¹ Труд А. Я. Штернфельда „Введение в космонавтику“ был удостоен Международной поощрительной премии в Париже в 1934 г.

Ракета является единственным практическим средством перемещения в безвоздушном пространстве, т. е. единственным средством для реализации не только межпланетных путешествий, но и сверхскоростного транспорта на Земле. Потому вопрос о том, сможет ли человек перенести разные физиологические явления, связанные с полетом на ракете, является чрезвычайно важным.

Во время межпланетного путешествия могут вызвать недомогания, главным образом, нарушения нормального ощущения тяжести.

Физиологические явления, которые будут испытываться пассажирами космического корабля во время его движения, могут быть разделены на две различные категории в зависимости от того, на каком этапе движения находится аппарат.

Характер движения одной категории отличается тем, что аппарат находится под действием своего двигателя или испытывает сопротивление воздуха или того и другого вместе. Такое движение, как правило, довольно кратковременно; оно будет иметь место, например, при взлете аппарата с Земли, затем при изменении направления движения, наконец, при торможении при помощи самого двигателя или вследствие сопротивления окружающего воздуха.

Движение другой категории характеризуется тем, что аппарат движется в безвоздушном пространстве как свободное тело. Длительность такого движения будет, как правило, значительно больше, чем предыдущего.

Таким образом во время периодов первого рода физиологические явления будут обусловлены влиянием ускорения, а при движении второго рода — полным отсутствием ускорения. В конечном счете мы стоим перед необходимостью установить, насколько долго может выносить человек без ущерба для своего здоровья различные по величине ускорения. Ведь совершенно очевидно, что всякий, хотя и осуществимый технический проект межпланетного аппарата не имеет никакой цены если условия его движения не будут переноситься человеческим организмом.

Для преодоления космических пространств межпланетный аппарат должен обладать огромной скоростью. Начальный участок пути при взлете с Земли должен быть участком ускоренного движения.

Физиологическое действие ускорения хорошо известно из обыденной практики: если мы находимся внутри какого-нибудь экипажа, то при трогании его с места мы ощущаем толчок или прижимаемся в направлении задней стенки. Аналогичное ощущение бывает в лифте, когда начинается подъем. Ощущаемый нами эффект ускорения бывает тем сильнее, чем больше величина ускорения. При замедлении движения физиологическое ощущение бывает того же порядка, изменяется лишь направление ощущаемого толчка или давления.

Центробежное ускорение оказывает вполне аналогичное действие на организм. Мы его обнаруживаем при резком повороте экипажа, при виражах самолета и т.п.

Рис. 1. Свободно падающее тело теряет вес: слева — безмен в состоянии покоя показывает 20 кг, справа — во время падения указатель стоит на нуле

Вообразим теперь, что мы находимся внутри герметически закрытой кабины вдали от небесных тел, так что сила их притяжения может не приниматься во внимание. Если кабине тем или иным способом сообщено ускоренное движение, то мы будем себя чувствовать в ней, как на планете, притягивающей нас с постоянной силой. Во всяком случае никакими приборами нельзя обнаружить разницу между тем или другим действием. В самом деле, существует полная эквивалентность между полем ускорения и полем тяготения, и это положение является одним из законов общей теории относительности Эйнштейна.

Если предоставить какому-либо телу возможность свободного падения, то во время падения внутренние силы между молекулами, обусловленные тяготением, исчезают (рис. 1). Но лишь только свободное падение нарушено введением той или иной опоры, между молекулами возникают силы взаимодействия: частицы тела, лежащие выше, оказывают давление на частицы, лежащие ниже, и в результате поверхность тела, соприкасающаяся с опорой, испытывает так называемую «реакцию опоры», т. е. направленное снизу вверх давление, равное весу тела. Поэтому мы говорим, что под действием ускорения силы тяжести тело «имеет вес», т. е. что между последовательными слоями тела действуют силы, возникающие вследствие притяжения со стороны другого тела.

Опора сама по себе может быть как неподвижной, так и подвижной. Примером последней может служить ракета, поддерживающая то или иное тело на некоторой высоте, или, в общем случае, ракета, сообщающая телу ускорение в пространстве. При этом только это ускорение и будет ощущаться; что касается ускорения тяжести, то оно не будет вызывать напряжений между молекулами, так как ни одна из них не будет испытывать препятствия в свободном падении к центру притяжения.

Таким образом мы наблюдаем одинаковое действие на тело, лежащее на опоре, одного из трех факторов: поля тяготения, ускоренного движения и центробежной силы. Это действие мы называем перегрузкой, которую определяем следующим образом: всякое тело испытывает перегрузку, когда реакция опоры вызывает появление напряжений между его молекулами.

Рис. 2. Выбрасывание гидросамолета при помощи катапульты

Рис. 3. 1 — центробежное ускорение, 2 — равнодействующее ускорение (перегрузка), 3 — земное ускорение

Величину перегрузки мы можем регулировать в желаемых пределах, если в наших силах изменять время или путь, на протяжении которых должно быть достигнуто увеличение или уменьшение скорости движения.

Само собой разумеется, что тело, лишенное опоры, не испытывает никакой перегрузки.

При равномерном прямолинейном ускорении перегрузка пропорциональна мгновенной скорости и обратно пропорциональна времени, истекшему от начала движения.

При круговом равномерном движении перегрузка пропорциональна квадрату скорости и обратно пропорциональна описываемому радиусу. На основании общего закона динамики мы можем высказать следующее положение: если на тело действуют несколько сил, вызывающих перегрузки, то равнодействующая перегрузка равна геометрической сумме составляющих перегрузок.

Отметим в связи с этим, что перегрузка, испытываемая лишенным опоры телом в поле тяготения, пропорциональна не истинному ускорению движения, а ускорению реакции, вызванному двигателем.

В качестве величины, характеризующей перегрузку, можно пользоваться коэффициентом перегрузки. Последний показывает, сколько раз истинная перегрузка больше, чем действие средней силы тяжести у земной поверхности.

Уже в 1825 г. производились первые наблюдения над физиологическим действием вращательного движения (И. Е. Пуркинье). В 1875 г. Э. Мах изучал ощущения человека при движении, а в 1906 г. Мегюзар — влияние «анормального действия тяжести».

Через 20 лет ряд ученых производил опыты над живыми существами, подвергнутыми действию центробежной силы. Правда, с точки зрения космонавтики эти опыты не представляют большого интереса, главным образом, вследствие отсутствия данных о длительности опытов. Все же можно считать установленным, что коэфициент перегрузки до 4,5 может переноситься в течение довольно длительного промежутка без вреда для организма и что быстрота зрительной и слуховой реакции при перегрузке в 1,6 остается такой же, как и в состоянии покоя.

Рис. 4. Во время работы, двигателя пассажиры ощущают увеличенную тяжесть (перегрузку) (слева). Рис. 5. Заштрихованные площади на чертеже изображают закон изменения нагрузки: „сидя,", „стоя", „лежа" (справа)

Рис. 6-а. С увеличением наклона плоскости ощутимое ускорение (перегрузка) уменьшается. 1 — приращение скорости, 2 — земное ускорение, 3 — ощутимое человеком ускорение (перегрузка) Рис. 6-б. 1 — приращение скорости, 2 — земное ускорение, 3 — ощутимое человеком ускорение (перегрузка)

Для справки приводим вполне достоверные данные о коэфициентах перегрузки, переносимых человеком в различных условиях.

Самолетные катапульты (рис. 2) Фигуры на самолете Испытательные станки Прыжки в воду

2-5 3-9 4,5 20

Таким образом человеческий организм способен выдерживать очень большие перегрузки. Нужно, впрочем, иметь в виду, что на катапульте длительность действия перегрузки измеряется немногими секундами, а при прыжке в воду лишь ничтожными долями секунды.

Вообще все опытные данные о влиянии перегрузки, кроме тех, которые получены в опытах с центробежным ускорением, представляют очень малый интерес с точки зрения космонавтики, так как величина ускорения и длительность действия совершенно несравнимы с теми условиями, которые будут иметь место при космическом полете. Только при помощи вращающихся приборов можно получить сколь угодно большое ускорение и притом в течение неограниченного времени. Одним из наиболее интересных опытов в этой области является известный цирковой атракцион, заключающийся в том, что велосипедист или мотоциклист быстро едут по вертикальной стенке большого цилиндра с решетчатыми деревянными стенками, находясь при этом почти в горизонтальном положении (рис. 3). Обычно такое выступление продолжается не более 2 мин. при коэфициенте перегрузки, равном 4. Этого было бы достаточно для достижения скорости в 4-5 км/сек. Есть основание предполагать, что продолжительность эксперимента может быть увеличена без особого усилия.

Таким образом при достаточно экономных условиях работы реактивного двигателя (рис. 4) человек сможет достигнуть космической скорости уже при скорости движения около 8 км/сек, под соответствующим углом к отвесу, тело не вернется на поверхность Земли.

Животные оказываются гораздо более выносливыми по отношению к перегрузкам. Так, опыты над собаками, подвергнутыми действию центробежного ускорения, показали, что эти животные способны легко выдерживать 80-кратную перегрузку в течение 2 мин. и 40-кратную в течение 5 мин. Будучи посажены в вертикально движущеюся ракету, они за это время достигли бы скорости в 94 и 117 км/сек, т. е. в несколько раз большей, чем необходимо для космических полетов.

При действии коэфициента перегрузки, равного 98, в течение 5 мин. наступала быстрая смерть от анемии мозга, легких и сердечных мускулов, однако разрыва органов не наблюдалось.

Произведенные в 1930 г. в СССР опыты показали, что более высоко организованные животные (кролик, кошка, мышь) переносят перегрузку значительно хуже, чем, например, насекомые. Это может вызвать опасения за судьбу человека при полете в ракете, тем более что с точки зрения интересов космонавтики было бы очень важно иметь возможность подвергать пассажиров максимальным перегрузкам в течение длительного периода.

Очень важно установить, при каких условиях наиболее легко переносится перегрузка. Известно, например, что стоящий человек больше всего ощущает тяжесть в ногах, в других же положениях распределение тяжести, а также общая усталость тела будут иными. Так, утомление при сидячем положении меньше, чем при стоячем, а при лежачем положении еще меньше. Это известное явление можно иллюстрировать следующим образом.

Рис. 7. 1 — земное ускорение, 2 — ощутимое человеком ускорение (перегрузка), 3 — приращение скорости

Возьмем 8 кубиков одинакового веса, например в 1 кг, и расположим их тремя различными способами, напоминающими различные положения человеческого тела (рис. 5). В положении «лежа» все 8 кубиков касаются опоры и в каждом из них давление изменяется от 0 до 1 кг в зависимости от расстояния того или иного слоя от опоры. Полную сумму нагрузки можно в данном случае оценить произведением 0,5·8 = 4. Рассуждая подобным же образом, найдем, что для случая «сидя» усталость можно оценить числом 13, а для случая «стоя» — числам 32, в 8 раз большим, чем в положении «лежа». Другими словами, полную усталость мы можем представить как сумму произведений из массы элемента на его напряжение при условии, что последнее не превосходит известного допускаемого предела.

Приведенный пример дает, конечно, только грубо приближенную картину физиологической усталости человека, так как наше тело неоднородно и очень сложно по устройству. Кроме того, и качественная сторона усталости очень сильно зависит от характера опоры.

В обычных условиях человек испытывает действие перегрузки, возникающей вследствие силы притяжения на поверхности Земли. Коэфициент перегрузки равен тогда единице.

Вообразим теперь, что мы находимся в тележке, которая свободно скатывается по наклонной плоскости, и положим, что вредные сопротивления отсутствуют (рис. 6). Тогда земное ускорение может быть разложено на две составляющие, из которых одна, параллельная направлению движения, не производит эффекта перегрузки вследствие отсутствия реакции опоры с этой стороны, и другая, перпендикулярная первой, вызывает то же ощущение, что и сила тяжести при состоянии покоя, но по величине меньше последней.

При изменении угла наклона от 0 до 90° коэфициент перегрузки изменяется от 1 до 0, т. е. тяжесть исчезает.

Точно так же мы ощущаем изменения перегрузки при спуске на лифте, зависящие от разности между земным ускорением и ускорением самого лифта (рис. 7).

Рис. 8. Во время полета по инерции в безвоздушном пространстве пассажиры совершенно не будут ощущать перегрузки.

При нахождении тела в состоянии покоя ощущение перегрузки может исчезнуть лишь в том случае, если тело находится в центре планеты или же расположено в точке такой пространства, в которой силы притяжения различных небесных тел взаимно уравновешиваются, или, наконец, в бесконечном удалении от небесных тел. Впрочем, все эти случаи носят чисто теоретический характер.

Если во время космического полета тело движется по инерции, то оно не будет испытывать перегрузки, ибо в этом случае ввиду отсутствия опоры одни частицы не могут давить на другие. В обыденной жизни полное отсутствие перегрузки может иметь место лишь при свободном падении или при прыжках вверх. Таким образом опыт может длиться в лучшем случае несколько секунд. При падении в воздухе сопротивление его, возрастая пропорционально квадрату скорости, постепенно уменьшает возрастание последней и в конце концов приводит к постоянной скорости падения. В этом случае коэфициент перегрузки, равный нулю в начале падения, в дальнейшем непрерывно возрастает и достигает нормального значения, т. е. единицы, несмотря на продолжающееся падение; таким разом здесь мы имеем дело с несвободным падением, так как воздушная среда является своего рода опорой.

Для того чтобы полностью устранить ощущение перегрузки, нужно поместить пассажира в герметически закрытую кабину и сообщить последней необходимый импульс для преодоления внешнего сопротивления во время падения. Постановка такого рода опытов с достаточной длительностью была бы трудной задачей. Заменить их можно опытами при помощи специальных ракет, совершающих взлеты на все большие высоты. Когда будет достигнута скорость в 8 км/сек, то ракета уже не упадет обратно на Землю, но будет обращаться около нее, как спутник, в течение сколь угодно большого времени, не расходуя топлива. Так как при этом сила тяготения будет уравновешиваться центробежной силой, то пассажиры ракеты совершенно не будут ощущать перегрузки (рис. 8). Таким путем можно будет получить исчерпывающие сведения о влиянии длительного отсутствия перегрузки еще задолго до того, как будет осуществлен полет на другие планеты.

Однако здесь сейчас же встает вопрос, каким способом совершить переход к устранению перегрузки в конце работы двигателя: необходимо ли медленно и постепенно уменьшать перегрузку до нуля или же можно сразу остановить двигатель без вреда для пассажиров? Повседневный опыт (прыжки, толчки и т. п.) дает, повидимому, возможность осуществить резкий переход, более экономичный с точки зрения расхода топлива в ракетном двигателе, чем постепенный переход.

Мы знаем, что отсутствие перегрузки в течение нескольких секунд вполне безвредно. Однако, оценивая условия межпланетного путешествия, которое может длиться целые годы, мы можем лишь строить более или менее обоснованные гипотезы, касающиеся самочувствия пассажиров.

Можно думать, что сердце будет действовать нормально, поскольку деятельность его сходна с механической работой насоса с замкнутым циклом, и ему приходится лишь преодолевать сопротивление трения крови о стенки вен, а это сопротивление почти не зависит от внешнего давления.

Вопросы дыхания представляются более сложными. Например, при кратковременном падении обычно наблюдается задержка дыхания, если же падение будет длиться долго, то, несомненно, потребуется применение приборов для искусственного дыхания.

Прием пищи может производиться и при отсутствии тяжести, так как прохождение пищи обусловливается сокращением мускулов пищевода. Глотание жидких веществ может производиться даже, если голова опущена ниже туловища, т. е. занимает положение, обычное для четвероногих. Удаление экскрементов из организма также обеспечено работой мускулов кишечника.

В обычных условиях физиологические процессы совершаются при любых положениях тела — стоячем, сидячем и лежачем, и изменение направления силы тяжести не оказывает на них существенного влияния. Известно, однако, что очень трудно долгое время держать голову опущенной ниже туловища. Это показывает, что при некоторых необычных положениях тела сила тяжести оказывает вредное влияние на организм, но, с другой стороны, нельзя утверждать, что для других положений тела наличие тяжести необходимо. Наоборот, основываясь на том, что большинство физиологических процессов совершается под действием мускульных сил, осмотических давлений и т. п., мы имеем все основания надеяться, что отсутствие перегрузки не внесет существенного расстройства в деятельность организма. Вдобавок, при отсутствии тяжести никакая позиция организма не может являться специально вредной.

Что касается психологических переживаний при полете в мировом пространстве, то можно думать, они будут сходны с ощущениями парашютиста, по крайней мере на первых порах.

Итак, в нашем распоряжении еще нет опытных доказательств того, что человек будет чувствовать себя вполне нормально при отсутствии перегрузки. Вполне возможно что для этого придется применить те или иные меры медицинского характера, которые впрочем не устраняют опасности атрофии большинства мышц.

Радикальным решением вопроса было бы искусственное создание перегрузки, которое заменило бы эффект силы тяжести, если бы отсутствие последней оказалось губительным для человеческого организма.

Эсно-Пельтри в 1912 г. предложил создавать «искусственное поле тяготения», поддерживая непрерывно работу двигателя хотя бы на пониженной мощности. Такое решение потребовало бы непомерного расхода топлива. Между тем существует чрезвычайно простой способ создания искусственной перегрузки без необходимости расходовать топливо, именно — вращение аппарата.

Рис. 9. Общий центр тяжести

Приоритет этой идеи принадлежит Г. Гансвиндту. В 1889 г. он опубликовал проект космического корабля, в котором пассажирская каюта приводится во вращение, с тем чтобы под действием центробежной силы находящиеся в каюте предметы прижимались к ее стенкам. Недостаток проекта состоит в том, что вследствие малых размеров каюты величина центробежной он силы была бы очень различна для отдельных частей человеческого тела, а это могло бы повлечь всякого рода физиологические расстройства. Поэтому в проекте Ноордунга мы находим конструкцию межпланетного корабля в виде платформы диаметром около 100 м, вращающейся около своей оси. Не касаясь фантастичности самого проекта, нельзя не отметить, что он не устраняет возможности появления головокружений, вызванных вращением аппарата.

Дейш и Г. Оберт предложили несколько иной способ. Согласно их мнению аппарат должен состоять из двух соединенных тросом частей, которые взлетают как одно целое, а затем в нужный момент отделяются одна от другой и при помощи небольших ракетных двигателей приводятся в круговое движение около их общего центра тяжести. В зависимости от соотношения масс это движение может совершаться или по общему кругу или по двум концентрическим окружностям (рис. 9). Очевидно, что по достижении системой требуемой скорости вращения последнее будет продолжаться без участия двигателей. Для получения нужного эффекта ускорения, повидимому, достаточна длина троса в несколько сот метров.

М. Валье утверждает, что идея только что описанного способа также принадлежит Гансвиндту.

Таким образом можно притти к выводу, что физиология человека не будет препятствовать осуществлению межпланетных путешествий. Во время работы ракетного двигателя человек сможет по всей вероятности перенести ускорение в 40 м/сек в течение нескольких минут. Это позволит сообщить ракете космическую скорость при достаточно экономных условиях работы ракетного двигателя.

Однако на сегодняшний день мы не вполне уверены, что отсутствие тяжести в течение длительного периода времени не будет вредным для человеческого организма. Но и отрицательный результат не явится еще помехой в завоевании «неба», ибо возможно создать ощущение тяжести при помощи центробежной силы.

Итак, техника сможет всегда создать в корабле во время космического полета физические условия, соответствующие требованиям человеческого организма.