ПРЕДИСЛОВИЕ

4 октября 1957 года с запуском в Советском Союзе первого искусственного спутника человечество вступило в эру межпланетных полетов, так гениально предсказанную Константином Эдуардовичем Циолковским на заре нашего столетия. Спустя месяц после этого события (3 ноября) в СССР был запущен второй спутник, с находящимся на его борту подопытным животным. На очереди теперь вопрос облета Луны и соседних планет — Марса, Венеры, Меркурия, сначала автоматическими ракетами-зондами, управляемыми на расстоянии, а затем ракетами с экипажем. Люди будут летать не только на другие планеты, их спутники и кометы, но и в присолнечные области, а в более отдаленном будущем — к далеким звездам.

Запуск первых искусственных спутников Земли — великая победа советской науки и техники в мирном соревновании двух систем, капитализма и социализма. Эта победа была достигнута благодаря упорному труду сплоченного коллектива советских ученых, инженеров и рабочих, благодаря небывалому развитию науки и техники в нашей стране за годы Советской власти. Коллективы научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро, испытателей и заводов промышленности, создавшие второй советский искусственный спутник Земли, посвятили его запуск 40-й годовщине Великой Октябрьской социалистической революции.

В Советском Союзе, начиная с 1924 года, возникали кружки и общества, ставящие своей целью исследование проблем реактивного движения и межпланетных полетов, объединение усилий всех интересующихся этой отраслью знаний.

Для дальнейшего развития исследований в области астронавтики в 1954 году при Астрономическом совете Академии наук СССР была образована междуведомственная комиссия по межпланетным сообщениям, координирующая работы научно-исследовательских институтов, изучающих вопросы, от решения которых зависит дальнейшее развитие астронавтики в нашей стране.

В том же году (несколько раньше) при Центральном аэроклубе имени В. П. Чкалова в Москве была создана Секция астронавтики. Отдельные проблемы космических полетов разрабатываются также в астронавтических кружках, организованных в высших учебных заведениях Москвы, Киева, Харькова и других городов.

До недавнего времени вопрос межпланетных полетов рассматривался с чисто теоретической точки зрения. Сейчас же, когда вчерашняя мечта стала реальностью, когда вокруг Земли обращаются искусственные небесные тела, ряд вопросов представляется по-новому.

В этой книге, составленной, в основном, по ранее опубликованным автором материалам, главное место отводится вопросам, связанным с искусственными спутниками, запуск которых явился первым шагом на пути проникновения человека в межпланетное пространство. Исследование Земли и окружающего ее пространства при помощи искусственных спутников является составной частью программы необычного по своему размаху научного предприятия — Международного геофизического года (июль 1957 — декабрь 1958). В наблюдениях искусственных лун принимают участие народы всего мира, представители которых уже сейчас ежегодно встречаются на международных астронавтических конгрессах. Международная астронавтическая федерация объединяет национальные астронавтические общества более чем двадцати стран, и число ее членов постоянно растет. Только от народов зависит, в какой мере они сумеют направить свои усилия на созидательный труд, а не на войну, чтобы следующие шаги в космосе были семимильными шагами.

Москва, ноябрь 1957 г.

АВТОР

Древнегреческая мифология изобилует легендами на эту тему. Широко известен древнегреческий миф о полете Дедала и Икара, которые сделали себе крылья из перьев, скрепленных воском, и улетели из плена с острова Крита. Когда они летели над морем, Икар подлетел так близко к Солнцу, что воск, скрепляющий крылья, растаял. Икар упал в море и утонул.

Есть легенда о том, как известный греческий полководец Александр Македонский пытался побывать на небесах в колеснице, запряженной орлами.

В одной китайской легенде утверждается, что китайцы прибыли иа Землю с Луны. В индийском эпосе «Рамаяна» главный герой совершает путешествие по небу.

По мере того как человек познавал окружающую его природу, легенды уступали место научным предположениям. В XVII веке появились первые технические замыслы об установлении связи между Землей и другими небесными телами. Однако эти проекты с нашей современной точки зрения выглядят довольно наивными.

Указание о возможности космических полетов на машинах есть у английского ученого Уилкинса в его «Рассуждениях о новом мире и о другой планете». Еще дальше пошел французский писатель Сирано де Бержерак. Задолго до того, как люди овладели воздухоплаванием, он высказал мысль о возможности применения ракет для космических полетов. Он даже дал описание простейшего ракетного корабля.

В XIX веке появляется ряд фантастических романов, посвященных межпланетным путешествиям. Жюль Верн отправляет своих героев на Луну из пушки.

К. Э. Циолковский (1857 — 1935 гг.)

В начале нашего столетия большой популярностью пользовались фантастические романы английского писателя Уэллса и А. Богданова, а в более поздние годы — А. Толстого и А. Беляева о жителях других миров.

Романы и повести о космических путешествиях писали не только литераторы, но и ученые, например К. Э. Циолковский.

В наши дни создана уже наука о полете в мировом Пространстве — астронавтика *). Современная астронавтика уходит своими корнями в далекое прошлое многих наук, в частности астрономии и ракетной техники.

*) То же, что космонавтика; от греческих слов «астрон» — светило, «космос» — вселенная и «наутика» — все, относящееся к плаванию.

Коперник показал, что планеты обращаются не вокруг Земли, а, как и сама Земля, движутся вокруг Солнца.

Кеплер открыл законы, которым подчиняется движение планет. Ньютон четко сформулировал основные законы небесной механики — науки о движении небесных тел. Он высказал также мысль о возможности превращения снаряда в миниатюрную «луну» — в искусственный спутник; !3емли — и удаления тела с поверхности Земли в бесконечность.

Учение Коперника, законы Кеплера и Ньютона имеют очень важное значение для астронавтики, ибо космические, корабли — это своего рода небесные тела, которые подобно Луне, Земле и другим планетам будут следовать по совершенно определённым путям, подчиняясь тем же законам.

Остановимся, немного на истории ракеты.

Еще в глубокой, древности пороховые ракеты в Китае служили средством развлечения во время народных праздников, В средние века ракеты применялись уже не только для развлекательных целей, ими стали пользоваться и как боевым средством. В конце XVI века встречаются уже описания и чертежи составных ракет, а в половине XVII века — первые рисунки ракет, снабженных воздушными стабилизаторами.

В России с производством ракет знакомятся в начале XVII века благодаря работе подьячего Онисима Михайлова. А в 1680 году в нашей стране было основано первое «Ракетное заведение». В середине прошлого столетия его возглавлял крупнейший специалист ракетного дела в дореволюционной России К.И. Константинов; он значительно усовершенствовал русскую боевую ракету. В 1881 году Н. И. Кибальчич разработал проект ракетного летательного аппарата.

Теорию движения ракеты в межпланетном пространстве разработал К. Э. Циолковский (1857 — 1935 гг.), которого называют отцом астронавтики. Он же впервые дал схему ракеты, работающей на жидком топливе. Последователями Циолковского и продолжателями его дела были Ф. А. Цандер (1887 — 1933 гг.), Ю. В. Кондратюк (погиб в 1942 г.) и другие.

Много сделали для развития астронавтики зарубежные пионеры этой науки Эсно-Пельтри (Франция), Оберт (Германия), Годдард (США), Зенгер (Германия), популяризаторы и деятели астронавтики Ананов (Франция), Хейли (США), Штеммер (Швейцария), Бёрджесс, Кларк (Англия), Гартман (ФРГ), а также межпланетные общества (Американское, Британское, Германское и другие)

Многие думают, что для завоевания солнечной системы необходимо совершить революцию в технике. Это не так. Проникновение человека в межпланетное пространство осуществляется постепенно, вместе с развитием техники.

Жидкостная ракета Годдарда поднялась в 1926 году. Пуск первой советской жидкостной ракеты конструкции М. К. Тихонравова состоялся в 1933 году.

В тридцатых годах нашего века рекорд высоты полета простой жидкостной ракеты составлял 13 километров, в 1952 году — 217 километров, а в 1955 году уже 288 километров.

Лучшие результаты дают более сложные — составные ракеты: в 1949 году была достигнута высота около 400 километров, в 1953 году — немногим меньше 500 километров, а в настоящее время значительно более тысячи километров. Конечно, по сравнению с расстояниями, отделяющими нашу планету от других небесных тел, это еще очень немного. Луна находится от нас в сотни раз, а ближайшая планета — в десятки тысяч раз дальше. Но все же достижения ракетной техники весьма значительны.

В октябре и ноябре 1957 года были запущены первые советские искусственные спутники Земли. А еще один шаг — увеличение скорости орбитальной ракеты *) в полтора раза, и ракета вырвется из оков земного тяготения и долетит до ближайших небесных тел: Луны, Венеры, Марса.

*) Орбитальная ракета — ракета, способная развить достаточную скорость для перехода на круговую или эллиптическую орбиту, в частности ракета, способная превратиться в искусственный спутник

Рис. 1. План солнечной системы.

Земля — одна из девяти больших планет солнечной системы. С огромной скоростью несется она в безвоздушном пространстве по своей почти круговой орбите вокруг Солнца на расстоянии около 150 миллионов километров от него. Это расстояние принимают в астрономии за единицу расстояния и называют астрономической единицей.

Рис. 2. Сравнительные размеры Солнца и планет.

Приблизительно в плоскости этой же орбиты движутся я остальные восемь больших планет, а также большое количество малых планет — астероидов. На рис. 2 даны сравнительные размеры Солнца и планет.

Межпланетное пространство ограничивается орбитой самой отдаленной планеты — Плутона, находящейся от Солнца на расстоянии около шести миллиардов километров. В этом безбрежном пространстве, преодолевая или используя могучее солнечное притяжение, минуя блуждающие метеорные тела и рои астероидов, и должны будут проложить свои пути межпланетные корабли.

Что мешает нам осуществить полет в мировое пространство?

Прежде всего сила тяготения. Все, находящееся на Земле, притягивается к ее центру. Но не только Земля, а любое тело — мельчайшая песчинка и звезда-гигант — обладает этим свойством материи, которое мы называем силой тяготения. Все окружающие нас предметы притягивают друг друга, хотя мы этого не замечаем из-за ничтожной величины притягивающих сил. Сила же притяжения земного шара постоянно нами ощущается.

Если бы не было силы тяготения, все предметы улетели бы с Земли в мировое пространство. Земля удалилась бы бесконечно далеко от Солнца, а Луна от Земли. Сила притяжения затрудняет и космический полет.

Может ли ракета оторваться от Земли и больше не упасть на ее поверхность?

Да, может. Представьте себе, что на горе, достигающей такой высоты, где воздух уже не препятствует движению ракеты, сооружена горизонтальная пусковая площадка (рис. 3). С этой площадки с определенной скоростью стартует ракета. Описав крутую дугу, она упадет на некотором расстоянии от горы. Увеличим скорость и дальность полета вдвое, — траектория, по которой полетит ракета, окажется более пологой. Наконец, ракете можно сообщить и такую скорость, при которой кривизна ее траектории будет равна кривизне поверхности Земли. В этом случае ракета облетит Землю кругом и вновь отправится в полет вокруг нее. Подобно Луне она станет спутником нашей планеты и никогда не упадет на ее поверхность.

Наименьшая скорость, при которой тело начнет двигаться вокруг Земли, не падая на ее поверхность, называется первой астронавтической скоростью или круговой скоростью.

Можно еще иначе объяснить, почему тело при круговой скорости не падает на Землю.

Известно, что когда тело движется по окружности, возникает центробежная сила. Эта центробежная сила тем больше, чем больше скорость движения (она пропорциональна квадрату скорости). Для пешехода, движущегося по прямой дороге, центробежная сила составляет один миллиграмм. Для бегущего человека эта сила увеличивается в несколько десятков раз, а для самолета, летящего с рекордной скоростью порядка 2800 километров в час, она достигает одного процента веса самолета. Наконец, при круговой скорости полета центробежная сила становится равной силе земного притяжения и как бы устраняет ее действие на летящее тело (под этим надо подразумевать, конечно, не исчезновение силы притяжения, а полную ее компенсацию направленной в противоположную сторону центробежной силой). Тело облетит вокруг нашей планеты, причем в безвоздушном пространстве скорость его останется неизменной.

Рис. 3. С увеличением скорости увеличивается дальность полета ракеты и уменьшается кривизна ее пути. Достигнув круговой скорости (верхняя орбита), ракета летит параллельно поверхности Земли и становится ее спутником.

А какой скоростью должно обладать тело, чтобы преодолеть земное притяжение и улететь в мировое пространство?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны ближе познакомиться с действием силы тяготения.

Сила притяжения Земли, как и других небесных тел, по мере удаления от ее центра уменьшается. Она ослабевает так же быстро, как освещенность предмета по мере удаления источника света, то есть обратно пропорционально квадрату расстояния (рис. 4). Другими словами, на расстоянии, вдвое большем от центра Земли, сила притяжения в четыре раза меньше; на расстоянии, в три раза большим, она в девять раз меньше и т. д.

Чтобы освободить тело от притяжения планеты, необходимо выполнить такую же работу, как для его подъема на высоту, равную радиусу планеты, если допустить, что

Рис. 4. Притяжение Земли уменьшается с расстоянием так же, как освещенность предметов по мере их удаления от источника света.

Если телу сообщить скорость больше круговой, но меньше параболической, то оно начнет двигаться по эллиптической орбите. Если же скорость больше параболической, то тело будет двигаться по ветви разомкнутой кривой линии — гиперболы (рис. 5).

Для простоты мы считали, что тело находится под

Рис. 5. Пути следования космических кораблей.

Первый из этих барьеров — достижение первой астронавтической скорости — был взят с запуском первого искусственного спутника Земли. Следующая задача астронавтики — достигнуть второй, а затем и третьей астронавтических скоростей.

Сейчас общепризнано, что двигателем межпланетного корабля будет ракета. Такой корабль сможет передвигаться в безвоздушном пространстве, так как опорой ему будут служить выбрасываемые ракетой газы. Для пассажиров движение ракеты безопасно: в отличие от пушечного снаряда ракета набирает скорость постепенно. Поэтому при взлете перегрузки сравнительно невелики и они не принесут астронавтам вреда.

Скорость полета в пределах атмосферы может быть сравнительно небольшой, поэтому корабль с ракетным двигателем не будет испытывать большого сопротивления воздуха, и нагрев в результате трения о воздух окажется незначительным.

С помощью ракетного двигателя можно ускорить или замедлить движение корабля в безвоздушном пространстве и, когда это нужно, изменить направление полета.

Каков же принцип движения ракеты?

Известно, что при выстреле ружье толкает стрелка в плечо. Происходит это потому, что газы, образующиеся при сгорании пороха, с одинаковой силой давят и на пулю и на ружье. Но так как масса ружья значительно больше, чем масса пули, оно отталкивается с небольшой скоростью. Это явление объясняется одним из основных законов механики — законом равенства действия и противодействия (реакции). Движение, вызванное действием силы реакции, называют реактивным движением.

Пороховые ракеты, подобные тем, что пускают во время салютов, не годятся в качестве двигателя для космического корабля. Это объясняется тем, что при сгорании пороха образуется очень высокое давление. Чтобы выдержать такое давление, ракета должна быть сверхпрочной, а значит и очень тяжелой. Кроме того, расход пороха во время полета ракеты не поддается регулированию, как не регулируется пламя свечи. Нельзя прекратить горение пороха и остановить двигатель в случае необходимости.

Этих недостатков лишены жидкостные ракеты, широко применяемые в современной технике.

Как видно из рис. 6, жидкостная ракета имеет два бака: в одном находится горючее, например этиловый спирт, в другом — окислитель, например жидкий кислород.

Два насоса, приводимые в движение турбиной, постепенно перегоняют обе жидкости в специальную камеру, где происходит химическая реакция между горючим и окислителем, то есть, проще говоря, сгорание жидкого топлива. Образующиеся при этом газы вырываются из камеры сгорания наружу и силой отдачи заставляют ракету лететь вперед.

Рис. 6. Жидкостная ракета.

Устойчивость движения как пороховых, так и жидкостных ракет обеспечивается воздушными стабилизаторами и рулями.

Но вот ракета вырвалась из пределов земной атмосферы. Остальной путь она пролетит в безвоздушном пространстве. Воздушные стабилизаторы и рули больше не пригодны для ее управления. Как же удается повернуть ракету или восстановить нарушенное направление ее полета? Решение этого вопроса было дано К. Э. Циолковским. Он предложил поместить рули в струе извергающихся из ракеты газов. Такие, как их называют, газовые рули смогут применяться для изменения направления ракеты в безвоздушном пространстве. Этого же можно добиться, если изменить на некоторое время ориентировку двигателя относительно оси симметрии ракеты. С этой целью его не монтируют жестко в каркас ракеты, а подвешивают на шарнирах.

От чего зависит скорость ракеты?

В безвоздушном пространстве вдали от небесных тел ракета движется тем быстрее, чем больше она израсходовала топлива и чем с большей скоростью извергаются из нее газы. Поэтому применяют такие топлива, которые дают наибольшую скорость истечения газов. С этой точки зрения очень выгоден водород с кислородом.

Однако водород даже в жидком виде легок и требует значительно больших баков, чем другое горючее. Кроме того, он кипит уже при температуре — 253° С. Более выгоден гидразин *) с азотной кислотой. Эти жидкости (они тяжелее воды) можно поместить в небольших баках, и обращение с ними не представляет трудностей.

*) Гидразин — бесцветная вязкая ядовитая жидкость с неприятным запахом.

В жидкостных ракетных двигателях в качестве горючего применяются также керосин, бензин, скипидар, парафин и др. Окислителем могут служить хлорная кислота, перекись водорода и др.

Все такие термохимические топлива дают скорость истечения газов порядка 2,5 километра в секунду. Есть основания полагать, что ее удастся увеличить до четырех километров в секунду.

Имеется еще другой способ увеличения скорости ракеты и ее «потолка». Для этого ракету нужно разогнать при помощи другой, вспомогательной, ракеты. Когда вспомогательная ракета отработала, она автоматически отцепляется и спускается на парашюте. Затем запускается основная ракета. Таким образом, в момент запуска она уже находится на некоторой высоте и обладает определенной скоростью, что позволит ей подняться выше обычной ракеты. Такая сложная ракета называется составной (ступенчатой) (рис. 7). Увеличив количество ступеней (вспомогательных ракет), можно добиться дальнейшего увеличения скорости ракеты и достигаемой ею высоты (или дальности).

Чтобы еще более ускорить истечение газов, нужно перейти от обычного горючего к ядерному. Что такое ядерное горючее и каковы его преимущества?

В настоящее время физика успешно решила проблему превращения одних химических элементов в другие. Эти преобразования сопровождаются в некоторых случаях выделением ядерной (атомной) энергии. Вещество, выделяющее такую энергию, называют ядерным горючим. Особенностью этого горючего является то, что в малом его количестве заключена огромная энергия. Хотя процесс выделения ядерной энергии протекает очень быстро, он поддается управлению.

Рис. 7. Составная ракета.

Атомная энергия может быть использована для превращения какой-нибудь жидкости (например, жидкого водорода или гелия) в газ и для последующего выталкивания этого газа из ракеты.

Ядерное горючее вместе с жидкостью или газом называют «атомным топливом».

Заметим, что термины «ядерное горючее» и «атомное топливо» — понятия условные, так как выделение атомной энергии и ее передача инертному телу не представляют собой процессов обычного горения.

Атомная ракета действует по следующему принципу. В небольшой сосуд, напоминающий камеру сгорания жидкостной ракеты, поступает жидкий водород (или какая-нибудь другая жидкость). Ядерная энергия, выделяемая в виде тепла, мгновенно нагревает водород до очень высокой температуры. При этом он переходит в газообразное состояние и под огромным давлением устремляется наружу. При использовании атомной энергии струя газов будет извергаться со скоростью до нескольких десятков километров в секунду. А чем выше скорость истечения газов, тем меньше топлива требуется для осуществления межпланетного полета. В этом большое преимущество атомной ракеты.

Принципиально атомная ракета ничем существенным не отличается от обычных ракет. Но ее созданию препятствует ряд технических трудностей. Так, например, нужно «укротить» сверхвысокие температуры и давления, которые возникают в атомной ракете, иначе их не выдержит ни один металл. Необходимо также принять меры для защиты людей от радиоактивных излучений, сопутствующих выделению атомной энергии. Для этого нужен материал, поглощающий такие излучения и вместе с тем достаточно легкий, поскольку всякий добавочный груз сильно отражается на радиусе действия ракеты.

Первая советская искусственная луна — это совсем крохотное сооружение: шар диаметром 58 сантиметров и весом 83,6 килограмма (рис. 8). Корпус спутника изготовлен из алюминиевых сплавов. Его оболочка тщательно обработана и отполирована, что обеспечивает хорошую видимость спутника.

Спутник оснащен радиопередатчиками большой мощности, работающими на частотах 20,005 и 40,002 мегагерца. Четыре стержневые антенны имеют в длину 2,4 — 2,9 метра. Во время взлета орбитальной ракеты эти антенны прижаты к ее корпусу. После же отделения спутника как самостоятельного тела стержни антенны, прикрепленные к корпусу спутника при помощи шарниров, расходятся и занимают положение, изображенное на рис. 8. Антенны — это единственные детали на наружной поверхности спутника, вся же аппаратурах источниками электроэнергии помещена внутри корпуса. Герметизированный спутник заполнен азотом, который вследствие постоянной принудительной циркуляции регулирует теплообмен между разными приборами и деталями.

Рис. 8. Первый советский искусственный спутник Земли (сфотографирован на подставке).

Второй искусственный спутник, созданный в СССР, представляет собой последнюю ступень ракеты-носителя с расположенными в ней контейнерами с научной аппаратурой. Внутри спутника находятся: аппаратура для исследования излучения Солнца в коротковолновой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра; аппаратура для изучения космических лучей; аппаратура для изучения температуры и давления; герметичный контейнер с подопытным животным (собакой), системой кондиционирования воздуха, запасом пищи и приборами для изучения жизнедеятельности в условиях космического пространства; измерительная аппаратура для передачи данных научных измерений на Землю; два радиопередатчика, работающие на тех же частотах, что передатчики первого спутника (40,002 и 20,005 мегагерц); необходимые источники электроэнергии.

Общий вес аппаратуры, подопытного животного и источников электропитания составляет 508,3 килограмма.

Как мы увидим ниже (см. стр. 84 — 95), подобные автоматические искусственные спутники будут применяться для решения большого круга вопросов, имеющих первостепенное научное и практическое значение. Размеры и конструкция таких спутников будут самыми разнообразными.

Со временем, несомненно, будут созданы также целые летающие обсерватории и межпланетные станции.

На пути создания обитаемого искусственного спутника стоит еще много трудностей. Самой сложной проблемой является необходимость обеспечить экипажу возвращение на Землю, что связано с большими трудностями, чем запуск спутника. Уже только поэтому построить обитаемый искусственный спутник в настоящее время еще невозможно. Однако опыт, который будет получен при запуске и эксплуатации первых автоматических искусственных спутников, послужит основой для постройки впоследствии обитаемых спутников.

Очертания больших искусственных спутников еще недостаточно разработаны, но совершенно ясно, что их конструкторы не будут стеснены необходимостью придавать спутникам обтекаемую форму. Ввиду отсутствия сопротивления внешней среды, тормозящего движения спутника, последний может иметь любые очертания. Так, например, спутнику можно будет придать торообразную форму *) в виде огромного полого кольца, внутри которого будут созданы все необходимые условия для жизни и работы экипажа. На внешних стенках сооружения могут быть сделаны поручни, захваты, а также палубы и приспособления, необходимые для швартовки и монтажа космических ракет. Кабины будут не очень просторны: конструкторы искусственных спутников вынуждены экономить вес, а стало быть, частично и объем.

*) Тором называется тело вращения, имеющее форму автомобильной шины.

Если тор будет состоять из отдельных «вагонов», соединенных эластическими тамбурами, то легко будет увеличить его размеры, вставляя новые «вагоны».

Кабины спутника должны быть, конечно, герметически отделены от наружного пространства. Кроме того, внутренние тамбуры, двери и перегородки должны обеспечивать герметичность отдельных помещений. Люки должны прижиматься запорными приспособлениями с эластичными прокладками. Входные двери, обрамленные, например, резиной, должны открываться внутрь, а не наружу. Благодаря этому давление микроатмосферы *) будет способствовать еще более плотному закрыванию дверей, по другую сторону которых находится безвоздушное пространство. Обшивка спутника должна быть цельной, без швов. Особо плотным должно быть соприкосновение между металлическим каркасом и оконными стеклами. Стекла эти должны быть небьющимися и иметь приблизительно такой же коэффициент теплового расширения, как и металл, в который они вделаны или впаяны.

*) Микроатмосфера — воздух, заключенный в кабине космического летательного аппарата.

Утечка газа из кабины космического корабля не имеет большого значения при кратковременных полетах, во время которых испорченная микроатмосфера все равно периодически выпускается в безвоздушное пространство и заменяется новой. Однако проникновение газа наружу весьма нежелательно в случае непрерывного очищения микроатмосферы, что будет иметь место во время длительных перелетов или в кабинах постоянных искусственных спутников.

Остекление и обшивка искусственного спутника будут подобно земной атмосфере задерживать ультрафиолетовые лучи Солнца, пронизывающие межпланетное пространство и в больших количествах вредные для человеческого организма. В случае надобности можно будет также задвинуть особые занавески на иллюминаторах. Может оказаться, что вследствие метеорной опасности и из-за вредных излучений в помещениях искусственного спутника нельзя будет делать окон, непосредственно выходящих наружу. Тогда для ввода световых лучей придется пользоваться узким каналом с системой линз и зеркал. Вести наблюдения в этом случае можно будет с помощью перископа, как в подводных лодках.

Предлагалось сделать искусственный спутник в виде надуваемого воздухом тора из прорезиненного материала, из стеклянной пряжи или из непроницаемой найлоно-пластмассовой ткани. Но вряд ли удастся найти материал, способный служить защитой от космических лучей (о вредных излучениях см. стр. 53). Более вероятно, что для этой цели обшивку придется сделать из нескольких слоев различных материалов.

На спутнике, как уже было сказано, сила притяжения Земли окажется уравновешенной центробежной силой, возникающей при круговом движении спутника по своей орбите. Поэтому находящиеся на спутнике предметы и люди будут невесомы (точно так же на Земле благодаря ее стремительному движению вокруг Солнца мы не ощущаем силы солнечного притяжения, а ощущаем лишь силу притяжения нашей планеты). Сила же собственного притяжения спутника будет неощутима вследствие его ничтожной массы.

Спутники могут строиться с искусственной тяжестью: заставив спутник вращаться вокруг собственной оси, мы создадим на нем центробежную силу, которая и заменит силу тяжести (стр. 46). Можно также строить комбинированные спутники: в одной из частей сооружения будет царить невесомость, в то время как в другой — искусственная тяжесть.

На рис. 9 показано такое сооружение, на котором имеются вращающиеся кабины с искусственной тяжестью. В основном спутник смонтирован из баков и других частей головной ступени орбитальных ракет. Такая схема искусственного спутника обеспечивает возможность постоянного увеличения размеров конструкции.

На спутнике не будет, конечно, ощущаться недостатка в солнечной энергии. Огромные ее потоки К. Э. Циолковский предлагал улавливать и использовать для выращивания во внеземных оранжереях растений, которые обитатели небесного острова могли бы употреблять в пищу. Тем самым одновременно был бы решен вопрос естественного круговорота воздуха. Однако такая оранжерея должна была бы иметь огромные размеры. Если довольствоваться только одним назначением оранжереи — освежением воздуха — и выращивать несъедобные растения, то можно было бы, правда, уменьшить площадь оранжереи. Но и в этом случае она представляла бы, собой огромное сооружение. Так, например, для беспрерывной регенерации «порции» воздуха на одного человека требовалось бы 28 квадратных метров поверхности листьев светолюбивой катальпы (род кустарников), хорошо освещенных солнечными лучами. Для возобновления микроатмосферы может также оказаться очень выгодным применение особого

Рис. 9. Примерная конструкция искусственного спутника. В нижней части искусственного спутника царит невесомость; в верхней части спутника благодаря ее вращательному движению ощущается искусственная тяжесть.

В начале 1956 года Ромик (США) предложил создать искусственный спутник в виде целого города с населением в 20 000 человек. Насколько можно судить по опубликованным статьям, проект Ромика основан на данных, уже неоднократно публиковавшихся в литературе по астронавтике, и не содержит чего-либо такого, что сделало бы его практически неосуществимым. Что касается размеров спутника, на котором проживают 20 000 человек, то необходимо подчеркнуть, что эти размеры не влияют на осуществимость проекта: если можно создать спутник на 100 человек, то можно создать его и на 1000, и на 20 000 человек. Вызывает лишь сомнение вопрос о том, нужен ли практически такой большой спутник. Возможно, что, указывая численность населения космического острова в 20 000 человек, автор проекта предполагал таким образом легче найти дорогу к умам и сердцам своих соотечественников. Нас может только радовать, что идея «отца астронавтики» К. Э. Циолковского о создании в мировом пространстве целых «городов» с искусственной силой тяжести продолжает оплодотворять техническую мысль.

Строительство больших искусственных спутников, а затем станций на Луне и на планетах потребует применения совершенно новых методов монтажа.

Представим себе, что ракета, запущенная с круговой скоростью, достаточно велика, для того чтобы в ней одной могли находиться жилища для людей, лаборатории, мастерские, склады, причалы для космических кораблей и многое другое. Это и будет искусственный спутник — летающая обсерватория или пересадочная станция для космонавтов, отправляющихся с Земли на Луну и на планеты. Создание крупного искусственного спутника будет, по-видимому, осуществляться следующим образом. Через некоторое время после запуска первой ракеты к ней подлетит вторая и с помощью радиоуправления приблизится вплотную к первой. Затем точно таким же способом будут запущены третья, четвертая и следующие ракеты, пока не образуется небесное тело достаточных размеров, чтобы на нем могли жить люди и размещаться все необходимые запасы, механизмы и приборы.

В связи со сказанным напомним, что переброска горючего на самолеты во время полета осуществляется уже давно. При постройке искусственных спутников, очевидно, удастся использовать этот опыт, несмотря на то, что скорости и высоты здесь значительно больше. Местонахождение и скорость искусственного спутника в любой момент можно заранее определить с большей точностью, чем для самолета. В самом деле, маршрут и скорость самолета зависят от погоды и работы двигателя, искусственный же спутник совершенно свободен от влияния метеорологических условий и движется при выключенном двигателе.

Ю. В. Кондратюк считал, что «желательно было бы установить доставку заряда и всех предметов..., способных переносить без вреда для себя ускорения в несколько тысяч метров в секунду за секунду (при соответствующей упаковке — все, кроме тонких приборов), в межпланетное пространство ракето-артиллерийским способом отдельно от человека...».

Итак, искусственный спутник можно будет сначала построить на Земле и испытать до мельчайших подробностей надежность его конструкции и возможность создания на нем необходимых условий для жизни экипажа. Затем демонтированный на составные части спутник можно будет переправить на запроектированную заранее орбиту, где эти части будут вновь собраны в одно целое.

Для того чтобы прибывшие с Земли пересылочные ракеты пришвартовались к искусственному спутнику, можно будет воспользоваться морским опытом. Со спутника на ракету будут переброшены швартовы (например, цепной канат), что позволит летательным аппаратам подтянуться друг к другу.

Не исключен также следующий вариант. Вместо того чтобы отправлять ракеты на строящийся спутник последовательно, все ракеты отправляются одновременно — в виде эскадрильи. В этом случае отпадут трудности отыскивания отдельными ракетами ранее запущенных ракет; монтаж искусственного спутника сможет быть произведен за более короткое время, так как не придется дожидаться переброски с Земли отдельных частей. Это в свою очередь уменьшит для монтажников метеорную опасность (см. также стр. 51).

Конструкция космического корабля зависит от его назначения. Корабль для посадки на Луну окажется во многом не похож на корабль, предназначенный для полета вокруг нее; корабль для полета на Марс должен быть построен иначе, чем корабль, отправляющийся на Венеру; ракетный корабль на термохимическом топливе будет существенно отличаться от атомного корабля.

Космический корабль на термохимическом топливе, предназначенный для перелета на искусственный спутник, будет представлять собой многоступенчатую ракету размерами с дирижабль. При старте такая ракета при полезном грузе в одну тонну должна весить несколько сот тонн. Плотно примыкающие друг к другу ступени будут заключены в обтекаемый корпус для лучшего преодоления сопротивления воздуха при полете в атмосфере. Сравнительно небольшая кабина для экипажа и контейнер для остального полезного груза разместятся, по-видимому, в носовой части корабля. Так как экипажу придется провести на борту такого корабля лишь непродолжительное время (меньше часа), отпадет необходимость в сложном оборудовании, которым будут оснащены межпланетные корабли, предназначенные для длительного полета. Управление полетом и все измерения будут осуществляться автоматически.

Отработавшие ступени ракеты можно будет спускать обратно на Землю либо на парашюте, либо с помощью выдвижных крыльев, превращающих ступень в планер.

Простейшая орбитальная ракета изображена на рис. 10.

Рассмотрим еще один вариант космического корабля (см. рис. 13, в центре, на стр. 48 — 49). Корабль отправится с искусственного спутника в полет вокруг Луны для продолжительного обследования ее поверхности без посадки. Выполнив задание, он вернется прямо на Землю. Как видим, этот корабль состоит в основном из двух спаренных ракет с тремя парами цилиндрических баков, наполненных горючим и окислителем, и двух космических планеров с выдвижными крыльями, предназначенных для спуска на поверхность Земли. Корабль не нуждается в обтекаемой обшивке, так как старт производится за пределами атмосферы.

Такой корабль будет полностью построен и испытан на Земле, а затем переброшен на межпланетную станцию в разобранном виде. Отдельными партиями туда доставят топливо, снаряжение, запасы продовольствия и кислорода для дыхания.

После того как корабль соберут на межпланетной станции он отправится дальше в мировое пространство.

Горючее и окислитель будут поступать в двигатель из центральных цилиндрических баков, которые представляют собой основные кабины космического корабля, временно залитые топливом. Они опорожняются спустя несколько минут с момента взлета. Временно экипаж располагается в менее удобной кабине планера.

Подлетев к Луне, корабль превращается в ее искусственный спутник. Для этого используются горючее и окислитель, находящиеся в задних боковых баках. После использования топлива баки отцепляются. Когда наступит время возвращения на Землю, астронавты снова включат двигатель. Топливо для этой цели хранится в передних боковых баках. Перед погружением в земную атмосферу экипаж пересаживается в космические планеры, которые отцепляются от остальной части корабля, продолжающей кружить вокруг Земли. Планер входит в атмосферу Земли и, маневрируя выдвижными крыльями, снижается.

В некотором отношении космический летательный аппарат, и в частности искусственный спутник, напоминает подводную лодку: и здесь и там экипаж вынужден жить в герметической

Вопрос о поддержании нужного давления в кабине космического аппарата имеет большое значение. Возможно, что при определенным образом подобранных составных элементах воздуха астронавты смогут нормально дышать при давлении в кабине ниже одной атмосферы. Между тем, чем меньше будет давление в кабине искусственного спутника, тем тоньше смогут быть стенки его корпуса, тем проще будет конструкция кабины и скафандров и тем меньше опасность утечки воздуха в мировое пространство в случае недостаточно плотных соединений оболочки или сквозь пробоину, образовавшуюся в оболочке вследствие попадания метеорита.

В земной атмосфере недостаток кислорода обычно дает себя чувствовать при давлении в 430 миллиметров ртутного столба, что соответствует высоте над уровнем моря в 4,5 километра. Опытами установлено, что при уменьшении давления вдыхаемого воздуха следует увеличить содержание в нем кислорода, так как иначе может наступить удушье.

При давлении газов ниже 47 миллиметров ртутного столба организм человека, как и любой другой организм, не может существовать даже в чистом кислороде, так как при таком давлении (оно соответствует давлению на высоте 19 километров) вода, которая содержится в организме человека (при 37° С), начинает кипеть. Такое явление, конечно, связано с опасностью для жизни: появляются разрывы кожи, клеток и т. д. (кесонная болезнь). При низком давлении также ухудшается работа органов слуха и ощущается зубная боль. В то же время для достижения уменьшения испаряемости с поверхности тела требуется как раз повышение давления. Решение вопроса о наиболее целесообразном выборе давления может быть найдено только опытным путем.

Микроатмосфера кабины космического корабля не должна состоять из чистого или почти чистого кислорода.

Опытами установлено, что чистый кислород при давлении 190 миллиметров ртутного столба вызывает те же физиологические реакции, как и воздух на уровне моря. Однако при длительном вдыхании чистый кислород оказывает на организм расслабляющее действие.

Следует заметить, что при большом количестве кислорода увеличивается пожарная опасность, быстро окисляются и портятся пищевые продукты; поэтому микроатмосфера должна также содержать другие газы. В связи с этим неоднократно обсуждалась возможность замены азота в микроатмосфере космического корабля или искусственного спутника каким-нибудь инертным газом.

Воздух в кабине может непрерывно очищаться путем охлаждения в специальном конденсаторе до температуры сжижения углекислого газа, то есть до — 78° С. При этом сначала будет осаждаться вода, а затем и жидкая углекислота. К очищенному воздуху должны прибавляться нужные количества кислорода и водяных паров, причем содержание воды в микроатмосфере должно в результате уменьшиться. После этого смесь должна быть нагрета до нормальной температуры.

Вряд ли окажется целесообразным переправить на искусственный спутник с непродолжительным сроком использования тяжеловесную установку для возобновления состава воздуха. Проще, по-видимому, будет заменить испорченную микроатмосферу свежей путем «проветривания» кабины. Выделение углекислоты из микроатмосферы может производиться также с помощью химических средств. Так, например, в погруженной подводной лодке удается с помощью поглотителей устранять углекислоту в течение многих суток.

Необходимый запас кислорода удобно взять с собой в жидком виде. Переброску кислорода с Земли на искусственный спутник можно осуществить даже в твердом виде, что потребует самой легкой тары. Кислородом для дыхания можно запастись также, взяв его в составе перекиси натрия, которая поглощает углекислый газ и излишнюю влагу и выделяет кислород. Еще более подходящей была бы перекись водорода в твердом виде.

В условиях невесомости в микроатмосфере искусственного спутника отсутствует явление конвекции (воздухообмена между нижними и верхними слоями), что может, в частности, привести к удушью: воздух застаивается, причем образуются углекислые «мешки», делающие невозможным процесс дыхания (а также процесс горения пламени). Поэтому в кабинетах следует с помощью вентиляторов или других средств постоянно перемешивать воздух и одновременно производить принудительную одностороннюю циркуляцию воздуха.

Во время такого космического путешествия недомогания могут быть вызваны главным образом нарушением нормального ощущения силы тяжести. Прежде всего заметим, что нет такой скорости, которой человеческий организм не мог бы перенести, если только она не сопровождается чрезмерным ускорением. В самом деле, тревожит ли нас, хотя бы в малейшей мере, вращение Земли вокруг своей оси? А ведь скорость движения точек экватора вследствие вращения Земли достигает 1675 километров в час. Беспокоит ли нас движение Земли вокруг Солнца, скорость которого превышает 100 000 километров в час? Замечаем ли мы, наконец, движение всей нашей солнечной системы в мировом пространстве, происходящее со скоростью 70 000 километров в час? Имея в виду эти факты, мы можем утверждать, что человеческий организм в состоянии безопасно переносить любую скорость.

Полет с Земли в космос и обратно можно сравнить с гигантским прыжком в космос, во время которого астронавты будут временами подвергаться действию увеличенной силы тяжести, а временами пребывать в состоянии невесомости. Аналогичные явления мы наблюдаем при обычном прыжке в длину или в высоту. Когда мы толчком отделяемся от почвы, мы ощущаем увеличенный вес нашего тела. Этот этап прыжка аналогичен взлету ракеты с поверхности Земли. С момента, когда наша подошва отделилась от земли и наше тело перебрасывается на некоторое расстояние, мы летим по инерции, не ощущая своего веса. Этот этап прыжка сходен с движением ракетного корабля с выключенным двигателем. Когда, наконец, наши ноги опять коснутся почвы, начнется торможение нашей скорости, и мы вновь почувствуем вес. Этот третий этап прыжка аналогичен периоду торможения при спуске на Землю.

При резком трогании поезда с места пассажир испытывает толчок назад, и если сзади имеется стенка, то пассажир прижимается к ней. Возникает так называемая перегрузка, имеющая своим источником ускоренное движение. Действие перегрузки на организм совершенно такое же, как и действие силы тяжести. Именно действие перегрузки, вызванное тягой ракетного двигателя, и будет ощущать астронавт в кабине ракеты. При старте эта сила, естественно, больше силы земного притяжения, — иначе ракета не сдвинулась бы с места, — поэтому она и получила название «перегрузки» (говорят о трехкратной, пятикратной и т. д. перегрузке, имея в виду сравнение ее с обычной на Земле силой тяжести).

При взлете самолета с помощью катапульты летчик переносит четырехкратную перегрузку, то есть он чувствует себя в четыре раза тяжелее обычного; летчики при фигурных полетах переносят часто восьмикратную перегрузку, а для спортсменов, совершающих прыжки в воду, шестнадцатикратная перегрузка во время погружения является обычным явлением. Необходимо, однако, иметь в виду, что на катапульте длительность действия перегрузки измеряется немногими секундами, а при прыжке в воду (точнее, при торможении в воде после падения) лишь ничтожными долями секунды. Известно также, что на обычных средствах транспорта можно наращивать скорость в течение продолжительного времени, если ускорение небольшое. Приведенные примеры отнюдь не доказывают, однако, что человек сможет в течение достаточно продолжительного времени переносить перегрузку, необходимую для достижения круговой скорости.

Имеется ли возможность установить до осуществления космического полета, какую перегрузку способен без опасности для жизни вынести человек и в течение какого времени?

Центробежная сила, возникающая при вращательном движении, тоже вызывает перегрузку. Таким образом можно получить любые по величине перегрузки большой продолжительности. Человек помещается в кабину ротативной машины, своего рода карусели, которая приводится в очень быстрое вращательное движение. Подбором радиуса и скорости вращения можно вызвать точно такое же ощущение, как в данной ракете во время взлета. Полученные с помощью такого эксперимента результаты свидетельствуют о том, что экипаж ракеты сможет перенести ускорения (и перегрузки), связанные с развитием астронавтических скоростей: четырех-пятикратная перегрузка в течение нескольких минут переносится безвредно большинством людей.

Степень выносливости человека по отношению к перегрузке весьма существенно зависит от положения тела во время работы двигателя. Человек, например, иначе реагирует на перегрузку лежа навзничь или ничком, чем сидя. Стоя, человек больше всего ощущает тяжесть в ногах. В других же положениях ощущение тяжести, а также общая усталость тела будут иными. Так, мы утомляемся меньше сидя, чем стоя, а меньше всего — лежа. Наиболее действенным средством для уменьшения усталости при перегрузке является помещение человека в специальный индивидуально пригнанный футляр *). Опыты показали, что специальные «антигравитационные» костюмы, в которых обеспечивается усиленное давление в области ног и нижней части туловища с целью замедления оттока крови от головы и облегчения питания мозга кровью, позволяют человеку легко перенести трехкратную перегрузку в течение промежутка времени, превышающего период работы двигателя орбитальной ракеты.

*) Такое предложение выдвигалось автором в 1933 году в работе, представленной Комитету астронавтики в Париже.

Заметим, что способность переносить большие перегрузки зависит от индивидуальных особенностей организма и отчасти от тренировки. Перегрузки, переносимые сравнительно легко одним человеком, для другого могут оказаться губительными.

Когда корабль движется в безвоздушном пространстве по инерции, люди, находящиеся на его борту, чувствуют себя невесомыми. И вот почему: ощущение веса получается в результате давления опоры (пола, стула, кровати и т. д.) на тело и взаимного давления одних частей тела на другие. Если же убрать опору, исчезнет и ощущение веса.

Поясним это на примере.

Возьмем три кирпича и положим их друг на друга. Верхний кирпич давит на средний с определенной силой, а средний кирпич на нижний — с силой вдвое большей. Но если мы те же три кирпича выбросим вместе через окно, то, падая, кирпичи не будут давить друг на друга: ни один из кирпичей не представляет опоры для другого.

В литературе по астронавтике под понятием «вес» обычно подразумевается сила, которая действует на предметы и людей в кабине космического корабля, прижимая их к полу, а не сила притяжения к Земле, которая, разумеется, никогда не исчезает. Именно действие этой прижимающей силы, а не силы земного притяжения ощущают астронавты; эта сила натягивает пружину весов (безмена), нить отвеса. При ее отсутствии предметы не давят друг на друга, люди не ощущают никакой силы, прижимающей их к полу, то есть теряют вес.

Организм человека в условиях невесомости. Действие невесомости на человека удалось отчасти изучить во время высотных полетов реактивных самолетов. Для проведения опытов самолет набирает большую высоту, и в момент, когда он, поднимаясь, достигает максимальной скорости, двигатели выключаются. Самолет движется тогда по инерции в очень разреженных слоях атмосферы, как подброшенный камень, испытывая только незначительное сопротивление воздуха. В этих условиях сила тяжести почти совсем исчезает («почти» — поскольку все же имеется некоторое сопротивление среды). Таким образом, можно на реактивном истребителе создать состояние невесомости примерно в течение одной минуты. Наконец, влияние невесомости (правда, неполной) на людей и животных можно изучать во время вертикального падения самолета или затяжного прыжка с парашютом (до его раскрытия).

Опыты показали, что ощущение невесомости в течение одной минуты безвредно для человека, хотя в первые моменты времени он теряет всякий контроль над своими движениями (они становятся очень резкими).

На VII Международном астронавтическом конгрессе Гератеволь (США) сделал сообщение о результатах трехсот опытов по изучению воздействия кратковременной невесомости, которым подверглись 16 человек во время специальных экспериментальных полетов, произведенных в 1955—1956 гг.

Чувствительность к физиологическому воздействию невесомости оказалась чрезвычайно различной не только у разных лиц, но даже у одного и того же человека в зависимости от обстоятельств. В то время как многие лица ощущали потерю тяжести даже с удовольствием, другие более или менее тяжело заболевали. Некоторые испытывали тошноту, последствия которой давали себя чувствовать в течение многих часов после приземления. Во время кратковременной невесомости патологических процессов в кровообращении не наблюдалось, а волевые движения головой в условиях невесомости не вызывали неприятных ощущений. Влияния невесомости во многом зависят от тренировки и длительности пребывания в состоянии невесомости. Очень рискованно распространять результаты кратковременного воздействия невесомости на влияние невесомости в течение длительного периода времени.

Как уже говорилось, ощущения людей во время невесомости оказались весьма субъективными.

Так, 35-летний пилот, имеющий за собой тысячу летных часов на реактивном самолете и подвергавшийся свыше двухсот раз воздействию невесомости (главным образом на самолете, который он сам пилотировал), сообщает, что для движения конечностей не требовалось усилий и мускульная координация нисколько не нарушалась. Не представляет трудности ориентировать самолет по отношению к земной поверхности. Направления «верх» и «низ» не подвергаются изменениям. Состояние невесомости вызвало у испытуемого пилота приятное ощущение: он не заметил никаких неблагоприятных симптомов в отношении зрения, слуха, дыхания в условиях невесомости.

Сам Гератеволь, испытавший на себе действие невесомости в течение 47 секунд, охарактеризовал свои ощущения следующим образом: «Я никогда в жизни не чувствовал себя так хорошо, и если я мог бы выбирать род отдыха, мой выбор пал бы, несомненно, на состояние невесомости». Другой испытуемый, 46 лет, имеющий богатый опыт полетов на планерах, напротив, рассказывает, что во время невесомости он терял представление о «верхе» и «низе». Среди испытуемых, заболевших от воздействия невесомости, были и двадцатилетние новички и летчики в возрасте тридцати с лишним лет, имеющие за собой 1000—1500 летных часов.

Значительно дольше человека (до трех-четырех минут) переносили состояние неполной, правда, невесомости мыши, собаки и обезьяны. В опытах, проведенных в СССР под руководством А. В. Покровского, собаки поднимались на высоту до 110 километров. Во время падения ракеты обратно на Землю собаки в скафандрах с соответствующей установкой выбрасывались с помощью катапульты: одна на высоте 90—85 километров, а другая — на высоте 50— 35 километров, и, начиная с высоты 4 километров, спускались на парашютах на Землю. Все девять подопытных животных благополучно приземлились (три собаки проделали это дважды). Произведенные во время полета киносъемки, электрокардиограммы, измерения температуры собак, их пульса и т. д. показали, что в основном животные могут хорошо приспособиться к условиям невесомости, реагируя на нее по-разному, в зависимости от индивидуальных особенностей.

Мы видим, таким образом, что кратковременное состояние невесомости не вредно для организма человека; во всяком случае оно безвредно для многих людей. Пребывание на искусственном спутнике или космическом корабле может, однако, длиться многие сутки или даже целые недели и месяцы, и поэтому пока мы можем строить лишь более или менее обоснованные предположения о самочувствии космонавтов. Некоторые исследователи предполагают, что и при длительной невесомости сердце будет действовать нормально, поскольку деятельность его сходна с механической работой насоса с замкнутым циклом: сердцу приходится только преодолевать трение крови о стенки сосудов. Однако на такие рассуждения нельзя опираться, так как сердечная деятельность тесно связана с центральной нервной системой.

Вопросы дыхания в условиях невесомости представляются более сложными. Например, при кратковременном падении (в частности, во время парашютных прыжков) обычно наблюдается задержка дыхания. Если же полет на искусственном спутнике, который вследствие отсутствия веса будет восприниматься человеком именно как падение, будет длиться долго, то возможно, что 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 в том случае, когда голова опущена ниже туловища).

В обычных условиях физиологические процессы совершаются при любых положениях тела: стоячем, сидячем и лежачем. Следовательно, изменение положения органов тела относительно направления силы тяжести не оказывает существенного влияния на их работу. Правда, очень трудно долгое время держать голову опущенной ниже туловища. Это показывает, что при некоторых необычных положениях тела сила тяжести вредно действует на организм. Но это вовсе не означает, что для других нормальных положений тела наличие силы тяжести необходимо. Наоборот, основываясь на том, что большая часть физиологических функций совершается под действием мускульных сил, осмотических процессов (просачивание сквозь полупроницаемые перепонки) и т. п., мы имеем все основания надеяться, что отсутствие веса не внесет существенного расстройства в деятельность организма.

Таковы результаты исследования влияния невесомости на живой организм в земных условиях. Запуск второго советского искусственного спутника с подопытным животным открыл совершенно новые возможности изучения приспособляемости организмов к миру без тяжести. На втором советском искусственном спутнике впервые проведена опытная проверка действия длительной невесомости на живой организм. Этот опыт оказался ободряющим: физиологическое поведение находящейся на борту спутника собаки, помещенной в специально оборудованной герметической кабине, было удовлетворительным не только в течение первых часов, но и нескольких суток.

Это дает нам основание полагать, что астронавт не потеряет самообладания хотя бы в начале полета с ощущением потери веса и сможет за это время создать на борту космического летательного аппарата приемлемые условия жизни (см. стр. 46—50).

Работа и быт в условиях невесомости. Остановимся теперь на физических явлениях, которые будут иметь место в условиях невесомости во время повседневной жизни на искусственном спутнике и которые, естественно, будут существенно отличаться от привычных явлений, имеющих место на Земле.

При отсутствии тяжести представление о «верхе» и «низе» в обычном их понимании исчезнет. Выпущенный из руки предмет не будет падать вниз и «низом» условно будет считаться направление к центру Земли. Люди смогут отдыхать в любом положении. Ходьба станет невозможной, так как давление стопы на опору будет отсутствовать, а следовательно, не будет и трения, необходимого для передвижения. Передвигаться внутри искусственного спутника или межпланетного корабля можно будет, подтягиваясь к стенкам или неподвижно укрепленным предметам и отталкиваясь от них.

Следует заметить, что, хотя, например, на искусственном спутнике тела и будут невесомы, но для того, чтобы привести их в движение или, наоборот, остановить или хотя бы замедлить, потребуется подействовать на них с определенной силой в течение какого-то промежутка времени, так как они не потеряют, разумеется, свойства инерции, присущего любой массе.

При выходе из искусственного спутника во внеатмосферное пространство астронавт, очевидно, должен будет сохранять с ним связь с помощью троса. Он может взять с собой привязанный к тонкому тросу тяжелый предмет, отбросив который в одном направлении, он сам переместится в противоположном направлении (на основании закона о сохранении положения центра масс при действии одних внутренних сил). Того же эффекта можно будет достичь с помощью маленькой ракеты или пистолета, но эти способы связаны с безвозвратной потерей массы.

Обычной мебелью и инструментами нельзя будет пользоваться. Для удержания любого предмета на определенном месте его придется укреплять. Например, фляги с жидкостью нужно будет прикреплять к стене. При приготовлении пищи кастрюли нужно будет закрывать крышками и приводить их во вращательное движение с помощью специальной центрифуги с тем, чтобы их содержимое прилегало к стенкам. Очень удобно будет пользоваться электромагнитными приборами, которые должны хорошо действовать в условиях невесомости.

При выливании из сосуда жидкость обратится в шар вследствие действия поверхностного натяжения. При соприкосновении

Рис. 11. Как меняется вес тела во время космического полета.

Если в условиях невесомости чиркнуть спичкой о коробок, то головка вспыхнет, но спичка не зажжется. Не будут гореть ни свеча, ни газовая горелка. Дело в том, что в земных условиях продукты сгорания — горячие газы, как более легкие, поднимаются вверх (явление конвекции) и дают доступ новым порциям кислорода, необходимого для поддержания пламени. Но в условиях невесомости газы не легче окружающего их воздуха. Скопляясь около пламени, они будут гасить его. Для поддержания пламени придется подводить к горелке непрерывную струю кислорода. Удобнее, конечно, будет пользоваться электрическими нагревательными приборами.

В условиях невесомости содержащаяся в воздухе пыль не будет оседать на пол и другие поверхности, что представит угрозу для здоровья. Для борьбы с пылью можно будет применять электрофильтры. Одежда астронавтов должна быть изготовлена так, чтобы она удерживалась на теле независимо от силы тяготения. Таким образом, управление многими явлениями и функциями на космическом корабле будет несколько затруднено. Некоторые же функции (например, передвижение тяжестей) при состоянии невесомости существенно облегчатся.

Сделаем, наконец, одно важное замечание. Иногда говорят о «кажущемся» увеличении веса или о «кажущейся» потере веса на летящей ракете. Такой взгляд сугубо ошибочен: увеличение и потеря веса — это совершенно реальные явления и их можно установить с помощью приборов. На рис. 11 показано, как меняется вес тела на протяжении космического полета. На Земле гиря в один килограмм, подвешенная к пружинным весам, натягивает стрелку до деления «1 кг». Однако при взлете вес гири, как и вес всех тел, находящихся в ракете, увеличивается в несколько раз, например в четыре раза, и стрелка весов показывает 4 кг. Во время же полета по инерции все предметы на космическом корабле теряют вес; поэтому и стрелка весов переходит на «0».

Итак, мы пока еще не располагаем опытными доказательствами того, что человек будет чувствовать себя вполне нормально в условиях невесомости. Возможно, что придется применять специальные медицинские средства для поддержания нормальной деятельности человеческого организма.

На первый взгляд проще всего создать искусственное поле тяготения, поддерживая непрерывную работу двигателя хотя бы на пониженной мощности, как это предлагал Эсно-Пельтри (1912 г.). Однако такой способ повлек бы за собой чрезмерно большой расход топлива. Между тем существует чрезвычайно простой способ создания искусственной тяжести, а именно вращение искусственного спутника. Согласно идее К. Э. Циолковского, выдвинутой им еще в конце прошлого века (1895 г.), космический аппарат (например, корабль, изображенный на рис. 13), должен состоять из двух соединенных между собой частей. В нужный момент эти части отделяются друг от друга, оставаясь, однако, связанными тросами, и затем при помощи небольших ракетных двигателей приводятся в круговое движение вокруг их общего центра тяжести

Рис. 12. Создание искусственной тяжести на космическом корабле

В итоге мы видим, что с точки зрения физиологии не будет непреодолимых препятствий к пребыванию людей на искусственных спутниках и межпланетных кораблях. Во время работы двигателя космонавты, несомненно, смогут перенести четырехкратную перегрузку в течение нескольких минут. Это позволит сообщить ракете необходимую скорость при достаточно экономных условиях работы двигателя.

Рис 13. В центре рисунка — примерная конструкция космического корабли для обследования Луны с птичьего полета. I — отправление корабля с искусственного спутника Земли; II — корабль превращается в искусственный спутник Луны; III — путь корабля вокруг Луны; IV — корабль улетает от Луны; V — отделение планеров от корабли при его приближении к Земле; VI — посадка на Землю космических планеров

Что же касается полета по инерции на ракете после выключения двигателя и на искусственном спутнике, то мы не вполне уверены, что отсутствие тяжести в течение длительного периода времени будет безвредным для человеческого организма. Но если бы даже вред и был, то это не должно стать препятствием на пути создания обитаемых искусственных спутников и космических кораблей, так как технически вполне возможно создать ощущение тяжести при помощи вращения.

Обнадеживающий опыт полета подопытного животного на борту второго советского искусственного спутника говорит о том, что после прекращения работы двигателя астронавты не потеряют самообладания и, по-видимому, будут в состоянии создать искусственную тяжесть; во всяком случае, они смогут пассивно дождаться того момента, когда автоматы приведут спутник (или космический корабль) во вращение.

Хотя вопросы обеспечения астронавтов кислородом, водой и продуктами питания в герметически закрытой кабине космического летательного аппарата разрешимы уже в наши дни, специалистам придется еще немало потрудиться над их уточнением. А вопросы эти не второстепенные, если учесть, что, например, межпланетная экспедиция может продлиться несколько лет. Слабо разработаны пока и вопросы возможности кондиционирования воздуха и кругооборота воды на борту космического летательного аппарата.

Имеется большое расхождение в мнениях у разных авторов относительно рационов питания и дыхания, необходимых для снабжения астронавтов: одни определяют этот рацион ниже 4 килограммов, другие даже 10 килограммов в сутки на человека. Рацион сухих продуктов питания колеблется от 0,5 до 1,2 килограмма. Для совершенно сухих, обезвоженных, продуктов нижняя граница кажется более близкой к истине. Для окисления этих продуктов хватит немногим больше 1 килограмма кислорода (не следует забывать, что дыхательный процесс тесно связан с пищеварительным: чем больше мы едим, тем больше поглощаем и кислорода). Ввиду того, что углеводы в сочетании с кислородом дают меньше калорий, чем белки и жиры, последние должны будут преобладать в пище астронавтов.

Однако в высококачественных пищевых продуктах углеводы в сочетании с кислородом могут успешно конкурировать в отношении теплотворной способности с жирами. Благодаря этому меню астронавтов может быть разнообразным при минимальном весе продовольственных запасов. В частности, любимая еда североамериканских индейцев — пеммикан (паста из сушеного мяса, жира и соков ягод), ввиду его высокой калорийности и способности долго сохраняться, будет, вероятно, высоко цениться на искусственном спутнике.

Рацион воды для человека в сутки определяют в 2 килограмма. Разумным кажется предложение захватить воду и кислород в виде перекиси водорода. Это позволит уменьшить объем кислородных баков, так как кислород окажется как бы упакованным в воде. К тому же при разложении перекиси водорода на воду и кислород выделяется определенное количество тепла, которое может быть использовано для отопления жилых помещений.

Установка для осуществления круговорота воды может оказаться выгодной только для межпланетных кораблей и для постоянных спутников. При этом общее количество воды на борту будет все время увеличиваться за счет синтетической воды, которая постоянно производится в организме при окислении водорода, содержащегося в сухих продуктах питания.

Метеорная опасность. Часто высказываются опасения, что космический летательный аппарат рискует встретиться с крупными метеорными телами. Насколько велика эта опасность и каковы способы защиты от нее? Земля постоянно подвергается бомбардировке метеорными телами. В течение года на поверхность нашей планеты падают тысячи метеоритов. Эти железные или каменные тела до их проникновения в земную атмосферу имеют различные размеры.

Скорость их проникновения в земную атмосферу составляет от 10 до 70 километров в секунду. Пересекая атмосферу, метеорные тела раскаляются от трения и сопротивления воздуха и светятся иногда с яркостью Солнца.

Попадание метеорного тела в космический корабль может быть причиной его гибели, малейшая пробоина нарушит воздухонепроницаемость кабины, и воздух улетучится из нее. Однако, как показали опыты, при резком падении давления человек сохраняет самообладание примерно 15 секунд, а этого достаточно, чтобы включить кислородный аппарат скафандра.

Даже микроскопические метеорные тела могут постепенно разрушить обшивку корабля. Эта опасность особенно велика для искусственных спутников, продолжительное время обращающихся вокруг Земли. «Капля долбит камень не своей силой, а частым падением» — говорит древняя пословица.

В одном опыте, произведенном в США в 1953 году на высотах от 40 до 140 километров, было зарегистрировано 66 столкновений за 144 секунды. На квадратный метр в течение секунды приходилось 4,9 столкновения. В других опытах на отполированных металлических плитках после пребывания на больших высотах были обнаружены под микроскопом ямочки от попадания микрометеоритов.

Действенные способы предохранения космического корабля от метеорной опасности пока не найдены. Однако мы знаем, что распределение метеорных тел в пространстве и во времени неравномерно. Подробно исследованы орбиты многих роев метеорных тел. И астронавты учтут эти данные при выборе траектории и времени полета. Имеется возможность во время «метеорного штиля» слетать на Луну и вернуться обратно, почти не подвергаясь опасности встречи со сколько-нибудь значительным метеорным телом. В этом убедил нас опыт первых искусственных спутников, которые без всякой «метеорной аварии» проделали путь, во много раз превосходящий такой маршрут.

Когда космический корабль выйдет за пределы орбиты Марса, астронавтам будет еще угрожать опасность столкновения с малыми планетами. Астрономы знают пока около 1600 таких небесных тел и пути их следования. Эти астероиды вращаются вокруг Солнца преимущественно между орбитами Марса и Юпитера.

Масса известных малых планет приблизительно равна массе всей метеорной материи солнечной системы (около одной тысячной массы Земли). Совершенно ясно, что столкновение даже с наименьшим из этих тел, с поперечником почти в один километр, означало бы катастрофу для космического корабля.

Обычная обшивка космического корабля будет служить защитой от метеорной пыли, а двойная или многослойная — от мелких метеорных тел, которые могут встретиться на его пути.

Что касается более крупных метеоритов, то возможно, что для борьбы с ними удастся пользоваться радиолокационными установками, автоматически отклоняющими путь космического летательного аппарата. Все же следует отметить, что космические корабли вследствие колоссальной скорости их движения лишены той «гибкости», которой обладают наземные транспортные средства. Если пешеходу нетрудно обойти препятствия, встречающиеся на его пути, то автомобилисту, мчащемуся на большой скорости, это дается труднее, а ракетному самолету еще труднее быстро повернуть в сторону. Естественно, что возможность быстрого отклонения космического корабля от своей орбиты будет очень трудной. В этой области научной мысли предстоит еще большая работа.

Не исключено, что проблему защиты от метеорной опасности удастся решить путем обстрела метеорных тел. Разумеется, радиолокация угрожающих спутнику метеоров, а также наводка противометеорных пулеметов и обстрел должны вестись автоматически. Метеорное тело, которое «нацеливалось» на спутник или космический корабль, ударившись о пулю, взорвется на некотором расстоянии от него, и только ничтожная доля «брызг» может попасть на летательный аппарат. Эти частицы, по-видимому, не будут опаснее метеорной пыли, против которой достаточной защитой может служить обшивка корабля.

Искусственный спутник будет несколько легче защищать от метеорной опасности, чем межпланетный корабль. В самом деле, для спутника частичной защитой от метеоров могут служить также верхние слои атмосферы, если он будет двигаться достаточно низко над поверхностью Земли на такой высоте, где, с одной стороны, воздух уже настолько разрежен, что почти не препятствует движению спутника, а, с другой стороны, достаточно плотен для предохранения от самых «быстроходных» мелких метеоров. Такой высотой можно считать примерно 200 километров. Хотя на этой высоте плотность воздуха в десятки миллионов раз меньше, чем у поверхности Земли, большая часть мелких метеоров не проникает до этого уровня.

Возможно, что на время прохождения «звездных дождей», когда метеорные тела падают на Землю целыми потоками, искусственным спутникам придется погружаться в более плотные слои атмосферы (но не ниже 100 километров), которые и послужат им частичной защитой. Чтобы преодолеть сопротивление воздуха, необходимо будет на это время включить небольшой ракетный двигатель, а также принять меры для предохранения оболочки спутника от перегрева.

Вредные излучения. Как известно, атмосфера нашей планеты является надежной защитой всего живого на Земле от вредных излучений Солнца, поглощаемых кислородом, содержащимся в верхних слоях атмосферы, при его превращении в озон.

Озон расположен в стратосфере на переменной высоте от 16 до 50 километров. Следовательно, даже совсем низко летящий искусственный спутник не будет защищен от действия ультрафиолетовых лучей Солнца. Правда, в последнее время при помощи высотных ракет удалось установить, что ультрафиолетовое излучение Солнца значительно менее интенсивно, чем предполагалось на основании наблюдений, проводившихся с Земли. Поэтому возможно, что сама обшивка космического летательного аппарата окажется достаточной защитой от этих излучений. В противном случае пространство между стенками обшивки можно будет заполнить слоем кислорода, который, действуя аналогично атмосферному кислороду, превращаясь в озон, создаст барьер против ультрафиолетовых лучей Солнца.

Что касается иллюминаторов искусственных спутников или космических кораблей, то, как известно, даже обыкновенное стекло в большой степени поглощает ультрафиолетовые лучи.

Заметим, что небольшое количество этих лучей необходимо для нормального функционирования организма (гигиенисты считают, что следовало бы окна жилищ снабжать стеклом, пропускающим ультрафиолетовые лучи).

Солнечный спектр содержит также вредоносные рентгеновские лучи, но борьба с этими излучениями на космических летательных аппаратах не представит никаких затруднений, так как они легко поглощаются почти всеми строительными материалами.

Внеатмосферное пространство пронизывается также космическими лучами (большей частью задерживаемыми земной атмосферой), которые состоят главным образом из протонов и альфа-частиц (ядра водорода и гелия). Если принять во внимание, что эти частицы обладают скоростью, близкой к скорости света, и что квадратный метр поверхности искусственного спутника за каждые 10 минут будет обстреливаться миллионом (а быть может, и несколькими миллионами) таких снарядов, то станет понятно, насколько серьезна опасность, угрожающая астронавтам со стороны космических лучей. Но не только это так называемое первичное излучение опасно для человеческого организма. При столкновении космических лучей с обшивкой корабля (или скафандра) будет образовываться так называемое вторичное излучение, точно так же, как оно образуется при попадании космических лучей в земную атмосферу.

О влиянии космических лучей на организм человека мы знаем еще очень мало. Лабораторные опыты в этом направлении находятся лишь в зачаточном состоянии. С этой точки зрения большой интерес представляют проделанные в США опыты с мелкими животными, которые поднимались стратостатами на высоту 30 километров примерно на 30 часов. В результате поражения первичными космическими лучами черных мышей на их коже появлялись седые пятна значительно больших размеров, чем это предполагалось. В других опытах даже после 24-часовой экспозиции никаких заболеваний не замечалось. Подопытные животные после экспериментов еще длительное время должны находиться под тщательным наблюдением.

Для проверки действия космических лучей на человеческий организм швейцарским ученым Эйгстером был проделан такой опыт. Небольшой кусок консервированной человеческой кожи подвергался действию космических лучей, будучи поднят ракетой на высоту в несколько десятков километров. После спуска ракеты эту кожу удавалось привить человеку; она, следовательно, не потеряла жизнеспособности. В более широком масштабе аналогичные опыты были затем проделаны в США.

Но как будут действовать космические лучи на людей, находящихся на искусственных спутниках или космических кораблях длительное время? Этот вопрос остается еще пока открытым.

Для защиты человека от первичных и вторичных космических лучей можно было бы покрыть искусственные спутники свинцовой броней. На высотах, превышающих 100 километров, 35 процентов космических лучей задерживается слоем свинца в 2—4 сантиметра. Но переброска на искусственный спутник даже значительно более тонкой брони связана с неимоверными трудностями.

На атомной ракете астронавтам будет еще угрожать опасность со стороны радиоактивных излучений ядерного горючего. Некоторые части орбитальной ракеты, возможно, приобретут искусственную радиоактивность и будут оказывать вредное действие на живой организм в течение долгого времени после прекращения работы двигателя. Поэтому необходимо разработать специальные (особо легкие) защитные преграды против этих вредных излучений.

Минуты полета с включенным двигателем будут самыми напряженными для экипажа космической ракеты: достижение необходимой скорости на определенной высоте и точное направление движения в этот момент в большой степени решают успех запуска искусственного спутника в целом. Шофер, штурман или пилот всегда могут исправить всякое отклонение автомобиля, судна, самолета от намеченного пути. В отличие же от управления наземными видами транспорта управление космической ракетой во время взлета будет очень затруднительным не только вследствие увеличенной тяжести, которую будет испытывать пилот, но и потому, что он должен будет действовать мгновенно.

Совершенно естественно поэтому, что астронавты должны будут получить соответствующую физическую подготовку. Ведь они должны будут обладать повышенной выносливостью организма на перегрузку и отсутствие тяжести, на низкое барометрическое давление микроатмосферы в космическом корабле, на большие колебания температуры. Пилотирование космического корабля и другие операции потребуют не только глубоких знаний, но и большой ловкости, серьезной предварительной тренировки. В осуществлении космического полета и биологический фактор — человек, его здоровье и выносливость — сыграет не последнюю роль.

Готовясь к полету на космической ракете, экипаж может тренироваться на центрифуге, которая может вращаться таким образом, чтобы центробежная сила возрастала так же, как будет в реальных условиях расти сила тяги ракетного двигателя космического корабля. Однако тренироваться в перенесении длительной невесомости в земных условиях совершенно невозможно.

Продолжительная тренировка астронавтов, а также всесторонняя проверка разных устройств космического летательного аппарата в лабораторных условиях, сходных с летными условиями, является обязательным этапом на пути к осуществлению обитаемых орбитальных и межпланетных ракет и искусственных спутников. Такая подготовка может проводиться в так называемом дублере — модели летательного аппарата. Так, например, согласно мнению Амико (США), дублер космического летательного аппарата должен быть оснащен научно-измерительными, контрольными и другими приборами и агрегатами, а также аварийным оборудованием. Все приборы должны быть введены в действие и создать точную картину физических условий «полета». Кабина дублера должна с предельной точностью воспроизводить кабину запроектированной космической ракеты (или искусственного спутника). В ней следует создать эквивалентное давление воздуха, соответствующие температуру, ускорение, освещение, разные излучения и т. д. Автоматы должны регулировать условные скорости движения, наклон аппарата по отношению к небосводу, давление в баках и трубопроводах, расход топлива и т. д.

Во время условного полета с предельной скоростью будут также решаться навигационные вопросы, связанные со следованием по условной траектории. Опытная установка должна также включать систему радиотелеуправления.

При воспроизведении активного участка траектории, на котором работает двигатель, необходимо будет учесть уменьшение с высотой силы тяжести и плотности воздуха, изменение аэродинамического сопротивления, изменение массы ракеты, в частности, при последовательном сбрасывании вспомогательных ступеней.

Любое давление воздуха может быть получено в барокамере, действие реактивной силы может быть заменено центробежной силой и т. д., но создать, например, состояние невесомости в лабораторных условиях невозможно. Дублер, несомненно, будет страдать и другими недостатками, так как трудно создать эквивалент различных опасностей, угрожающих космонавтам в полете, таких, как космические излучения, попадание метеорных тел и т. п., а эти недостатки могут свести на нет весь опыт.

При исполнении своих обязанностей во время «взлета» космонавты должны быть одеты в защитные «антигравитационные» костюмы (см. стр. 39) для проверки возможности работать в таких условиях. Экипаж должен не только освоить нормальную систему обслуживания аппаратуры космической ракеты, но и быть способен с предельной быстротой воспользоваться спасательными устройствами *).

*) Тренировка по использованию спасательных средств весьма важна; в авиации, например, подготовка летчиков включает программу преодоления всевозможных несчастных случаев, которые в действительности могут произойти лишь один раз в течение 20 лет службы.

Следует испытать эффективность спасательных средств в случае пробоины, образовавшейся от удара метеорного тела, в случае сильного нагрева обшивки, а также глубокого охлаждения, в случае отказа кислородной установки, системы управления или связи, электрической сети и т. д.

Исправность автоматов в полете будет постоянно контролироваться экипажем, и поэтому астронавты должны научиться следить за показаниями приборов и соответствующим образом реагировать на них.

В свою очередь действия космонавтов в дублере должны контролироваться и записываться извне. Это даст возможность проанализировать допущенные ими ошибки.

Под руководством инструкторов-контролеров экипаж должен сначала освоить отдельные операции (навигационные, спасательные и т. д.), и лишь после тщательной подготовки будет производиться генеральное испытание комплексного «космического аппарата», например орбитальной ракеты или искусственного спутника. Действия экипажа, находящегося в кабине дублера, будут на этот раз контролироваться уже не отдельными инструкторами, а штабом специалистов по разным областям знаний.

Такая программа действий необходима не только для достижения конечной цели — рационального проектирования космических аппаратов и подготовки квалифицированных кадров для его обслуживания, но и для повседневного прогресса в данной области. Заметим, что подготовка, например, летчиков-испытателей реактивных самолетов проводится обычно в течение нескольких лет.