В течение короткого периода работы ракетного двигателя космический корабль и его путешественники будут испытывать значительную перегрузку. Истечение газовой струи из сопла будет сопровождаться сильным шумом, что потребует специальных мер для защиты слуховых органов. Но, как уже отмечалось, этот период будет длиться всего несколько минут.

Мы попытаемся описать условия жизни внутри корабля с того момента, когда работа двигателя прекратится, и космический корабль станет миниатюрным небесным телом.

Несмотря на то, что для жизни человеческого организма необходимы вполне определённые условия, его функционирование внутри космического корабля не является неразрешимой задачей. Уже в наше время человеку приходится иногда проводить некоторое время в герметически закрытой камере, например, в подводной лодке при её плавании в погружённом состоянии. Батисфера ¹), гондола стратостата, кабина стратоплана представляют собой другие примеры полного изолирования человека от обычной среды.

¹) Аппарат, позволяющий человеку опускаться в воду без водолазного костюма (в настоящее время на глубину до двух километров).

В кабине межпланетного корабля, помимо пассажиров, будут помещаться все нужные им вещи и научные приборы. Необходимое давление воздуха будет поддерживаться при помощи автомата.

Если материал кабины будет проницаем для ультрафиолетовых и других лучей (что, впрочем, мало вероятно), то придётся прибегнуть к прослойке, например, озона, обладающего способностью поглощать эти лучи при толщине слоя всего в два миллиметра при нормальном атмосферном давлении.

Для освещения можно будет пользоваться естественными солнечными лучами, за исключением тех очень редких случаев, когда корабль будет проходить через область, затенённую какой-либо планетой или её спутником. Если в корабле нельзя будет сделать окон, непосредственно выходящих наружу, то для ввода световых лучей внутрь кабины можно будет пользоваться узким каналом с системой линз и зеркал. Для производства наблюдений в этом случае придётся пользоваться перископом.

Солнечная энергия может быть использована в качестве источника тепла и света или непосредственно, или же путём промежуточного превращения в механическую или электрическую энергию с помощью обычных способов: например, концентрированные солнечные лучи будут нагревать котёл паровой машины или турбины, а последняя уже будет приводить в движение электрогенератор.

Электрические лампочки и вообще все приборы, действие которых имеет основой электрическое сопротивление, должны быть предохранены от очень низких температур; в противном случае сопротивление их упадёт до ничтожной величины, и работа их нарушится (например, лампочка не зажжётся).

Приготовление пищи с помощью непосредственного нагревания солнечными лучами не всегда может быть рекомендовано: специальными опытами было обнаружено, что овощи при нагревании таким способом не портятся и не теряют своих вкусовых свойств, но зато мясные продукты подвергаются гнилостному разложению.

Выход путешественников из корабля наружу, а также удаление всякого рода отбросов могут совершаться без потери воздуха через тамбур, из которого будет выкачиваться воздух после введения в него удаляемых веществ.

Скафандры для выхода наружу будут устроены по тому же принципу, как и одежда водолазов, причём малая разность давлений внутри и снаружи скафандра позволит осуществить очень лёгкую конструкцию. Однако в скафандре должен быть особый каркас для обеспечения движений путешественника, так как в случае изготовления скафандра просто из газонепроницаемой ткани последняя приняла бы такую форму, которая при заданной выкройке ткани имела бы наибольший объём; поэтому всякое движение, связанное с уменьшением этого объёма, было бы крайне затруднено, так как для уменьшения объема приходилось бы затрачивать энергию. Следовательно, одежда должна быть устроена так, чтобы она при любых движениях сохраняла постоянный объём. Кроме того, человек в скафандре должен иметь возможность регулировать температуру независимо от своего положения относительно солнечных лучей. Наконец, одежда не должна пропускать лучей, вредных для организма.

Воздух для дыхания может храниться в сжатом или жидком виде в специальном резервуаре при скафандре или подаваться из кабины корабля через соединительный шланг.

Если при полёте космического корабля в нём не будет создано искусственное поле тяготения, то физические явления на корабле будут существенно отличаться от привычных явлений, имеющих место на Земле.

Ввиду отсутствия тяжести представление о «верхе» и «низе» исчезнет. Силы притяжения между предметами внутри корабля ввиду малости взаимодействующих масс не будут заметны. Люди смогут огдыхать в любом положении. Ходьба станет невозможной, так как давление стопы на опору будет отсутствовать, а, следовательно, не будет и трения, необходимой для передвижения.

Передвигаться внутри космического корабля можно будет или подтягиваясь к стенкам и неподвижно укреплённым предметам, или отталкиваясь от них.

При выходе из корабля, пассажир, очевидно, должен будет сохранять с ним связь с помощью верёвки. Он может взять с собой привязанный к бечёвке тяжёлый предмет, отбрасывая который в одном направлении, он сам будет перемещаться в противоположном направлении (на основании закона о сохранении положения центра масс, см. стр. 52). Того же эффекта можно будет достичь с помощью маленькой ракетки или пистолета, но эти способы связаны с безвозвратной потерей массы.

Обычной мебелью и инструментами нельзя будет пользоваться. Для удержания любого предмета на определённом месте его придётся укреплять. При приготовлении пищи кастрюли нужно будет закрывать крышками и приводить их во вращательное движение, чтобы их содержимое прилегало к стенкам. Очень удобно будет пользоваться электрическими и электролагнитными инструментами.

При выливании из сосуда жидкость обратится в шар вследствие действия поверхностного натяжения. При соприкосновении с твёрдым телом силы сцепления могут превысить силы поверхностного натяжения, и тогда жидкость растечётся по поверхности тела. Вообще обращение с жидкостями будет довольно неудобно. Умываться можно будет только с помощью смоченной губки. Для опорожнения бутылки нужно будет буквально «стянуть» её с заключённой в ней жидкости либо использовать центробежный эффект, двигая бутылку по большой дуге, либо, наконец, воспользоваться насосом или резиновой грушей.

Одежда должна быть изготовлена таким образом, чтобы она удерживалась на теле независимо от силы тяготения.

Для измерения давления воздуха нужно будет пользоваться пружинным манометром, так как обычный ртутный барометр для этой цели непригоден. В самом деле, пружинный манометр основан на упругой деформации твёрдого тeлa, а это свойство не меняется от увеличения или исчезновения ускорения, которому подвергается прибор. Ртутный же барометр основан на уравновешивании давления воздуха весом соответствующего столба ртути. Но в то время как давление воздуха в кабине космического корабля практически не будет меняться ни во время работы двигателя, ни во время полёта с выключенным двигателем, вес столба ртути существенным образом будет зависеть от величины тяги ракетного двигателя (рис. 26). Так, например, если после включения двигателя сила тяжести на борту корабля увеличится в четыре раза, то прежнее давление воздуха в кабине ракеты будет уравновешиваться столбом ртути, в четыре раза меньшим нормального, что может ввести наблюдателя в заблуждение. При полёте же по инерции (с выключенным мотором) масса ртути, вообще, теряет свой вес, поэтому ртуть в узком колене манометра поднимется до самого верха и барометр перестанет обнаруживать изменения давления.

Из-за потери веса во время полёта по инерции маятниковые часы с гирей не смогут ходить. Но здесь недостаточно замены гири пружиной. При взлёте корабля, когда реактивный двигатель развивает большое ускорение, колебания маятника будут происходить чаще и часы начнут спешить (рис. 27); после же выключения мотора маятник вообще перестанет колебаться и часы остановятся. Поэтому следует его заменить якорем, пружина которого работает одинаковым образом в любых условиях движения корабля.

Как во время космического полёта измерять массу? Подвесим килограммовую гирю к пружинным весам. До момента взлёта ракеты указатель весов будет стоять на единице. Но в момент включения двигателя указатель резко переместится и будет показывать столько килограммов, во сколько раз ускорение ракеты больше ускорения силы тяжести на поверхности Земли, ибo, как известно, вес тела равен его массе, умноженной на ускорение. Когда же ускорение прекратится, указатель перескочит на «нуль». Следовательно, обычные пружинные весы не позволят измерять массу во время космического полёта. Придётся пользоваться центробежными весами, в которых сила, сжимающая пружину, будет возникать вследствие вращения.

Рис. 26. Для измерения давления воздуха на космическом корабле нужно будет пользоваться пружинным манометром, так как барометр для этой цели будет не пригоден.	Рис. 27. Маятниковые часы с гирей не будут пригодны на космическом корабле; они должны быть заменены пружинными часами с якорем.

Для поддержания пламени в горелке нужно будет подводить к ней непрерывную струю кислорода; без этого продукты сгорания не будут отводиться от пламени, и оно будет заглушено.

Таким образом, мы видим, что управление многими явлениями и функциями в космическом корабле будет несколько затруднено. С другой стороны, некоторые функции при отсутствии тяжести существенно облегчатся.

Однако, как мы видели выше, вполне возможно, без больших затруднений, создание искусственной тяжести, вследствие чего некоторые из перечисленных трудностей пребывания на космическом корабле отпадут.

Приспособление к новым, необычным условиям для человека, возможно, не представит больших трудностей. Что же касается животных, то едва ли можно надеяться на то, что они смогут привыкнуть к отсутствию тяжести в космическом корабле.

Для поддержания температуры внутри космического корабля можно будет применить искусственное отопление. При этом необходимо будет принять меры против потерь тепла через стенки кабины, например, путём обшивки их теплонепроницаемым материалом. Однако такой способ, связанный с расходом топлива, будет необходим только для полётов вблизи границ солнечной системы, где солнце почти «не греет». Нормальным же способом отопления, дающим наибольшую экономию топлива, будет использование солнечных лучей.

В самом деле, всякое тело, подвергающееся действию солнечных лучей, нагревается или охлаждается до тех пор, пока количество поглощаемой им теплоты не сделается равным количеству излучаемой теплоты, после чего температура тела устанавливается на определённом постоянном уровне — на так называемой равновесной температуре.

Равновесная температура тела зависит от рода составляющей его материи, от расстояния до Солнца, от формы тела и от расположения освещаемой поверхности тела относительно солнечных лучей. Например, температура абсолютно чёрного шара при его перемещении в межпланетном пространстве от орбиты Меркурия до орбиты Плутона изменяется от +171° до —229° Ц (рис. 28). Температура абсолютно чёрного цилиндра с высотой, равной пяти диаметрам, находящегося на орбите Венеры, будет колебаться от —61° до + 64° Ц, в зависимости от расположения цилиндра относительно солнечных лучей.

Рис 28. Температура абсолютно чёрного тела, имеющего форму шара и цилиндра, на орбитах Меркурия, Венеры, Земли и Марса.

Абсолютно чёрное тело поглощает солнечные лучи целиком. Тела другой окраски часть солнечных лучей в той или иной мере отражают. Это обстоятельство позволит легко и в широких пределах регулировать температуру внутри космического корабля. Достаточно будет одну часть наружных стенок корабля покрыть оболочкой из материала, сильно поглощающего солнечные лучи, а другую часть — оболочкой, хорошо отражающей лучи, и ориентировать эти оболочки соответствующим образом относительно Солнца.

Имеющееся на корабле топливо, полученное путём сжижения газов, должно, конечно, сохраняться при вполне определённой низкой температуре; между тем, человеческий организм требует сравнительно высокой температуры. Эти противоречивые требования приводят к значительному усложнению конструкции космического корабля. Для решения этой задачи можно будет, например, отделить баки с жидким топливом от пассажирской кабины и искусственно поддерживать в них низкую температуру. Если поддержание низкой температуры на стороне, обращённой к Солнцу, нельзя будет обеспечить при помощи теплоизоляции, то содержимое баков придётся перемешивать механическим путём.

На поверхности Земли наличие атмосферы вносит заметную поправку в величину равновесной температуры, обусловленной солнечным излучением. Это происходит вследствие конвекции, отнимающей тепло от нагреваемого тела. Поэтому данные о нагревании тела, получаемые из повседневного опыта, нельзя распространять на случай, когда тела находятся в пустоте мирового пространства; некоторые тела, нагревающиеся в воздухе сильнее, чем другие, в пустоте будут иметь более низкую температуру.

При перемещениях человека в пространстве, когда ему на то или иное время приходится терять связь с источниками снабжения, всегда возникает вопрос о минимальном весе жизненных припасов, необходимых для нормального существования. Корабли, поезда дальнего следования, пассажирские самолёты, научные экспедиции необходимо снабжать пищей, часто и водой на несколько дней или недель, а иногда на несколько лет. О кислороде для дыхания в этих случаях не приходится заботиться: его можно в неограниченном количестве черпать из атмосферы.

В кабине космического корабля дело осложняется вопросом о снабжении не только водой и пищей, но и кислородом. Если взять с собой нужное количество воды, то это слишком отяготит космический корабль. Поэтому запасы воды необходимо будет постоянно возобновлять, извлекая её из воздуха, заключённого в кабине, и из выделений организма.

Если принять во внимание, что полёт к ближайшим планетам и обратно будет длиться не менее года, то станет понятным огромное значение рационального снабжения путешественников кислородом и продуктами питания. Слишком малый запас этих необходимых организму веществ может привести к истощению или даже гибели путешественников, излишний же запас недопустим, так как даже минимальное увеличение полезного груза космического корабля связано с большими трудностями.

Согласно расчётам некоторых исследователей вес продуктов и кислорода, необходимых для снабжения одного космического пассажира в течение суток, должен составлять от 4 до 10 килограммов. Однако это неверно: более правильный расчёт показывает, что ежесуточную норму продуктов и кислорода можно уменьшить примерно до 1,3 килограмма. Кроме того, исследователи, производившие первоначальные расчёты, не заметили того очень важного факта, что человеческий организм постоянно производит воду.

Человек может нормально существовать только в соответствующей атмосфере. Атмосфера не только даёт кислород, без которого невозможно дыхание, но и оказывает на тело определённое давление, необходимое для сохранения в равновесии содержащихся в теле газообразных веществ, а также препятствует быстрому испарению влаги, содержащейся в клетках.

Потребление кислорода зависит прежде всего от выполняемой человеком работы и от его веса, но для различных организмов оно колеблется в очень широких пределах. В среднем оно составляет девять миллиграммов в минуту на один килограмм веса человека. Находясь в состоянии покоя, человек потребляет в минуту около 179 миллиграммов кислорода и выделяет около 180 миллиграммов углекислого газа. При неполном покое потребление кислорода увеличивается примерно на 25%, а при интенсивной работе возрастает в 10 раз.

Но следует ли из сказанного, что, например, годичные запасы кислорода для человека, находящегося в состоянии полного покоя, исчерпались бы уже в 0,1 года при чрезвычайно интенсивной работе. Конечно, нет, ибо во время сна и отдыха, потребность в которых тем больше, чем интенсивнее труд, человек поглощает небольшое количество кислорода. Ввиду этого отношение минимального суточного запаса кислорода к максимальному будет равно примерно 1: 2,2.

Вообще, точное определение потребного запаса кислорода довольно затруднительно. Впрочем, опасности истощения запасов кислорода для дыхания смягчаются тем обстоятельством, что в крайнем случае может быть использован жидкий кислород, предназначенный для двигателя.

Вопрос о поддержании нужного давления в кабине космического корабля также имеет большое значение.

В земной атмосфере недостаток кислорода обычно даёт 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 пропорция кислорода в нём должна увеличиваться, так как иначе может наступить удушье. Так, например, в одном из опытов испытуемый выдержал (с лёгкими признаками недомогания) давление вдыхаемой смеси в 100 миллиметров ртутного столба, но с содержанием кислорода около 75%. Основываясь на опытах над кроликами, физиологи пришли к выводу, что человеческий организм способен выдержать понижение внешнего давления до 65 миллиметров ртутного столба, но при необходимом условии, что дыхательная смесь обогащается кислородом до 90%. Эти выводы имеют скорее теоретический интерес, так как в указанных условиях организм исчерпывается до крайности. Для нормального функционирования различных органов необходимо гораздо более высокое давление. Заметим, что при низком давлении очень понижается работа органа слуха. С другой стороны, чем меньше давление воздуха в кабине космического корабля, тем меньше опасность утечки воздуха в мировое пространство, тем проще конструкция кабины и скафандров.

Но если с точки зрения облегчения конструкции кабины желательно минимальное давление, то для достижения наименьшей испаряемости с поверхности тела требуется как раз повышение давления. Решение вопроса о наиболее целесообразном выборе давления должно быть найдено опытным путём.

Воздух, находящийся в кабине, может непрерывно очищаться путём охлаждения в специальном конденсаторе до температуры сжижения углекислого газа, т. е. до —78° Ц. При этом сначала будет осаждаться вода, а затем и жидкая углекислота. К очищенному воздуху должен прибавляться в необходимом количестве кислород, а если нужно, то и водяные пары, после чего смесь должна быть подогрета до нормальной температуры.

Необходимый запас кислорода должен быть взят с собой в жидком виде. В этом случае вес и объём резервуаров будут самые малые. Конструкция баков для сжиженного кислорода может быть выполнена по принципу сосудов Дьюара, обеспечивающих довольно длительное сохранение продуктов сжижения газов. Кислород для дыхания может храниться или в отдельных резервуарах, или совместно с кислородом, предназначенным для питания двигателя.

Если удастся получить жидкий озон в устойчивом виде, то тогда будет целесообразно располагать в пути определённым запасом его. Этот газ, обладающий сильным окислительным и обеззараживающим действием, хорошо освежает воздух, что особенно важно для герметически закрытой кабины.

Количество необходимого для космического пассажира кислорода тесно связано с количеством пищи и её составом.

Пища человека состоит из трёх основных компонентов: углеводов, белков и жиров.

Современные лаборатории по рациональному питанию занимаются главным образом вопросами, касающимися пищи, а не кислорода, запасы которого в земной атмосфере неисчерпаемы. Для внеземных же путешествий, которые будут происходить в безвоздушном пространстве, вопрос минимальной нормы кислорода не уступает по своей важности аналогичному вопросу о пище. В космическом корабле достаточность жизненных припасов будет определяться количеством тепла, получаемого телом не от единицы массы пищи, а от единицы массы смеси пища-кислород.

Исходя из лабораторных данных, можно считать, что в среднем для сгорания одного грамма углеводов требуется 1,185 грамма кислорода, причём выделяется 4,18 большой калории тепла; для сгорания одного грамма жира требуется 2,89 грамма кислорода, причём выделяется 9,45 большой калории. Наконец, для сгорания одного грамма белка необходимо около одного грамма кислорода, причём выделяется около 4,1 большой калории. Таким образом, легко вычислить, что один грамм смеси углеводов с кислородом даёт 1,91 большой калории, один грамм смеси жира с кислородом — 2,43 большой калории и один грамм смеси белка с кислородом — около 2 больших калорий. Отсюда следует, что белок, который при обычных расчётах, не учитывающих количества поглощённого кислорода, считается менее калорийным, чем углеводы, выделяет в сочетании с кислородом на единицу веса смеси несколько больше тепла, чем углеводы. С другой стороны, жир, который без учёта поглощаемого кислорода даёт в 2,36 раза больше тепловой энергии, чем белок, выделяет в сочетании с кислородом только в 1,22 раза больше калорий, чем белок с кислородом. Тем не менее жиры всё же остаются наиболее калорийной пищей, и поэтому для возможного уменьшения необходимого запаса продуктов питания и кислорода жиры должны составлять возможно большую долю в пищевом рационе.

Исследования обмена веществ показали, что углеводы могут быть исключены из пищи без особого вреда для организма. Что касается белка, то определённое его количество необходимо для поддержания жизни клеток. Принято считать, что взрослому человеку весом в 70 килограммов, работающему 8—10 часов в сутки, необходимо получать в день 118 граммов белков.

Каков же будет расход других продуктов питания и кислорода? Если предположить, что масса пассажира космического корабля будет оставаться неизменной, то суточный рацион, необходимый для поддержания организма в состоянии равновесия, будет зависеть только от выделяемой телом теплоты. Эта же теплота зависит, в свою очередь, от выполняемой человеком работы.

В результате большого числа опытов установлено, что человек, находящийся в состоянии полного покоя, тепло одетый, выделяет при температуре наружного воздуха в 15° Ц около 1680 больших калорий в сутки; при выполнении очень лёгких работ — 2350 больших калорий в сутки; при очень же интенсивной работе (около 100 000 килограммометров) - 3655 больших калорий в сутки.

При определении расхода продуктов питания и кислорода для дыхания мы будем исходить из двух последних случаев, предполагая, что масса пассажира космического корабля остаётся неизменной.

Если принять за норму указанный выше рацион белков и взять остальное количество пищи в виде жиров, то получим, что при выполнении очень лёгкой работы потребуется ежесуточно на одного человека 0,32 килограмма продуктов питания и 0,7 килограмма кислорода, а при выполнении очень интенсивной работы — 0,45 килограмма продуктов и 1,1 килограмма кислорода. Мы предполагаем при этом, что космические пассажиры имеют возможность запастись совершенно сухими, обезвоженными продуктами питания. В действительности большинство продуктов, даже так называемые концентраты, содержат большой процент воды, поэтому придётся ещё много поработать над способами изготовления абсолютно сухих продуктов для космических путешествий.

Пища должна содержать необходимые организму минеральные соли и витамины.

Суточная норма воды по весу значительно больше (примерно 2,5 килограмма), чем норма сухих продуктов и кислорода, вместе взятых. Однако вода не усваивается организмом, а выделяется им обратно. При этом нужно иметь в виду то важное обстоятельство, что человеческий организм выделяет различными путями воды больше, чем он поглощает в виде питья, в твёрдых продуктах и в парах вдыхаемого воздуха. Это происходит вследствие соединения водорода, содержащегося в продуктах питания, с кислородом, содержащимся как в самих продуктах, так и во вдыхаемом воздухе. Количество образующейся таким образом воды составляет в среднем 0,4 килограмма в сутки.

Это обстоятельство позволит обойтись без каких-либо запасов воды, ибо с помощью простейшей аппаратуры можно извлечь 90% воды из воздуха и отбросов. Естественно, что после извлечения воды она должна быть насыщена воздухом и снабжена некоторым количеством минеральных солей.

Итак, вопросы снабжения путешественников кислородом и продуктами питания в герметически закрытой кабине не представляют затруднения уже в настоящее время. Количество же воды в совершенно изолированной системе будет даже постоянно увеличиваться за счёт потреблённых сухих продуктов питания. При этом часть воды, оставшаяся после удовлетворения потребностей питания и гигиены, может быть подвергнута с помощью солнечной энергии разложению и использована затем в качестве горючего и кислорода для дыхания. Вследствие того, что запасы материи в космическом корабле будут весьма ограничены, может оказаться целесообразным сохранять отбросы даже после извлечения из них воды и кислорода. В частности, они могут быть использованы в качестве составной части массы, выбрасываемой двигателем, тем более, что они частично (около 8%) способны гореть, выделяя, таким образом, некоторое количество энергии.

Наконец, возможно, что на космическом корабле удастся осуществить круговой процесс не только воды, но и кислорода.