"Техника-молодежи" 1952 г, №5, обл, с. 18-23
 ОЗМОЖНЫ ли межпланетные путешествия?» Этот вопрос является причиной горячих споров нашего дружного коллектива.
Одни, опираясь на многовековый опыт жизни наших предков, не вылетавших за пределы Земли и не принимавших гостей извне, отрицают возможность межпланетных сообщений; другие, наоборот, окрыленные фантастическими рассказами и все растущими возможностями техники, считают путешествия на соседние планеты делом недалекого будущего. Внесите ясность, успокойте страсти спорщиков. А. Кириллин и Н. Богданов |
 А ШТЕРНФЕЛЬД |
Настанет день, когда первый космический корабль, скользнув голубоватой звездой по небосклону, исчезнет, словно растворится в бездонной синеве. Это первые смельчаки — советские ученые и исследователи — улетят на разведку других миров солнечной системы. Перед штурманом будущего корабля ляжет план всей нашей солнечной системы с могучим светилом поcредине и с тонким кружевом пунктиров — орбит планет, их спутников, комет, роев астероидов. На черном фоне этого плана и проведет его дерзкая рука линию, которая соединит две точки — Землю и намеченную для посещения планету, перебросит мост между двумя мирами.
Как же пройдет эта линия?
Оказывается, что в космическом пространстве неприменимы многие наши привычные «земные» представления о скоростях, расстояниях, выборе наиболее экономичного пути. Оказывается, что полет на ближайшую планету, Венеру, должен занять больше времени, чем полет на более отдаленный Меркурий. Оказывается, в некоторых случаях корабль, летящий в космическом пространстве с меньшей скоростью, быстрее достигнет цели, чем корабль-экспресс. И если на Земле теперь уже нет никаких ограничений во времени для вылета самолета из Москвы в Ленинград, то время вылета с Земли космического корабля должно быть выдержано с точностью до долей секунды.
Для того чтобы мы могли разобраться во всех этих на первый взгляд парадоксальных утверждениях, мы прежде всего должны представить себе общую картину того необозримого космического пространства, по которому проложат свои дороги межпланетные путешественники.
Земля — одна из девяти сестер крупных планет нашей солнечной системы. Она не висит неподвижно в пространстве, но стремительно — со скоростью 29,8 км в секунду, в тридцать раз быстрее пули — мчится по своей почти круговой орбите вокруг дневного светила. Приблизительно в плоскости этой же орбиты совершают свой бег вокруг Солнца и остальные восемь крупных планет и бесчисленное количество малых — астероидов.
По сравнению с необозримым пространством, охватываемым траекторией самой отдаленной планеты — Плутона, находящегося от Солнца на расстоянии около 6 миллиардов километров, даже крупнейшие планеты — Юпитер и Сатурн — кажутся мельчайшими песчинками, витающими в воздухе колоссального зала — со стадион «Динамо» величиной. Между ними — космическая пустота, пронизываемая яркими световыми лучами центрального светила. В этом безбрежном океане, преодолевая или используя могучее солнечное притяжение, которое можно сравнить с сильным течением, сносящим морской корабль, минуя подводные скалы и рифы метеорных потоков и малых планет, и должны будут проложить свои пути космические ракеты будущего — от планеты к планете, от песчинки на южной трибуне стадиона «Динамо» до песчинки на северной его трибуне.
Первым шагом в покорении мирового пространства будет, очевидно, создание искусственного спутника Земли.
Представим себе, что на несуществующей очень высокой горе, где воздух уже совершенно не препятствует движению снаряда, установлена фантастическая пушка, стреляющая в строго горизонтальном направлении. Выстрелим из нее. Снаряд, описав крутую дугу, упадет на Землю. Удвоим заряд и выстрелим снова, — скорость снаряда увеличится, дуга-траектория, по которой летит снаряд, окажется более пологой. Очевидно, что можно придать снаряду и такую скорость, при которой кривизна его траектории будет равна кривизне земной поверхности. В этом случае снаряд не сможет упасть на Землю: он облетит ее кругом, и, если к этому времени пушку снять, он отправится в новый рейс вокруг Земли. Снаряд станет спутником нашей планеты.
Скорость полета, при которой наступает такое движение, называется круговой. Чем выше расположена пушка, тем эта скорость меньше. Если на уровне моря она равна 7912 метрам в секунду, то на высоте 250 километров она падает до 7761 метра в секунду.
Представим теперь, что снаряд, выпущенный фантастической пушкой или еще каким-либо способом с круговой скоростью, достаточно велик для того, чтобы в нем могли находиться жилища для людей, лаборатории, мастерские, склады, причалы для космических кораблей и многое другое. Это и будет искусственный спутник — пересадочная база для пассажиров, отправляющихся с Земли на другие планеты, в необозримые глубины вселенной.
Гипотетические формы искусственных спутников. Искусственный спутник может вращаться вокруг Земли только в плоскости большого круга.
Для чего нужна эта промежуточная база? Не проще ли рвануться сразу с поверхности Земли в космический рейс?
Нет, не проще, Точно так же, как корабль, совершающий кругосветное путешествие, не может запастись горючим, необходимым для совершения всего рейса, так и межпланетная ракета неспособна сразу унести все необходимое ей топливо.
Кроме того, условия первого этапа полета: Земля — искусственный спутник — и дальнейшего полета в межпланетном пространстве совершенно различны. Поэтому и ракеты для совершения этих полётов должны иметь различные конструкции.
Космический корабль для первой части пути будет обтекаемой формы, ибо он должен пронзить всю толщу атмосферы, которой, как пышной шубой, одета наша планета. Он должен обладать могучим мотором, способным сообщить ему скорость около 8 километров в секунду. Следовательно, он должен иметь на себе относительно большой запас горючего для питания моторов. Именно, такого типа корабль и изображен на обложке нашего журнала.
Космический корабль для второй части полета может иметь почти произвольную форму — в межпланетном пространстве не встретится сопротивление материальной среды. Он может иметь сравнительно слабый двигатель — ему не угрожает опасность падения на Землю. Количество горючего, которое он должен будет захватить, будет зависеть от поставленной задачи. В некоторых случаях оно может быть очень небольшим.
Конечно, с прогрессом техники мощные космические корабли смогут отправляться в рейс и прямо с поверхности Земли. Так, современные самолеты дальнего следования не приземляются на промежуточных аэродромах.
Достигнув абсолютной скорости 11,2 км/сек., космический корабль, независимо от угла взлета, будет двигаться по ветви параболы, центр которой располагается в центре Земли. |
Вот она на мгновение заслонила первую красную черту, которой отмечена на указателе круговая скорость. Выключить в этот миг моторы, и корабль, если скорость его направлена параллельно Земле, полетит вокруг нашей планеты по круговой орбите.
Вот стрелка перешла за эту черту, но Земля еще не отпустила корабль. Если выключить моторы, он будет вращаться вокруг нее по эллиптической орбите.
Еще растет скорость — вытягивается и вытягивается воображаемый эллипс. И вдруг — в бесконечности — его тонкая кривая рвется: стрелка указателя скорости перешагнула через вторую красную черту. Корабль летит по одной из ветвей параболы — линии, которая никогда не замыкается сама на себя. Порваны прочные цепи земного притяжения.
Смолк грохот взрывов. Наступила абсолютная тишина и непонятная легкость во всем теле. Пилот выключил моторы...
Чему же равна эта «скорость ускользания», «параболическая скорость», достигнув которой корабль разорвет цепи земного тяготения?
На полюсе, если допустить, что скорость будет сообщена кораблю мгновенно., она равна 11,2 километра в секунду. На экваторе можно использовать окружную скорость вращения Земли, и тогда при взлете ракеты в восточном направлении достаточно скорости 10,7 километра в секунду. При взлете в западном направлении потребуется скорость в 11,7 километра в секунду.
Но, победив силу притяжения Земли, космический корабль попадет в еще более сильное поле притяжения — могучее притяжение Солнца. Оно сначала изогнет расходящиеся ветви параболы и, наконец, замкнет их кольцом вокруг себя. Корабль начнет вращаться вокруг Солнца по орбите, сходной с орбитой Земли.
Предположим, что корабль, освободившись от поля притяжения нашей планеты, движется вокруг Солнца по окружности со скоростью Земли — 29,8 километра а секунду. Чтобы теперь он мог преодолеть поле тяготения Солнца и уйти в межзвездное пространство, ему необходимо приобрести абсолютную скорость (скорость относительно Солнца) в 42,1 километра в секунду, то-есть дополнительно развить скорость 42,1 — 29,8 = 12,3 километра в секунду, В этом случае он будет двигаться по параболе, в центре которой находится Солнце. Таким образом, для того чтобы преодолеть земное притяжение, космический корабль должен развить скорость в 11,2 километра в секунду, а для того чтобы преодолеть притяжение Солнца, — еще 12,3 километра в секунду. Таким образом, ракетные двигатели должны сообщить космическому кораблю суммарную скорость в 23,5 километра в секунду. Нет ли возможности уменьшения этой скорости?
Для получения параболической относительно Солнца скорости нужны весьма различные, в зависимости от направления полета, скорости взлета с Земли. Соответственно, ракеты должны быть различных мощностей.  |
Есть. Можно сразу с Земли сделать «прыжок», который освободит корабль от обоих полей тяготения. Математические расчеты показывают, что скорость такого «прыжка» равна геометрической сумме обеих «скоростей ускользания», то-есть всего 16,7 километра в секунду. Поясним примером. Чтобы подняться на две ступеньки по 10 сантиметров, надо сделать два «прыжка» с начальной скоростью 1,42 метра в секунду. Но можно, подняв начальную скорость до 2 метров в секунду, вспрыгнуть сразу же на две ступеньки.
Но направление «прыжка» со скоростью 16,7 километра в секунду должно быть строго определенным по отношению к направлению действия поля тяготения Солнца: оно должно быть касательным к орбите Земли и направлено по ее движению. А так как наша Земля вращается вокруг своей оси, то, следовательно, время «прыжка» должно быть строго определенным для каждой точки земного шара.
Это напоминает стрельбу из пушек с раскачиваемого морскими волнами судна. Орудия заряжены. Наводчик застыл у прицельной трубки. Вот на мгновение мелькнула в ней цель. Наводчик яростно дергает спусковой шнурок: опоздай на миг — снаряд зароется в волны у самого борта или полетит высоко в небо.
Но не всегда необходимо иметь скорость, при которой корабль может вылететь за пределы солнечной системы. Для посещения планет скорость должна быть больше «скорости ускользания» относительно Земли — 11,2 километра в секунду, но может быть все же меньше 16,7 километра в секунду.
В диапазоне упомянутых скоростей корабль будет лететь в межпланетном пространстве по эллиптическим орбитам. Математический анализ показывает, что космическому кораблю требуется самая малая скорость разгона и минимальная посадочная скорость, если он летит по полуэллиптичеcкой траектории, касательной к орбитам планет.
Космический корабль должен вылететь с Земли не только в строго определенное время суток, но и в строго определенный день, соответствующий необходимому взаимному положению планет. Иначе может случиться, что корабль не застанет в точке встречи планеты назначения. А такие взаимно удобные положения планет бывают не слишком часто. Возможны целые месяцы и годы, когда ни один корабль не сможет покинуть Земли, взаимное положение планет не будет благоприятствовать перелетам.
 Кажущиеся парадоксы космонавтики а) полет на соседнюю Венеру занимав больше времени, чем на более отдаленный Меркурий; б) перелет возможен только при строго определенном взаимном положении планет, которое повторяется два-три раза в год. Следовательно, отлет возможен только в точно определенные дни. |
...Пилот космического корабля взявшего курс на Меркурий, выключил ракетные моторы, и корабль, как брошенный из пращи камень, полетел по инерции. Тяжесть исчезла, пассажиры устремились к иллюминаторам. Совсем недалеко, в абсолютно черном пространстве висит зеленовато-голубой, медленно поворачивающийся шар — наша планета. Отчетливо видны очертания материков. Расстояние между планетой и космическим кораблем с каждой секундой увеличивается на 7,5 километра. Земля стремительно улетает от покинувшего ее корабля: ведь скорость взлета была направлена в сторону, обратную ее движению вокруг Солнца. Поэтому корабль, скорость которого относительно Солнца стала значительно меньше, летит в пространстве вокруг этого светила по меньшему эллипсу, чем Земля.
Проходят месяцы. Пассажиры корабля занимаются научными наблюдениями, опытами, текущими работами. Давно превратилась в яркую голубую звезду далекая Земля. Стало заметно ощутимее горячее лучистое дыхание Солнца. И за окнами, стремительно вырастая, возник новый, неведомый мир — сверкающий синевато-стальным отливом Меркурий.
Корабль догоняет эту планету, каждую секунду сокращая расстояние до нее на 9,5 километра. Надо уравнять скорости, иначе космический корабль, подобно гигантскому метеору, летящему в 10 раз быстрее орудийного снаряда, врежется в поверхность Меркурия. При этом столкновении сталь корпуса, бронза приборов, грузы и запасы — все взорвется, как динамит. Кинетическая энергия перейдет в тепловую. и взрыв испарит металлы, так что не останется и следа от корабля — ничего, кроме гигантской воронки, разворочавшей металлическую почву негостеприимной планеты. Даже атмосфера не смягчит силы удара — Меркурий не имеет газовой оболочки...
Но пилот корабля применил свое искусство, чтобы избежать удара о планету. Он мог бы, конечно, еще далеко от Меркурия начать тормозить корабль обратной работой ракетных моторов, уменьшая ту составляющую скорости встречи, которая вызывается солнечным притяжением (9,5 км в секунду). Это дает возможность приблизиться к планете очень медленно. А затем, когда началось бы падение корабля на Меркурий, пилот мог бы погасить и эту скорость, равную 4,3 километра в секунду.
Таким образом, всего он затратил бы столько горючего, сколько необходимо, чтобы затормозить скорость, равную 13,8 километра в секунду.
 Наиболее экономичные траектории полетов на планеты, необходимая скорость взлета и время, требующееся для достижения соответствующих планет. Кажущиеся парадоксы. Чем медленнее движется корабль в пространстве, тем короче его эллипс и тем скорее он достигнет Меркурия. Но чтобы абсолютная скорость корабля была минимальной, он должен иметь большую скорость вылета  |
Но пилот начал торможение обеих этих скоростей непосредственно на подходе к планете. В этом случае ему пришлось преодолеть скорость всего в 10,4 километра в секунду.
...Несколько поворотов рукоятки, и корабль повернулся дюзами к сине-стальному диску Меркурия. Снова с грохотом заработали ракетные моторы. На пассажиров, привыкших к состоянию почти полной невесомости, снова навалилась свинцовая тяжесть. А стремительно приближающийся диск планеты занял уже полгоризонта и вдруг из шара превратился в чашу, в центре которой находится корабль. Еще несколько мгновений — замедленный плавный спуск, и земной корабль приземлился на почву ближайшей к Солнцу планеты.
Стремительно бегут дни, занятые важными наблюдениями, опытами, сборами коллекций и другими научными работами. Пришло время подумать и об отлете на Землю. Но совершенно очевидно, что корабль должен был выждать соответствующего взаимного расположения планет, а оно повторяется только через 115,9 земных суток.
Но вот настал и этот день. Пилот при взлете сразу развил скорость, равную той, которую он затормозил при посадке — 10,4 километра в секунду, и корабль полетел по полуэллипсу, касательному к орбитам Меркурия и Земли.
В земную атмосферу корабль влетел со скоростью в 13,5 километра в секунду, Планирующий полет сначала в высоких разреженных слоях атмосферы, а затем в более плотных затормозил, погасил эту
скорость.
|
Космические путешественники, первые люди, посетившие ближайшую к Солнцу планету, благополучно приземлились на одном из космодромов в центральной части нашей страны.
...Еще не наступил день отлета Земли первого межпланетного корабля. Еще лежит в недрах уральских гор руда, которая превратится в его стальную оболочку, а будущие пилоты-космонавты постигают за школьными партами премудрости элементарной математики и физики.
А дерзкая мысль советских ученых уже продумывает мельчайшие детали будущих полетов, рассматривает все новые и новые варианты устройства космического корабля, прокладывает уверенной рукой на плане вселенной межпланетные маршруты.