«Техника-молодежи» 2002 г №10, с.26-29
| Рубрику ведет заслуженный изобретатель РСФСР, доктор технических наук, профессор Юрий ЕРМАКОВ Валерий АКИНИН, изобретатель, член-корреспондент Российской академии космонавтики 45-летию запуска первого искусственного спутника Земли посвящается |  «В ПОГОНЕ ЗА СВЕТОМ И ПРОСТРАНСТВОМ |
Через месяц, 3 ноября 1957 г., такой же ракетой на орбиту был выведен второй ИСЗ, уже обитаемый. В его специальном контейнере находилась собака по кличке Лайка. Программа полета была рассчитана на семь дней. В течение недели с помощью специальных датчиков Лайка «рассказывала» по телеметрическим каналам о своем самочувствии в необычных, условиях, готовила следующую революцию — выход человека в космос.
| П |
ервый в мире искусственный спутник Земли (ИСЗ) был запущен в СССР с космодрома Байконур 4 октября 1957 г. в 22 ч 28 мин по московскому времени. Он имел форму шара диаметром 58 см, его масса составляла 83,6 кг. Вывод рукотворного небесного тела на эллиптическую орбиту был осуществлен двухступенчатой ракетой-носителем «Спутник». Параметры первоначальной траектории: наибольшая высота над Землей (апогей) — 947 км, наименьшая (перигей) — 228 км; период обращения вокруг Земли — 96,2 мин. Он летал ровно три месяца, а потом вошел в плотные слои атмосферы и сгорел. Число витков вокруг мамы, совершенных ее первенцем, — 1400, пройденное расстояние — около 60 млн км. Это была революция в развитии техники — качественный скачок в освоении мирового пространства, позволивший узнать много сокровенных тайн природы.
В глубине казахстанских степей
В тот год урожай на целине выдался невиданный. Через три недели уборки стало ясно, что весь его не собрать. Решили ускорить — убирать раздельно, сначала жать в валки, а потом подбирать их и обмолачивать. Скосили и на тебе — повалил снег.
Когда он растаял под лучами южного солнца, колосья проросли и связались в плотные сплетения; ни один подборщик не мог взять — колеса глубокого профиля буксовали на стерне, вытачивая в ней желоба. Пришлось задержать студентов, съехавшихся со всей страны на уборку урожая. Выстроившись в цепи, шли они с вилами перед молотильными подборщиками. Всемером, с интервалом в полметра, иначе не поднять, отрывали приросший к стерне валок на ширину захвата и подавали его в поперечный шнек жующего агрегата.
То было время перелета птиц. Гуси, утки всех пород (видели и лебедей) не могли спокойно пролетать над таким богатством. Стаи дружно садились на бескрайние поля и кормились на славу несколько дней, пока внутреннее чутье не подсказывало: пора лететь дальше — холода на носу. На то указывали и звездные ночи с горящей хрусталем Большой Медведицей. В одну из таких ясных ночей в поле у костра, за световым кругом которого гоготали над стражей, охранявшей урожай от птиц, гуси, жирующие на даровых хлебах, кто-то заметил плывущую над горизонтом яркую голубую звездочку. Наверное, самолет. Стали искать второй сигнальный, красный, огонь на крыле — его не было. Пока искали, звездочка скрылась за горизонтом. Что бы это могло быть? Аэродромов в той стороне нет.
Радио имелось лишь на центральной усадьбе, транзисторов тогда не знали. Только через пару дней пришла весть, что это спутник, и его сигнал: «Бип-бип-бип» можно поймать даже самодельным приемником. Это был прекрасный подарок к юбилею К.Э. Циолковского (1857 — 1935), 100-летие со дня рождения которого страна торжественно отметила в Колонном зале Дома Союзов 17 сентября. За несколько дней до своей смерти отец космонавтики отправил (13 сентября 1935 г.) известное письмо И.В. Сталину: «...Лишь Октябрь принес признание трудам самоучки, лишь Советская власть и партия оказали мне действенную помощь. Я почувствовал любовь народных масс, и это давало мне силы продолжать работу, уже будучи больным.... Все свои труды по авиации, ракетоплаванию и межпланетным сообщениям передаю партии большевиков и Советской власти — подлинным руководителям прогресса человеческой культуры. Уверен, что они успешно закончат эти труды». Мечтам ученого суждено было сбыться.
От Земли до Луны
Кинофильм «Цирк» вышел на экраны страны в 1936 г. Его смотрели все поколения зрителей. Драматический конфликт фильма строится на желании директора советского цирка (B.C. Володин) вместе с режиссером Мартыновым (С.Д. Столяров) поставить свой номер «Полет в стратосферу» не хуже, чем заграничный, стоящий много долларов «Полет на Луну» Кнейшица и Марион Диксон. Помните, как Марион (Л.П. Орлова) отбивает чечетку на дульном срезе пушки: «Мэри едет в небеса...», и — «до свиданья, гуд бай», — исчезает в жерле гигантского ствола? Как под тревожную дробь барабана руководитель аттракциона американец Кнейшиц (в прекрасном, по выражению режиссера Г.В. Александрова, исполнении П.И. Массальского) ведет отсчет времени? Пуск! Грохот. В клубах дыма вылетает серебристая Диксон — Орлова, хватается под куполом цирка за бутафорский месяц и, раскачиваясь на нем, объезжает цирковую сферу.
Успех был ошеломляющий, и, что бы ни говорили критики, зрители считали «Цирк» фильмом Любови Орловой. Мэтр С.М. Эйзенштейн, подметив центр притяжения зрителей, не без юмора окрестил «орловскими рысаками» режиссера Г.В. Александрова, композитора И.О. Дунаевского и поэта В.И. Лебедева-Кумача, на стихи которого были написаны прозвучавшие в кинофильме песни, в том числе особенно полюбившаяся народу «Песня о Родине» («Широка страна моя родная»). Успеху картины способствовал удачно выбранный сюжет, отвечавший мечтам советского народа — полетам в стратосферу и космос. «Полет на Луну» Орловой-Диксон в стилизованном виде отражал идею романа Жюля Верна «От Земли до Луны».
Главы романа начали печататься в 1866 г. в одной из самых популярных парижских газет «Журнал де Деба». Роман носил ярко выраженный антимилитаристский характер. Жюль Верн заставляет самое разрушительное средство войны служить науке. Необычен сюжет книги. Здесь нет борьбы личных интересов героев — он строится на столкновении научных идей. Сооружение гигантской пушки, отливка ядра, изготовление пороха, и высшее завершение, пафос созидания — преодоление земного тяготения...
Герои экспедиции, продолжившейся затем в романе «Вокруг Луны», — это современники Жюля Верна. Импи Барбикен и капитан Николь, в прошлом участники войны за освобождение негров, — олицетворения двух сторон математического мышления: анализа и синтеза, дифференцирования и интегрирования — воплощают один и тот же образ профессора Анри Гарсе, математика, консультировавшего своего двоюродного брата-романиста; Мишель Адран — это Надар (фамилия героя — анаграмма прозвища прототипа), французский фотограф, воздухоплаватель, ближайший друг писателя, подлинное его имя Гаспар Луи Феликс Турнашон. «...Николь тогда утверждал, что при ударе о Луну снаряд разобьется, как стекло, а Ардан ему возражал, что он задержит падение при помощи ракет, расположенных надлежащим образом, — излагает Жюль Верн свое понимание звездоплавания. — И в самом деле: ракеты, имея точкой опоры дно снаряда и вылетая наружу, должны были вызвать обратное движение снаряда и тем самым до некоторой степени замедлить скорость его падения». Разве эта мысль не зародыш идеи реактивного движения в пустоте, идеи, впервые воплощенной в техническом проекте Н.И. Кибальчича (1881) и развитой в стройную теорию К.Э. Циолковским? А энтузиаст космических путешествий немецкий изобретатель Герман Гансвиндт (1856 — 1934) напрямую использовал ракетометную стрельбу фантаста в своем космическом корабле, даже заряд ракет взял тот же — пороховой. «Ракеты должны гореть в безвоздушном пространстве, но за кислородом дело не станет, потому что он заключается в самом порохе», — пишет Верн.
Скоростная стрельба ракетами потребовала барабаны 1 для размещения патронов, которые Гансвиндт расположил по бокам двигателя 2 в форме снаряда; для подачи патронов в его взрывную камеру 3 разработал автоматическое устройство (рис. 1). Обитаемый отсек 4, рассчитанный на двух путешественников, выполнен в форме цилиндра и окружен тонкими стальными трубками, где под большим давлением находится запас воздуха для дыхания. Сия цилиндрическая гондола закреплена на двигателе 2 посредством упругой телескопической подвески. Гансвиндт понимал, что выстрелить своей этажеркой с Земли, как просто это сделал Жюль Верн, ему не удастся. Реактивный межпланетный корабль должны были поднимать с Земли на максимально возможную высоту геликоптеры, а уже после отсоединения «пегасов» включался бы двигатель. Чем не идея современных промежуточных стартов? Возвращение на Землю предусматривалось посредством планирования в плотных слоях атмосферы.
Геликоптер в буквальном переводе на русский — «винтокрылый» (греч. heliks — спираль, винт; pteron — крыло). Термин вышел из употребления, а в прежние времена, когда все попытки в течение восьмидесяти лет добиться управления аэростатом терпели неудачу, был символом прогресса. Надар и его друзья — де ля Ландель, моряк и писатель, и Понтон д'Амекур, изобретатель — опубликовали по этой проблеме «Манифест» (1863), в котором указали причину неуправляемости аэростатов: «Нельзя вести борьбу с воздухом снарядами, которые сами легче воздуха». (В те времена снарядами назывались аппараты и механизмы, но не артиллерийские бомбы.) Друзья предложили винт, «святой воздушный винт» для управления воздушными судами, честно указав автора этой идеи — инженера Пауктона, еще в 1768 г., за пятнадцать лет до подъема первого монгольфьера, опубликовавшего закон воздухоплавания.
Впервые со своим проектом Гансвиндт выступил весной 1893 г в берлинской филармонии. Понимая, что его конструкция представляет пока еще идею, изобретатель высказал надежду увидеть при жизни инженерную разработку. Пресса после того выступления окрестила его современным Икаром, возродившимся из пепла.
Инерционный разгон
Анализируя ракетную стрельбу своего двигателя, Гансвиндт приходит к выводу, что каждый последующий взрыв удваивает скорость, полученную в результате предыдущего, и корабль будет двигаться равноускоренно — толчки при взрывах не в счет — с ускорением, равным двойному земному, — 19,6 м/с2. Конечно, космонавтам не очень приятно испытывать двойную нагрузку, зато терпеть недолго: Марс или Венеру, уверял изобретатель, можно достигнуть за 22 ч полета, а чтобы совершить плавную посадку на планету, на половине пути корабль разворачивался на 180° и начинал равномерно тормозить с двукратным замедлением. Напомним, что при современных стартах человек испытывает перегрузку до четырех с половиной земных.
Позже ученые неоднократно приходили к идее равномерного разгона космического аппарата, каждый своим путем и в разное время, независимо от немца. В конце концов, идеи сформировались в теорию космических полетов с двигателями малой тяги. На этом пути встречаются экзотические проекты, как, например, космическая гантель Белецкого (рис.2). Московский профессор В.В. Белецкий впервые обнародовал ее в 1963 г., когда после полета Ю.А. Гагарина (12 апреля 1961 г.) самые дерзновенные идеи стали казаться по плечу нашей стране. Итак, представьте себе сферический спутник 1 массой в 30 т, запущенный, как и 1-й ИСЗ, на эллиптическую орбиту. Вот он при подлете на ближайшее расстояние (перигей) к матушке-планете внезапно раскалывается на два полушария 2 массой по 15 т и разлетается в стороны! Авария? Диверсия? Боже упаси! Это сработала программа ускорения спутника за счет увеличения инерции масс. Механическая модель напоминает гребца в лодке: сводя весла, он изображает спутник на понижающей траектории, разводя — уже половинки спутника, отталкивающие систему от опоры — воды или безвоздушного или инерционного пространства. О-о-о! Тема инерциоидов особая, не будем втягивать читателя в ее дебри, но обещаем когда-нибудь вернуться к ней специально. А пока гантель из двух половинок 2, соединенных тросом 3, чтобы не улетели в бесконечность, набрав инерцию, выходит на новый виток 4 эллиптической спирали. И все бы хорошо, да что-то нехорошо. А это «что-то» — космические размеры гантели: минимальная длина троса — 140 км. Где такой найти? Как разместить в сферах? А материал? Капрон? Не годится. Сталь? Можно, но лучше коррозионностойкая. Кто будет отстреливать полусферы? А энергия отстрела? Чудовищная — 650 тыс. кДж за одну секунду.
Прикидываем и так и сяк. Получается, что для выхода гантели за пределы земного притяжения потребуется два года. Чем не спутник Земли, если после этого полет к Луне займет сутки? Тогда зачем же рассматривать космическую гантель Белецкого, коль «страшно далека» она от практического применения? «Гантель» заставила специалистов спорить, считать, отвергать и обретать — по принципу «бороться и искать». Белецкий разбудил Акинина (автора этой статьи). Новый способ изменения энергетического уровня орбиты аппарата заключается в раздвижении масс внутри спутника, а поскольку пространство ограниченное, и массы тоже, то единственный выход сообщить энергию — раздвигать их как можно быстрее, скажем, с частотой 300 Гц (а.с. № 1637199, 1990 г.). Есть способ, есть и устройство (а с. № 1655073, 1991 г) его осуществления: бешено вращающийся эксцентрик 1 и толкаемые им в диаметрально противоположных направлениях массы 2 (рис. 3). Эксцентрик симпатичный — симметричный, эллиптический. На его спаде пружины сжатия 3 возвращают массы к центру. Поспеют ли они за эксцентриком, если частота его вращения 20 тыс. об/мин? Не лучше ли отказаться от пружин и использовать упругий отскок масс от днищ камер? Но это потом. А пока встает вечный вопрос — где взять энергию? «От солнечных батарей, — отвечает автор. — Если их мощность будет 250 кВт, то суток за двадцать-тридцать можно раскрутиться до лунной орбиты». — «Эка вон, как долго! Съестных запасов не хватит. Потребуется грузовик для доставки еды лунатикам. — «Есть и другая идея. Тоже с половинками... стреляющими друг в друга». Гм-м-м, интересно интересно...
Пушки на орбите
Давно это было, более трети века назад. Два советских спутника «Космосы» 186-й и 188-й, расправив солнечные крылья, летели навстречу друг другу по одной и той же орбите. Вот они сближаются, гасят скорости до 10 см/с и... состыковавшись, продолжают полет вместе. 15 апреля 1967 г. Впервые в мире.
Перенесемся в наши дни. Две ракеты «Протон» с тяговой силой 1200 тс каждая выводят на околоземную орбиту космические корабли «Зелена 11» (Земля — Селена) и «Зелена 13» массой по 15 т (рис. 4). Корабли 1 ходят по эллиптической орбите 1-го ИСЗ (параметры см. выше) в противоположных направлениях. Вот сейчас они, спускаясь в перигей, идут навстречу друг другу с огромной скоростью 15,8 км/с — две первых космических! Нет, совершенно ясно: стыковаться — смерти подобно. Пока оцениваем ситуацию, аппараты разлетаются с той же, почти третьей космической, скоростью. Вот бы каждому такую — давно на Луне были бы! Но что это? Из кормовых труб кораблей вылетают ядра 2 — по одному из каждого — и летят вдогонку: ядро «13» — «Зелене 11», ядро «11» — «Зелене 13» (рис. 4,а). Ядра догоняют противоположные аппараты, летят рядом с ними, как вдруг — хвать! С бортов выскакивают руки манипуляторов 3, берут ладошками невесомые на орбите ядра (шестипудовые шары диаметром в треть метра) и закладывают в свои трубы — электромагнитные пушки (рис. 4,6). Через 48 мин новая встреча, надо успеть зарядиться энергией. Ее поставляют топливные элементы (см. «Техника — молодежи», №1 за 1999 г., статья «Тихая энергетика»), заряжаемые от солнечных батарей мощностью 250 кВт.
Экипажи готовятся к встрече, ведут радиопереговоры: «Зелена 11», «Зелена 11»! Как слышимость?» — «Я — «Зелена 11». Слышимость превосходная. Поймала ядрышко?» — «Поймала». — «А скорость какая?» — «Повысилась на 15 м/с. Как у тебя?» — «То же самое». — «Хорошо. Давай, еще поиграем в «волейбол». «Волейбол» — засекреченное название бомбардировочной операции ускорения спутников (заявка № 2002101656, 2002 г.). Она призвана выявить резервы повышения эффективности космических полетов. В первую очередь, это касается энергии как основы строения живой и неживой материи. Пока «Зелены» играют в волейбол — около 20 суток до выхода на траекторию к Селене (Селена — греческая богиня Луны), в Центре управления полетами (ЦУП) подводят первые итоги. «Давайте сравним, товарищи, два варианта запуска КА (космического аппарата) к Луне. Первый: ракета-носитель «Энергия» выводит на лунную траекторию со второй космической скоростью «Лунник» массой 30 т; второй: две ракеты «Протон» выводят на околоземную орбиту две «Зелены» массой по 15 т, сами понимаете, с первой космической скоростью. «Лунник» долетает до Луны за двое суток, две «Зелены» — за двадцать. Раз шестьсот успеют перебросить свои «мячи» за это время наши волейболисты! Кто выиграет?». Все молчат думают. Постепенно картина проясняется.
Энергия пропорциональна массе и квадрату скорости тела. При одинаковой массе затраты энергии на вторую космическую скорость в два раза больше, чем на первую космическую. Мощность «Протона» — 44 МВт, «Энергии» — 125 МВт, мощность двух «Протонов» почти в 1,5 раза меньше «Энергии». Экономия 37 МВт — это плюс, а вот раскрутка орбиты в 20 суток — это большой минус. Сколько затрат связано со столь длительным пребыванием экипажа из трех человек!
«Разрешите, товарищ Генеральный!» — это автор «Волейбола» В.А. Акинин. Волнуясь, он докладывает сбивчиво, говорит, что стрельба ядрами имеет КПД в два раза выше, чем непосредственная работа реактивного двигателя: 86% против 42%, потому что в «пушечном» варианте реактивная сила возникает от опоры на массу ядра, а в жидкостном реактивном двигателе (ЖРД) — на частицы сгорающего топлива. Кроме того, массы кораблей остаются неизменными: выстреливаемые снаряды улавливаются манипуляторами и многократно пускаются в дело». Генеральный строг, прерывает изобретателя: «Мы судим по конечным результатам, а не по теоретическим обещаниям. Где выигрыш? Та энергия, которую сэкономили на запуске, явно перекрывается расходами длительного пребывания на раскручиваемой орбите». — «Эти расходы с лихвой перекрываются наблюдениями за Землей, техническими экспериментами на борту кораблей, например, по выращиванию кристаллов, вакуумному литью или производству препаратов».
«Некогда им заниматься этими экспериментами, — выстрел каждые 50 мин; сначала надо готовиться к нему, затем ловить ядра». «Должен заметить, — осмелел изобретатель, — что полет двух аппаратов надежнее одного. Экипаж чувствует себя комфортнее, перегрузка меньше при старте с первой космической скоростью. Кроме того, при обследовании Луны возможности двух аппаратов гораздо шире, чем одного корабля с отдельным отсеком».
Оставим группу обеспечения полета продолжать наблюдения за «Зеленами» и подведем итоги.
Новые идеи возникают не на голом месте. Они долго зреют в недрах научного сообщества, подпитываясь практическими решениями, проверкой параметров; терпят неудачи, получают признание, пока не становятся острой необходимостью. Внешним толчком для написания романа «От Земли до Луны» было появление в феврале 1865 г. книги Александра Дюма «Путешествие на Луну», хотя и до нее были известны многие сочинения, посвященные путешествиям и пребыванию человека на Луне. Но Жюлю Верну удалось научно увязать и обосновать все тонкости такого путешествия, поставить точку в фантазиях предшественников. Очень выразительную, почти правдивую точку. Сам К.Э. Циолковский не раз признавался, что его собственные идеи рождены под влиянием идей Жюля Верна. Несколько десятков идей знаменитых исследователей, начиная с великого химика Д.И. Менделеева, сопровождают развитие теории Циолковского до реального воплощения в жизнь. «У научного изучения предметов, — говорил Менделеев, — две основные или конечные цели: предвидение и польза». В чем же польза проекта В.А. и А. В. Акининых? В развитии космических полетов с двигателями малой тяги по траектории раскручивающейся спирали. Критически осмыслив известные схемы: космическую гантель Белецкого, реактивные двигатели, в том числе, ЖРД, промежуточные старты в стратосфере с ракетоносцев, траектории и многое другое, вернувшись на новом витке мысли к пушке Жюля Верна, авторы оригинально решили идею инерционного разгона космических аппаратов. Запускают на одну и ту же околоземную орбиту два одинаковых корабля и направляют их с возрастающей скоростью в противоположных направлениях. Это — первая новизна. Вторая — наращивание скорости кораблей стрельбой снарядами из пушек, а не струями газов; почти как у Жюля Верна, разве что пушки электромагнитные, да и стреляют не с Земли, а из космоса. Третья новизна — выброс снарядов весом под шесть пудов и выше, а массы кораблей остаются неизменными. Как так? А так: палим не в «белый свет», а в приготовленную «ладонь» манипулятора напарника. Корабли обмениваются массами, улавливая снаряды. Для поимки снарядов нужны маневры, связь по радио, телевидению, приборам наведения. Маневры кораблей осуществляются давно опробованными на бортах предшественников гироскопами.
Проект осуществим при современном уровне развития техники и средств навигации. Его можно существенно упростить: отказавшись от манипуляторов, ловить ядра непосредственно в трубы пушек, маневрируя кораблями. Догоняющее ядро не только автоматически зарядит пушку, но и подтолкнет корабль, полностью израсходовав кинетическую энергию выстрела.
Как долго ждать реализацию этого проекта? Нам есть с чем сравнивать. У Жюля Верна сбылось 97% его фантастических проектов, даже самая дерзкая мечта — полет на Луну. Через 100 лет после выхода знаменитого романа советский космический аппарат «Луна-9» осуществил 3 февраля 1966 г. первую в мире мягкую посадку на Луну в Океане Бурь. За 7 лет до этого события, ровно через два года после старта 1-го ИСЗ, была запущена автоматическая станция «Луна-3», которая 7 октября 1959 г. в течение 40 мин сделала серию фотоснимков обратной стороны Луны с расстояния более 65000 км.
Ведущий конструктор первых лунников А.П. Иванов вспоминал, как однажды, накануне Нового года, его вызвал к себе генеральный конструктор и подарил книгу в голубом переплете — «Первые фотографии обратной стороны Луны». На первом листе в правом нижнем углу наискось крупным энергичным почерком надпись: «На добрую память о совместной работе. 31.XII.59 г. С.Королев». — «И подожди минутку... — Сергей Павлович вышел в свою маленькую рабочую комнату, что за кабинетом. Через минуту вернулся. В руках — две бутылки, завернутые в мягкую цветную бумагу. — А вот это тебе к новогоднему столу!» — «Сергей Павлович, что это?» — недоуменно пробормотал конструктор. — «А ничего особенного! Вот, винодел, француз, в Париже пари держал, обещал поставить тысячу бутылок вина из своих погребов тому, кто на обратную сторону Луны заглянет. Недели две назад в Москву, в Академию, посылка пришла... Тысяча бутылок! Проиграл мсье!» За реализацию мечты Жюля Верна — щедрый подарок его соотечественника.
Подождем и мы лет 50 — шагнувший далеко вперед прогресс техники сокращает сроки, глядишь — и космическая пара Акининых полетит в космическую даль за новыми открытиями. «Человечество в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе околоземное пространство», — сказал мудрец К.Э. Циолковский. И его предвидение сбывается на наших глазах.
Об авторе
Валерий Александрович Акинин родился в 1947 г. В 1972 г. окончил МВТУ имени Н.Э. Баумана. Член-корреспондент Российской академии космонавтики, автор более 30 научных работ и изобретений, инициатор создания первых в стране студенческих конструкторских отрядов. Под его руководством были изготовлены артиллерийский стенд, двухместный экранолет и ряд летательных аппаратов, отмеченных на международных выставках НТТМ. Разработал новый способ реактивного взаимодействия, обеспечивающий увеличение эффективности летательных аппаратов.