконечность. Однако в действительности разница между этими скоростями составляет только один процент параболической скорости. При взлёте с искусственного спутника необходимая начальная скорость будет значительно меньше.

Для того чтобы достигнуть ближайшей точки лунной орбиты, скорость взлёта с искусственного спутника (при полёте по эллиптической траектории) должна быть равна только 3129 метрам в секунду. Для достижения же наиболее удалённой точки лунной орбиты, расположенной от Земли дальше ближайшей точки на 42 212 километров, скорость взлёта должна быть увеличена на 10 метров в секунду. Таким образом, ничтожное увеличение начальной скорости позволяет весьма значительно вытянуть эллиптическую траекторию космического корабля.

Рис. 32. Отправляясь с искусственного спутника Земли со скоростью 3129 метров в секунду, можно совершить беспосадочный перелёт Земля — Луна — Земля в 10 дней 11 минут.

Обогнув Луну и дав возможность обозреть неизвестную нам сторону Луны, космический корабль автоматически вернётся на Землю, двигаясь по другой половине эллипса (рис. 32).

Полные времена полёта по эллипсам, проходящим через перигей и апогей Луны (т. е. через наиболее близкую и наиболее удалённую точки лунной орбиты), будут составлять соответственно 9 дней 5 часов 4 минуты и 10 дней 19 часов 49 минут.

Если скорость истечения газов из ракеты будет равна 4 километрам в секунду, то количество топлива, необходимое для совершения этих путешествий, будет превышать вес пустого космического корабля в 1,2 раза. При небольшом дополнительном расходе топлива можно будет значительно сократить время полёта к Луне.

При полёте на Луну непосредственно с Земли, а не с искусственного спутника, необходимое количество топлива должно будет превышать вес пустого космического корабля приблизительно в 15 раз.

Во время полёта на Луну поле тяготения Земли будет сильно меняться, а поле тяготения Солнца будет оставаться всё время практически постоянным. Это объясняется тем, что во время такого путешествия расстояние корабля от центра Земли будет увеличиваться в десятки раз, а расстояние от Солнца будет меняться в среднем всего на ¼%. Вообще, влияние силы притяжения Солнца на космический корабль, летящий на Луну, будет очень незначительным. В самом деле, такой космический корабль будет обращаться вместе с системой Земля — Луна вокруг Солнца и вместе со всей системой постоянно падать на Солнце. Следовательно, по отношению к Земле путь корабля почти не будет зависеть от поля тяготения Солнца. Иначе будет при полёте на планеты. В этом случае космический корабль, находясь всё время под действием притяжения Солнца, будет очень быстро освобождаться от притяжения Земли.

Одной из основных задач космонавтики является изучение таких траекторий полёта, при движении по которым космический корабль будет нуждаться в минимальной затрате топлива.

Допустим, например, что мы хотим осуществить полёт на Венеру. Расстояние от Земли до этой планеты изменяется от 41,4 до 257,6 миллиона километров. Можно подумать, что с точки зрения расхода топлива экономнее всего совершить полёт по кратчайшей прямой, но это неверно. Для того чтобы достичь Венеры по прямой, требуется начальная скорость в 31,81 километра в секунду. Между тем, при полёте по полуэллипсу с большой осью, равной по длине указанному выше максимальному расстоянию в 257,6 миллиона километров, космическому кораблю придётся сообщить начальную скорость всего только в 11,484 километра в секунду.

В самом деле, при взлёте космического корабля с Земли его собственная скорость складывается с огромной скоростью движения Земли по её орбите вокруг Солнца. При полёте по кратчайшей прямой эту скорость необходимо как бы преодолевать; она мешает кораблю, отклоняя его в сторону от маршрута, подобно тому как это делает течение реки с лодкой при переправе перпендикулярно к берегу. Во втором же случае скорость движения Земли по орбите будет направлена в одну сторону со скоростью корабля. Следовательно, обе скорости будут складываться. Длина такого маршрута будет равна 401 миллиону километров, а время полёта в одном направлении — 146 дням. Марс в наиболее близком положении отстоит от Земли на 78,3 миллиона километров, а в наиболее далёком — на 377,3 миллиона километров (рис. 33, а на стр. 112). И в этом случае наиболее экономным полётом, с точки зрения минимальной затраты топлива, будет полёт по полуэллипсу с большой осью, равной указанному максимальному удалению Марса (рис. 33, б). Развёрнутая длина полуэллипса, т. е. длина маршрута, будет равна 588 миллионам километров, время полёта — 258 дней; скорость отлёта с земного полюса должна быть равна 11,588 километра в секунду, а с искусственного спутника — 3,613 километра в секунду.

При встрече с Венерой наш космический корабль опередил бы эту планету со скоростью 2,705 километра в секунду. При встрече же с Марсом планета мчалась бы со скоростью на 2,646 километра в секунду большей, чем космический корабль.

Заметим, что при рассмотренных расчётах нами не приняты во внимание поля тяготения Венеры и Марса, что, однако, почти не влияет на полученные результаты.

Посадка на ближайшие к нам планеты — Венеру и Марс — может быть произведена, повидимому, как и посадка при возвращении на Землю, без расхода топлива, т. е. при помощи торможения об атмосферу, окружающую эти планеты.

Очевидно, что перелёт с одного небесного тела на другое должен начинаться в заранее вычисленный момент времени, когда оба небесных тела находятся в наивыгоднейшем взаимном положении. Это не является существенным неудобством при отлёте с Земли, но зато при возвращении на Землю может случиться, что придётся долго выжидать момента возможного отлёта с планеты.

При желании вернуться на Землю по симметричному полуэллипсу обратный взлёт с планеты, очевидно, не может быть совершён в любое время. Иначе может случиться, что космический корабль, достигнув на обратном пути земной орбиты, не встретит здесь Землю. Для того чтобы при полёте по симметричному полуэллипсу обеспечить встречу с Землёй, взлёт с планеты должен быть совершён через промежуток времени после соединения планеты с Землёй, равный промежутку времени между моментом прибытия на планету и моментом соединения, т. е. тем моментом, когда планета и Земля находятся на одной прямой линии с Солнцем. В качестве примера на рис. 33 показаны траектории полёта на Марс и обратно по симметричным полуэллипсам. Зная продолжительность путешествия и средние скорости движения Земли и Марса по своим орбитам, легко вычислить все данные, необходимые для построения этого рисунка.

Рис. 33. Полёт на Марс по маршруту, требующему минимальной затраты топлива.

Рассмотрим подробнее полёт космического корабля с одним путешественником на Венеру с целью совершить на ней посадку, а затем вернуться на Землю. Пусть космический корабль отправляется с искусственного спутника Земли. Выше было указано, что полёт на Венеру по наиболее экономной, с точки зрения расхода топлива, траектории будет длиться 146 дней. Казалось бы, что полёт в обоих направлениях будет длиться 292 дня плюс некоторое число дней для пребывания на Венере. В действительности же для того чтобы космический корабль мог вернуться на Землю по симметричному полуэллипсу, т. е. опять по траектории, требующей минимальной затраты топлива, путешественнику пришлось бы пробыть на Венере 467 дней 53 минуты; только после истечения этого времени Венера и Земля будут опять в таком взаимном расположении, которое позволит совершить обратный полёт при минимальной затрате топлива. В конечном результате, учитывая вес топлива, необходимого для полёта в обе стороны, и принимая в этом случае, как и во всех последующих, что вес пустого корабля с пассажиром равен двум тоннам, а вес суточного пайка продовольствия составляет 1,3 килограмма, мы получим, что вес космического корабля при отлёте с искусственного спутника Земли будет составлять (при скорости истечения газов 4 километра в секунду) около 78 тонн, а всё путешествие будет длиться около 759 дней.

В действительности начальный вес космического корабля будет больше, так как в проделанных расчётах мы для простоты предполагали, что при взлёте с Венеры необходимая скорость кораблю сообщается мгновенно (что невозможно) и что потеря скорости от сопротивления атмосферы при взлёте с планеты пренебрежимо мала.

Для выполнения аналогичного путешествия Земля—Марс—Земля начальный вес космического корабля должен составлять около 27 тонн, несмотря на то, что общая длительность путешествия будет на 213 дней больше, чем на Венеру: потребуется 258 дней 20 часов 48 минут для полёта в одном направлении и 454 дня 8 часов 25 минут для выжидания на Марсе того момента, когда Марс и Земля окажутся опять в таком благоприятном взаимном положении, что обратный полёт можно будет совершать с минимальной затратой топлива.

Приведённые выше числа достаточно убедительно показывают, что путешествия с посадкой на Венеру и на Марс в ближайший период времени неосуществимы, так как вес топлива и жизненных припасов должен превышать вес самого космического корабля в 13 и даже в 38 раз. Для путешествия на другие планеты соответствующие числа, если только не удастся применить новых видов топлива, настолько огромны, что приводить подробные расчеты нет никакого смысла. Ограничимся лишь указанием продолжительности перелёта в одном направлении, а также минимальных скоростей, которые космический корабль должен иметь при отлёте с Земли (таблица 5). В этой таблице скорость космического корабля считается положительной, если она имеет направление, одинаковое с движением Земли или планеты, и отрицательной — в противоположном случае.

Таким образом, на первых порах придётся довольствоваться обозрением планет с более или менее значительных расстояний, не производя на них посадки. Можно будет даже приближаться к намеченному небесному телу несколько раз, но настолько, чтобы не подвергаться в значительной мере влиянию его поля тяготения.

Это вполне возможно, так как тело, улетевшее с Земли со скоростью от 11,2 до 16,6 километра в секунду, будет двигаться вечно по одной и той же эллиптической орбите, если только оно не встретит на своём пути никакого препятствия, и при условии, что можно пренебречь возмущениями от планет. Следовательно, не будет исключена возможность того, что оно рано или поздно встретится на своём пути с Землёй. Для ускорения такой встречи необходимо предусмотреть соответствующий маршрут.

Для того чтобы космический корабль, пройдя вблизи того или иного светила, мог автоматически, т. е. без включения двигателя, вернуться на Землю, необходимо, чтобы к моменту возвращения корабля Земля и корабль совершили целое число обращений вокруг Солнца. Для получения подобного сочетания достаточно выбрать надлежащую величину большой оси эллипса, по которому будет совершаться полёт.

Так, например, если космическому кораблю, отправляющемуся с искусственного спутника Земли на высоте 200 километров, сообщить скорость в 3721 метр в секунду по касательной к орбите Земли в сторону её движения, то корабль не только достигнет орбиты Марса, но и пересечёт её, а затем, совершив два полных обращения по эллипсу вокруг Солнца, встретит на своём пути Землю. До этого момента Земля совершит три полных обращения вокруг Солнца. Таким образом, всё путешествие будет длиться три года, причём корабль четыре раза пересечёт орбиту Марса. Начальный вес корабля при отлёте с искусственного спутника будет составлять 8,68 тонны. (Здесь и в дальнейшем мы опять допускаем, что скорость истечения газов из ракеты равна 4 километрам в секунду.)

Для выполнения такого же путешествия при отлёте с земного полюса скорость отлёта должна составлять 11 694 метра в секунду.

Аналогичное путешествие вокруг Венеры или Меркурия также будет длиться три года. Путешествие вокруг Юпитера потребует шести лет (рис. 34). Более отдалённых планет достичь несравненно труднее.

Рис. 34. Полёт к Юпитеру с автоматическим возвращением спустя шесть лет.

В таблице 6 мы даём результаты вычислений для полётов вокруг планет без посадки на них, но с автоматическим возвращением на Землю.

Все указанные выше трудности могут быть легко преодолены атомной ракетой будущего.

Какой же маршрут избрать, чтобы отправить космический корабль с Земли в путешествие вокруг Солнца?

На первый взгляд можно подумать, что наиболее выгоден маршрут, непосредственно приближающий корабль к цели, т. е. полёт по прямой. Но, как показывают расчёты, этот путь совсем не самый выгодный.

Для того чтобы корабль двигался к Солнцу по кратчайшему пути, т. е. по прямой, необходимо погасить огромную скорость, которой взлетевший с Земли корабль обладает вследствие движения Земли по своей орбите вокруг Солнца. Эта скорость равна около 30 километров в секунду. Следовательно, кораблю надо сообщить такую же по величине скорость, но направленную в противоположную сторону, чтобы сделать его неподвижным относительно Солнца. Только после этого космический корабль будет падать на Солнце по прямой линии вследствие притяжения светила. Но расчёты показывают, что если даже скорость истечения газов будет равна 4 километрам в секунду, то для погашения скорости космического корабля относительно Солнца понадобится топлива в триста девяносто семь раз больше, чем весит сам корабль. Это значит, что на каждые 10 килограммов веса корабля придётся брать около 3972 килограммов топлива, что совершенно исключено. Применяя даже сверхлёгкие и сверхпрочные сплавы, невозможно создать такую конструкцию, которая при незначительном собственном весе поднимала бы столь огромный груз. Заметим ещё, что эти результаты относятся к случаю отлёта корабля с искусственного спутника. При отлёте же непосредственно с поверхности Земли получилось бы ещё худшее соотношение между весом корабля и весом топлива.

Гораздо выгоднее поступить иначе. Не будем останавливать космический корабль около самой Земли, т. е. не будем погашать ценою громадного расхода топлива большую скорость, приобретаемую кораблём вследствие движения Земли вокруг Солнца. Наоборот, воспользуемся этой большой скоростью и в первый этап путешествия удалимся от Солнца как можно дальше (рис. 35), например, до орбиты Марса, Юпитера или даже Урана¹).

1)Предложено автором в 1934 г.

При этом покинем искусственный спутник Земли в тот момент, когда спутник при своём вращении вместе с Землёй движется в ту же сторону, в какую сама Земля движется при своём обращении вокруг Солнца. Тогда космический корабль, кроме собственной скорости от ракетного двигателя, получит как бы «даровую» скорость движения Земли по её орбите вокруг Солнца. Поэтому собственная скорость космического корабля может не превышать 8 километров в секунду. Тем не менее, снабдим корабль таким запасом горючего, который был бы достаточен для развития начальной скорости в 10 километров в секунду. Корабль начнёт удаляться от Земли, а вместе с тем и от Солнца. Неиспользованный запас топлива нам пригодится в дальнейшем. При полёте с выключенным двигателем притяжение Солнца будет тормозить движение корабля, скорость его будет постепенно уменьшаться. Когда корабль пролетит расстояние, в двадцать раз большее расстояния от Земли до Солнца,

Рис. 35. Для того чтобы забросить ракету весом в 10 килограммои на Солнце по кратчайшему маршруту (А), надо израсходовать 3 972 килограмма топлива. Если же сначала удалить ракету от Солнца на значительное расстояние и только после этого направить её к Солнцу (маршрут Б), то расход топлива составит всего лишь 112 килограммов.

скорость его понизится до 2 километров в секунду. В этот момент погасим эту скорость, для чего сообщим кораблю такую же скорость в обратном направлении. Для этой цели и понадобится неиспользованный ранее запас топлива. Теперь, когда космический корабль потеряет совсем свою скорость, он начнёт падать на Солнце. Расчёты показывают, что при таком маршруте понадобится на каждые 10 килограммов веса космического корабля только 112 килограммов топлива, т. е. в 40 раз меньше, чем при полёте по кратчайшему пути. Осуществление космического корабля, который на каждый килограмм своего веса мог бы нести 11 килограммов топлива, уже не является недосягаемой мечтой. Идея такого полёта, основанная на использовании скорости естественного движения небесного тела, применима в равной мере и для полётов на планеты с их спутников при условии, что напряжение силы тяжести на спутнике сравнительно мало.

Во время подъёма ракеты ей приходится одновременно преодолевать земное притяжение и сопротивление воздуха. Чем больше ускорение ракеты, тем быстрее она освобождается от притяжения Земли и тем меньший нужен запас топлива. Но в то же время, чем больше ускорение ракеты, тем больше сопротивление воздуха, т. е. тем больше требуется топлива. Далее, при полёте вертикально вверх ускорение свободного падения значительно уменьшает ускорение ракеты; но зато при таком полёте плотность воздуха, а следовательно, и его сопротивление уменьшается наиболее быстро. При горизонтальном же полёте притяжение Земли лишь незначительно уменьшает скорость ракеты.

Отсюда следует, что взлёт космического корабля, требующий наименьшего расхода топлива, должен происходить следующим образом: сначала корабль направляется почти вертикально вверх, а затем после достижения им значительной скорости поворачивается на 90° так, чтобы тяга была направлена параллельно поверхности Земли. Ускорение корабля должно составлять около 40 метров в секунду за секунду.

При возвращении космического корабля на Землю торможение его может производиться при помощи его собственного двигателя или путём использования сопротивления воздуха.

Однако способ торможения при помощи двигателя, т. е. при помощи струи газов, выбрасываемой по направлению движения, практически будет неприемлем: при таком способе потребуется громадное количество топлива для погашения космической скорости корабля при спуске и ещё более громадное количество для того, чтобы унести необходимый посадочный запас топлива в межпланетное пространство.

Наоборот, торможение путём использования сопротивления воздуха будет иметь очень большое значение не только для космических кораблей, но и для сверхдальних земных ракет.

От любых парашютов для вертикального или даже наклонного спуска необходимо отказаться: при громадной скорости космического корабля они мгновенно сгорят. Кроме того, путешественники не перенесут слишком резкого торможения в плотных слоях атмосферы. Поэтому при посадке космический корабль должен иметь профиль минимального сопротивления, и погашение его скорости должно производиться в разрежённых слоях атмосферы на очень длинном пути, которому соответствует почти горизонтальный спуск.

Из сказанного можно вывести некоторые заключения о конструкции космического корабля.

Космический корабль, покидая Землю, должен при минимальном весе конструкции содержать максимальное количество топлива. При отлёте с искусственного спутника, на котором атмосфера отсутствует, такое требование легче осуществить, чем при отлёте непосредственно с поверхности Земли. В самом деле, при отсутствии атмосферы, а следовательно, и при отсутствии аэродинамического сопротивления, космический корабль не должен иметь обязательно удобообтекаемую форму. Вместо этого кораблю можно придать, например, шарообразную форму с торчащими наружу деталями (рис. 6, стр. 32); это позволит при наименьшем весе конструкции получить наибольший объём баков для топлива.

Рис. 36. При полёте в межпланетном пространстве баки, освободившиеся от топлива, могут быть использованы как помещения для жилья и лабораторий. Перед возвращением на Землю всё ценное имущество переноситься в посадочный планер, вмонтированный в носовую часть космического корабля.

Но при возвращении на Землю космический корабль должен иметь не только идеально удобообтекаемую форму, но и большую поперечную нагрузку, т. е. большой вес на каждую единицу лобовой площади. Только тогда он сможет с достаточно малым замедлением пронизать высокие слои атмосферы, не подвергаясь опасности чрезмерного нагрева или слишком большой перегрузки. Для осуществления этого требования космический корабль должен заключать в себе специальный посадочный планер (рис. 36). При подходе к Земле путешественники должны перейти в этот планер, перенеся в него также всё ценное имущество. В момент погружения в атмосферу Земли или несколько раньше планер отделяется от ставшего ненужным корпуса корабля (рис. 37). Отброшенный корпус, обладающий большим аэродинамическим сопротивлением, быстро раскаляется от сопротивления воздуха и сгорает подобно метеорному телу.

Во время торможения большая часть кинетической энергии посадочного планера будет преобразовываться в тепло, которое будет нагревать как самый планер, так и окружающий воздух; небольшая часть кинетической энергии пойдёт на завихрение воздуха. Тепло, полученное планером, частично будет отдаваться во внешнюю среду.

При медленном торможении нагревание не будет значительным, в случае же резкого торможения планер может сгореть даже при наличии удобообтекаемой формы.

Сгорание метеорных тел, т. е. явление «падающих звёзд», не может служить аргументом против торможения космического корабля воздухом. Метеорные тела движутся обычно с гораздо большими скоростями, чем те, которые будет иметь космический корабль; кроме того, метеорные тела быстрее достигают относительно плотных слоев атмосферы и имеют неудобообтекаемую форму. Но даже при этих неблагоприятных условиях полностью сгорают в атмосфере лишь наиболее мелкие метеорные тела (размером до нескольких миллиметров в поперечнике); в более же крупных метеорных телах температура ядра остаётся значительно ниже 0° Ц.

Рис. 37. В момент погружения в атмосферу Земли посадочный планер отделяется от ставшего ненужным корпуса космического корабля. Отброшенный корпус, обладающий большим аэродинамическим сопротивлением, быстро раскаляется от сопротивления воздуха и сгорает подобно метеорному телу.

Рис. 38. Возвращение на Землю из межпланетного путешествия. По мере погашении скорости поверхность крыльев планера должна увеличиваться.

К сожалению, физическая картина сгорания метеорных тел при торможении в атмосфере ещё мало изучена, причём количественная сторона этого явления совершенно неизвестна. Возможно, что при таких огромных скоростях полёта проявляются новые, неизвестные нам факторы. Существующие теории этого явления противоречивы и далеко не полны. Если применить для космических скоростей методы расчёта, применяемые для обычных скоростей, то результаты могут оказаться совершенно неверными. Ввиду этого задача предохранения космического корабля от чрезмерного нагрева при торможении атмосферой пока ещё не поддаётся математическому исследованию.

Необходимость предохранения космического корабля от чрезмерных напряжений, а также физиологические соображения требуют, чтобы период торможения был возможно более длительным. Но при очень медленном торможении не исключена возможность, что космический корабль, обогнув Землю, опять улетит в мировое пространство. Однако не следует опасаться такого повторного вылета аппарата за пределы атмосферы, правда, при условии, что скорость корабля будет меньше параболической, т. е. будет эллиптической. В самом деле, совершив путь по эллиптической траектории, корабль опять вернётся в атмосферу в пункте, симметричном к месту вылета относительно большой оси эллипса. Используя несколько раз такое последовательное погружение в атмосферу, можно будет значительно снизить скорость космического корабля.

При желании удержать в пределах атмосферы космический корабль, имеющий при возвращении на Землю скорость, большую чем круговая, необходимо будет снабдить его крыльями, установленными таким образом, чтобы их подъёмная сила была направлена к Земле, т. е. прижимала корабль к Земле.

После того как скорость упадёт до значения, равного круговой скорости, дальнейшее снижение корабля может производиться обычным планированием. Теперь крылья на планере должны быть установлены так, чтобы их подъёмная сила была направлена вверх. По мере погашения скорости подъёмная сила крыльев планера будет уменьшаться и поэтому, чтобы планер не переходил в более крутой спуск, поверхность крыльев и угол их атаки должны постепенно увеличиваться (рис. 38).

При надлежащем пилотировании посадочный планер сумеет совершить посадку в любом пункте Земли независимо от того, в какой точке произошло погружение космического корабля в атмосферу.

Овладение мировым пррстранством потребует не только героической работы. Опыты с земными ракетами уже стоили жизни многим исследователям и их помощникам. В межпланетном пространстве опасность столкнуться с астероидом практически возможна только при полёте за пределы орбиты Марса. Встреча же с метеорными телами хотя мало вероятна, всё же возможна на всём протяжении солнечной системы. Вследствие огромной скорости метеорных тел (10—70 километров в секунду в верхних слоях земной атмосферы) столкновение с ними даже при ничтожных их размерах опасно для космического корабля.

Вероятность столкновения с астероидом или метеорным телом в значительной мере будет зависеть от того, какая траектория будет выбрана для полёта в межпланетное пространство. Встречи с большими скоплениями метеорных тел (Леониды, Персеиды и т. д.) и большей частью астероидов можно будет избежать благодаря тому, что траектория космического корабля, совершающего путь к планетам, будет лежать почти в плоскости эклиптики, между тем как орбиты метеорных тел и большей части астероидов значительно наклонены к плоскости эклиптики. Нетрудно также будет избежать столкновения и с другими небесными телами, орбиты которых нам известны. Однако в мировом пространстве возможно существование множества мелких тел, о которых мы пока ничего не знаем. В некоторых случаях космическому кораблю, может быть, удастся уклониться от столкновения с подобным блуждающим телом, если только оно будет своевременно замечено, например при помощи радара.

Что касается других опасностей (вредные для организма ультрафиолетовые и другие излучения), то предохранение от них, невидимому, не представит особых затруднений.

При возвращении на Землю путешественников будет подстерегать прежде всего опасность неправильного входа в атмосферу, а именно — под слишком большим углом к горизонту. Такой вход в атмосферу может повлечь за собой возникновение гибельной перегрузки вследствие резкого торможения в плотных слоях атмосферы или сильный удар о поверхность Земли. Затем даже при не очень больших углах входа в атмосферу большую опасность будет представлять быстрое достижение плотных слоев атмосферы, что может вызвать чрезмерное нагревание космического корабля. Вообще, проблема предохранения корабля от высоких температур при его возвращении внушает, как уже говорилось выше, немалые опасения.

Расчёты показывают, что решение проблемы космического полёта вполне возможно на основе использования химической энергии жидких топлив. Однако для практического осуществления космического полёта пока ещё требуются очень большие усилия технической мысли. Значительное облегчение в деле решения этой проблемы может оказать применение атомной энергии. Преимущества, которые могут быть получены от применения атомной энергии, очень велики: во-первых, появится возможность упростить конструкцию космического корабля; во-вторых, удастся решить проблему посадки и последующего взлёта космического корабля с некоторых тел солнечной системы в тех случаях, когда обычные топлива будут для этой цели недостаточны; в-третьих, можно будет сделать межпланетные полёты более безопасными, в-четвёртых, удастся очень сильно сократить продолжительность перелётов. Наконец, только применение атомной энергии может сделать осуществимой мечту о посещении других планетных систем (см. стр. 131 и след.). Не будет преувеличением, если мы скажем, что ни в какой другой области атомная энергия не нужна в такой мере, как в технике космического полёта.