"Знание — сила" №10 1959 год

Рисунки Г. РАТНЕРА

Пять лет тому назад, в 1954 году вышел необычный номер журнала «Знание — сила». На его обложке стояло: «1974-й год»... Сообщением о полете на Луну, первой советской пассажирской космической ракеты открывался этот номер... Мне довелось участвовать в работе над «лунной» фантастикой пять лет тому назад. «Первый час на Луне» — так называлась моя главка.

Кто бы мог предвидеть, что только пять лет потребуется для того, чтобы человечество вступило в новую эру — эру покорения Космоса?

Каждые несколько месяцев приносят нам новые вести: спутник за спутником, ракета за ракетой. Как бы порадовался Циолковский, если бы дожил до этого дня! Ведь о достижении первой космической скорости он писал, как о величайшем событии, как о громадном шаге человечества вперед. А мы уже взяли и второй космический барьер! Луна оказалась гораздо ближе, чем мы думали: конечно, это не нужно понимать буквально, но раньше, чем кто бы то ни было другой мы смогли «дотянуться до нее рукой», преодолев почти четыреста тысяч километров. Лунник-2 оставил свой вещественный след в слое девственной лунной пыли. Лунник-3 облетел Луну с прежде недоступной стороны. Трудно придумать другое свидетельство торжества человеческого разума в покорении Космоса, чем эти первые броски к Луне!

На огромных расстояниях от нашей планеты по широкой программе удалось провести разнообразные научные наблюдения. Достигнута вторая космическая скорость. Совершен облет Луны, открылся путь к планетам. Скоро он станет доступным не только для ракет-автоматов. Луна достигнута. Полет на Марс — реальность ближайшего будущего. Путешествие на Венеру — дело нашего века!

Но было бы неверно думать, что путь этот начался только два года назад, с запуском первого спутника. Нет, он был подготовлен трудом многих ученых разных стран и, прежде всего нашей страны, прежде всего русским ученым Константином Эдуардовичем Циолковским. То, о чем мечтал Циолковский — победа над притяжением Земли, выход в Космос, — свершилось. Предугаданная Циолковским ракета поднялась сначала на десятки, потом на сотни, затем на тысячи, а в впоследствии на сотни тысяч километров. Теперь же на миллионы километров проникла в глубины Вселенной ставшая спутником Солнца искусственная планета. Другая советская космическая ракета успешно завершила лунный перелет, третья — облетела вокруг Луны. Нужен был гений Циолковского, чтобы указать, как идти по этой трудной дороге к звездам. Нужен был труд множества людей — от рабочего до академика, чтобы воплотить в жизнь смелые идеи и проекты. Нужна была вся индустриальная мощь преображенной России, чтобы обеспечить одну из самых великих побед, какую когда-либо одерживал человек над природой. И, наконец, нужно было ясное сознание цели, вдохновение и дерзость, чтобы невозможное стало возможным и гораздо быстрее, чем это можно было предположить.

Почему именно Луна привлекает, прежде всего, внимание наших астронавтов? Дело не только в том, что это ближайшее к нам небесное тело. Изучая Луну, мы много можем понять и в истории нашей собственной планеты.

Никогда еще не были нарушены спокойствие и ясность этих, так именно и названных, областей Луны. Названия на лунных картах бывают и точны и неточны. Да, спокойствие и ясность всегда присутствуют там, но бурь и возмущений там не замечалось. Правда, лишь до недавних пор Луну приходилось считать абсолютно мертвым небесным телом, неизменным царством покоя и безмолвия. Почти полное отсутствие атмосферы... Неизменность рельефа... Казалось бы, что может происходить на этом, светящем отраженным светом шарике?

Советский астроном Н. А. Козырев внес важные поправки в наше представление о застывшем лунном мире. Он недавно обнаружил на Луне действующий вулкан. Значит, она не так уж мертва, как казалось раньше. Значит, внутри нее действуют силы, которые заставляют выплескиваться наружу лунную лаву и сотрясают лунные скалы...

Существует немало загадок, которые предстоит разрешить во время будущих полетов на Луну или вокруг Луны. Что собою представляют таинственные белые лучи, протянувшиеся на многие тысячи километров вдоль всего «серебряного шара»? Почему временами темнеет дно кратера Платона? Почему наблюдали, как появляются и исчезают отдельные кратеры на Луне? Несомненно, Луна жива! И, возможно, будущие астронавты встретят на ней какие-то признаки жизни, пусть своеобразной и примитивной, но все же жизни.

Долго спорили о том, что представляет собой невидимая с Земли сторона Луны. Иные фантасты населяли это загадочное лунное полушарие даже живыми существами. Конечно, это выдумка. Однако рано или поздно показания автоматических приборов внесут ясность в старую тайну.

Существует еще много вопросов, которые нужно разрешить, прежде чем ракетные корабли с людьми смогут прилуниться. Н. С. Хрущев призвал ученых всех стран принять участие в этом благородном деле.

...Вероятно, пройдет немного времени, и вокруг Луны пронесется ракета с телевизионным передатчиком. На экранах земных телевизоров мы увидим вблизи пейзажи неведомого мира. Сейчас еще трудно предсказать, когда вслед за вымпелом опустится на Луну и корабль с человеком. Возможно, на Луну будет доставлена автоматическая лаборатория, космический разведчик а, может быть, будет запущен спутник Луны с автоматическими приборами.

Одно за другим три события взволновали мир. Доставлен на Луну советский вымпел. Вышел в первое плаванье атомный ледокол «Ленин». Совершен облет Луны. Казалось бы, ледокол и ракета не имеют между собой ничего общего. Но это не так. Покорение Арктики и изучение Луны — вершины за­воеваний нашей мирной, созидательной науки. Прекрасно наше настоящее, но еще более прекрасно будущее: теперь уже совершенно очевидно, что луна вскоре будет завоевана человеком! А вслед за ней — и планеты. «Человече­ство не останется вечно на Земле», — говорил Циолковский. Вещие слова!

Вымпелы Советского Союза попали в один из интереснейших районов Луны. Не случайно почти во всех книгах, где описывается наш спутник, можно встретить изображение именно этого участка его поверхности. Здесь мы видим характерные детали лунного рельефа и ряд загадочных образований.

Прежде всего бросается в глаза обширная горная цепь, наискось пересекающая интересующий нас район. Это лунные Апеннины, отделяющие Море Дождей от Моря Ясности. Протяженность главного хребта составляет многие сотни километров, и здесь нередко можно встретить вершины, достигающие в высоту 5-6 тысяч метров. Головокружительными обрывами подступают Апеннины к Морю Дождей и пологими отрожками врезаются в Море Ясности. Лишенные растительного покрова, скалистые и сложенные из темных пород, Апеннины будущему лунному альпинисту покажутся величественными и мрачными.

На твердой темно-серой поверхности Моря Дождей выделяется три кратера — Архимед, Аристилл и Автолик. Поперечник наибольшего из них — кратера Архимеда — близок к 80 км. Дно этого кратера плоское, ровное, неотличимое от остальной поверхности Моря. Зато в двух других кратерах заметны центральные горки — по-видимому, когда-то действовавшие лунные вулканы.

По другую сторону Апеннин, в лунном Море Ясности, можно заметить светлое белое пятно — бывший лунный кратер Линней. В этом месте Луны уже около сотни лет астрономы замечают загадочные изменения. Временами некоторые наблюдатели видели здесь небольшой кратер, поперечник которого в разные годы был различным.

В иные периоды вместо кратера виднелась горка в центре странного светлого пятна. Все эти изменения скорее всего объясняются вулканической деятельностью, несомненно еще проявляющейся на Луне. По-видимому, на поверхности нашего спутника регулярно происходят вулканические извержения, при которых разрушается один кратер и создается другой. Совсем недавно одно из таких извержений сумел сфотографировать пулковский астроном Н. А. Козырев.

Море Ясности соединено с Морем Дождей своеобразным «проливом». Он отделяет Апеннины от другого горного хребта — лунного Кавказа. Однако Кавказские горы на Луне гораздо ниже Апеннин и значительно уступают им по протяженности.

Море Дождей — одна из самых глубоких впадин на Луне. Почти всюду его поверхность ниже среднего уровня на полтора-два километра, а в восточной своей части «глубина» Моря Дождей превышает два с половиной километра.

На фотографиях Луны поверхность Моря Дождей выглядит очень ровной и гладкой. Но глаз нас обманывает. По тому, как лунные моря отражают солнечные лучи, астрономы уже давно пришли к заключению, что их поверхность весьма шероховата и обладает крайне низкой теплопроводностью. Существуют различные объяснения этому факту. По мнению одних ученых, Луна покрыта сплошным слоем пыли, которая образовалась в результате непрерывного дробления лунной поверхности падающими на нее метеоритами. Другие астрономы полагают, что поверхностные слои Луны напоминают ноздреватую шлаковую корку. Такая кора могла возникнуть за счет высокой температуры, которая неизбежно возникает при ударе метеорита о лунную поверхность. Пока трудно отдать решительное предпочтение какой-нибудь из этих гипотез. Будущие исследования Луны с помощью космических ракет несомненно внесут ясность в эту интересную проблему.

В самые мощные современные телескопы при наилучших атмосферных условиях удается рассмотреть на Луне только те предметы, поперечники которых превышают 50 метров. Поэтому вымпелы Советского Союза, лежащие где-то в описанном нами районе, недоступны прямому наблюдению. Не исключено, однако, что в будущем тщательные наблюдения позволят увидеть небольшие кратерообразные воронки, которые возникли при ударе о поверхность Луны ракеты-носителя и, может быть, лунного контейнера. С другой стороны, некоторые советские и зарубежные астрономы уверяют, что им удалось наблюдать световые эффекты, возникшие в момент прилунения ракеты или контейнера. Если эти наблюдения после тщательной проверки подтвердятся, можно будет совершенно точно указать то место соседнего небесного тела, где лежат созданные человеческим гением первые на Луне земные предметы.

Чтобы вырваться из оков земного тяготения, ракете необходим огромный запас кинетической энергии. Какой же именно? Расчеты показывают, что при выходе из атмосферы Земли она должна обладать энергией в 6,4 миллиона килограммометров на каждый килограмм своего веса.

Последняя ступень второй советской космической ракеты и контейнер с научной аппаратурой весили 1511 килограммов. Следовательно, для достижения Луны им потребовался запас кинетической энергии равный примерно 10 миллиард килограммометров.

Громадное количество энергии!

Человеку, поднимающему какие-либо грузы при восьмичасовом рабочем дне потребовалось бы около 100 лет, чтобы выполнить такую работу. А двигатели ракеты сообщили ей необходимую энергию всего за несколько минут.

Такова мощность двигателей современных ракет. Это миллионы и десятки миллионов лошадиных сил.

Нет сомнения, что в будущем, по мере развития полетов в космическое пространство на ракетах будут применяться двигатели все большей и большей мощности. Работы по созданию таких двигателей уже ведутся.

Откуда же двигатель черпает громадные запасы энергии, необходимые для разгона космических ракет? Источником служит топливо. Недаром К. Э. Циолковский в первых же своих работах в качестве центральной задачи поставил проблему топлива для реактивных двигателей.

В ту пору были известны лишь пороховые ракеты. Циолковский же доказал, что для ракет дальнего действия необходимо применять жидкие топлива, как более эффективные, чем какие угодно пороха. Он выдвинул идею создания реактивного двигателя, работающего на жидком топливе (ЖРД).

Надо отметить, что в реактивной технике принято одним словом топливо — называть совокупность всех веществ, расходуемых на работу двигателя. Сюда включаются горючее, окислитель, жидкости для воспламенения и улучшения горения, жидкость для охлаждения стенок камеры и другие подаваемые в камеру вещества, продукты реакции которых вылетают из сопла двигателя.

Какие же топлива применяются в настоящее время в ракетной технике?

Основное требование, предъявляемое к топливу, — высокая теплотворная способность. Она измеряется количеством калорий, выделяющихся при сгорании одного килограмма вещества.

Например, при сгорании килограмма спирта выделяется 6 тысяч калорий. Теплотворная способность керосина 10700 калорий. При сгорании килограмма водорода выделяется еще больше тепла — 28 700 калорий. Правда, необходимо учитывать, что для горения нужен еще и окислитель. Например, сгорание каждого килограмма керосина сопровождается расходом трех с половиной килограммов кислорода. И если отнести выделенную при горении энергию не к весу горючего, а ко всему топливу, то на каждый килограмм топливной смеси придется значительно меньшая энергия. Вот почему топливо, состоящее, например, из спирта и кислорода, имеет теплотворную способность всего 2.030 калорий. Смесь керосина и кислорода при сгорании дает 2.300 калорий, а при горении водорода в кислороде калорийность смеси составляет 3 030 калорий.

Необходимо также, чтобы топливо было безопасным в эксплуатации и при хранении, а также недефицитным и недорогим. Кроме того, топливо должно быть пригодно для охлаждения двигателя. Наконец, топливо для ЖРД не должно вызывать коррозии — разъедания частей двигателя.

При выборе топлива учитываются все его свойства. Так, водород в смеси с кислородом по калорийности превосходит все остальные жидкие топлива. Но он пока не нашел применения в реактивной технике: с ним неудобно обращаться. Ведь водород сжиживается при температуре 240 градусов холода и даже в жидком состоянии имеет слишком малый удельный вес (всего 0,07). Для него потребовались бы громадные баки.

Наиболее распространенным горючим в ракетной технике служит сейчас спирт и керосин.

В качестве окислителя в ЖРД часто применяют жидкий кислород. Хорошо налаженное производство этого материала делает его весьма доступным и недорогим. Однако в эксплуатации кислород неудобен. И опять-таки потому, что при нормальных условиях он — газ. Для сохранения кислорода на самолетах в жидком виде его приходится держать при температуре минус 180 градусов.

Неудобство употребления жидкого кислорода заставило искать другие окислители, которые оставались бы жидкими при нормальной температуре. И они были найдены. Таковы азотная кислота и перекись водорода. Эти вещества богаты кислородом. Он-то и идет на окисление горючего. Однако оба эти окислителя, помимо кислорода, сдержат другие вещества, которые в горении не участвуют и представляют собой ненужный балласт.

Кстати сказать, тот же Циолковский выдвинул идею применять в ракетах не кислород, а озон, ибо соединение горючих веществ с озоном сопровождается большим выделением тепла. Исследовательские работы, направленные к практическому осуществлению этой идеи проводятся.

Развивая теорию Циолковского, советские ученые выдвинули много ценных предложений по выбору топливных смесей для ЖРД М. К. Тихонравов обосновал мысль об использовании в ЖРД не только горения, но и других реакций, сопровождающихся выделением тепла. Выгодно, к примеру, соединение ряда веществ с фтором. Талантливые изобретатели Ю. В. Кондратюк и Ф. А. Цандер предложили применять металлическое горючее. Эта смелая идея в последние годы привлекает большое внимание специалистов. Ведь горение некоторых металлов дает на каждый килограмм продуктов сгорания значительно больше тепла, чем сжигание керосина или спирта.

Советские ученые, развивая труды Циолковского, отдали немало сил ракетной энергетике, и в первую очередь — выбору наилучших топлив. Их трудами заложены основы теории топлив для реактивных двигателей. Конструктор первого советского жидкостного реактивного двигателя еще четверть века назад писал: «Вопрос о рациональном топливе имеет первостепенную важность. Прежде чем приступить к разработке реактивного двигателя, необходимо произвести выбор наиболее подходящего топлива. В зависимости от того, насколько будет удачен выбор, стоит качество разрабатываемого двигателя, а иногда и успех всей работы».

Сколько же топлива нужно ракете для полета к луне? Какие запасы горючего и окислителя надо разместить в баках ракеты, чтобы она могла совершить межпланетный полет?

Ответ на эти вопросы получить нетрудно. Достаточно сделать рассчет по знаменитой формуле Циолковского. Эта формула переводит полет ракеты на строгий и точный язык математики. Она показывает, как зависит скорость ракеты от количества израсходованного топлива и скорости истечения газов из сопла двигателя. Предположим, что на ракете установлены двигатели, которые выбрасывают из своих сопел газы со скоростью 2400 м/сек. В этом случае, чтобы достичь скорости 11,2 км/сек, ракете потребовались бы запасы топлива, превосходящие в 105 раз вес самой ракеты и помещенного в ней полезного груза.

Можно ли построить ракету, которая бы вмещала в своих баках такое громадное количество топлива?

Конечно, нет. Нельзя изготовить даже баки, способные вместить столько топлива. А ведь ракета кроме топливных баков должна иметь силовой корпус, двигатель, приборы, механизмы управления, полезный груз.

Еще более неосуществимой представляется постройка подобной ракеты для полета на Луну и обратно, а тем более на Марс и обратно. Для таких полетов топлива потребуется соответственно в 10 тысяч и в 33 тысячи раз больше, чем вес самой ракеты и ее полезного груза.

Конечно, для сокращения расхода топлива громадное значение имеет выбор эффективных топлив, усовершенствование двигателя — повышение его коэффицициента полезного действия. Если путем выбора топлива и усовершенствования двигателя конструкторы увеличат скорость истечения газа до 2700 м/сек., то для полета к Луне потребное количество топлива сократится в полтора раза, а для полета на Марс и обратно — более чем в 3 раза.

Дальше поднимая эффективность двигателя, можно добиться еще большего сокращения потребляемого топлива. Например, если увеличить скорость истечения газа до 3000 м/сек, то для запуска ракеты к Луне в ее баках надо будет разместить топливо, превосходящее вес корпуса ракеты и полезного груза всего в 41 раз. Полет на Луну и обратно потребует полуторатысячекратного запаса топлива. А для космического рейса по маршруту Земля — Марс — Земля будет необходим 4000-кратный запас топлива, то есть в восемь раз меньше, чем при скорости истечения в 2400 м/сек.

Выигрыш, как видите, очень значителен.

И все таки он мал и совершенно не спасает положения.

Математические расчеты говорят о том, что для космических полетов при современном уровне ракетной техники требуются столь большие запасы топлива, что их невозможно разместить в баках одной ракеты.

Каким же путем решают ученые эту, казалось бы, неразрешимую задачу?

Для этого они используют еще одну блестящую идею Циолковского.

К. Э. Циолковский предложил применять для космических полетов многоступенчатые ракеты, или, как писал сам ученый, «ракетные поезда». Такой «поезд» должен состоять из нескольких ракет, укрепленных одна на другой.

При взлете с поверхности Земли работают двигатели нижней ракеты, называемой обычно первой ступенью. Они работают до тех пор, пока не израсходуют топливо, находящееся в баках. К этому моменту составная ракета поднимется на некоторую высоту и разовьет определенную скорость. Когда баки первой ступени окажутся пустыми, она отцепляется от верхних ракет и сбрасывается вниз, чтобы не обременять мертвым грузом дальнейший полет. И тут же вступают в действие двигатели второй ступени. Когда израсходуется топливо второй ракеты, сбрасывается и она. Двигатели последующих ступеней ракеты начинают работать, когда ракета уже достигает большой высоты и имеет значительную скорость.

Так каждая ступень ракеты последовательно увеличивает скорость полета. Последняя — верхняя ступень, представляющая собой космический корабль, оказывается разогнанной уже очень сильно.

Если корабль предназначается для посадки на другую планету и возвращения на Землю, то он в свою очередь должен состоять из нескольких ступеней, которые последовательно включаются при спуске на планету и при взлете с нее.

Применяя многоступенчатые ракеты, ученые нашей Родины осуществили запуск первых искусственных спутников Земли, создали искусственную планету, движущуюся сейчас вокруг Солнца, послали ракету с советским вымпелом на Луну, осуществили облет Луны.

Естественно возникает вопрос — сколько же ступеней надо делать в космических ракетах? Как влияет число ступеней на величину необходимого расхода топлива?

Рассмотрим это на примере.

Пусть перед нами поставлена задача послать на Луну ракету, которая бы несла контейнер с научной аппаратурой весом в одну тонну. Предположим, что мы имеем хорошие двигатели и выбрали топливо, обеспечивающее истечение газа со скоростью в 3000 м/сек. При такой скорости истечения газов запасы топлива в одноступенчатой ракете с учетом расхода энергии на преодоление сопротивления воздуха должны были бы в 58 раз превосходить вес самой ракеты. Создание такой конструкции не по силам современной инженерной науке, поэтому будем строить многоступенчатую ракету. И постараемся сделать ее конструкцию настолько совершенной, чтобы в каждой из ступеней 90% веса приходилось на долю топлива и только 10% — на долю конструкции. При таких условиях, если мы захотим сделать ракету двухступенчатой, ее стартовый вес составит 848 тонн. А если сделать три ступени, то вес ракеты сократится до 185 тонн. Четырехступенчатая ракета такого же назначения будет иметь взлетный вес 140 тонн, пятиступенчатая — 124 тонны, шестиступенчатая — 116 тонн.

Чем больше ступеней, тем меньше полный вес всей ракеты при неизменном полезном грузе. И наоборот, при одинаковом взлетном весе, ракета с большим числом ступеней сможет доставить на Луну больший груз. Это произойдет потому, что в многоступенчатой ракете будут чаще отбрасываться пустые баки, ракета станет быстрее освобождается от бесполезного груза. А чем быстрее уменьшается полетный вес ракеты, тем быстрее снижается величина потребной тяги, а стало быть и расход топлива.

Конечно, указанное выше сниже­ние веса справедливо лишь в том случае, когда с изменением числа ступеней не меняется их конструктивная характеристика, т. е. весо­вая доля конструкции в общем ве­се ступени. Практически, с увели­чением числа ступеней может расти вес механизмов расцепки, вес двигателей и т.п. Уменьшение каждой из ступеней может при­вести к увеличению относительно­го веса баков. Поэтому конструк­тору ракеты в каждом конкретном случае надо выбрать наивыгодней­шее число ступеней и размеры каждой из них.

Наконец, последний вопрос, от­носящийся уже не к сегодняшне­му, а к завтрашнему дню.

Что надо сделать для того, что­бы обеспечить плавное прилунение ракеты и сохранность всей науч­ной аппаратуры? Для этого на ра­кете, подлетающей к Луне, надо иметь запасы топлива — с тем, чтобы включив двигатель, замед­лить полет ракеты. Сколько же топлива надо израсходовать для безопасного прилунения ракеты?

Ответ дает расчет. Если к Луне будет подлетать ракета весом в одну тонну, то при истечении газов из сопла ее двигателя со ско­ростью, например, 2700 м/сек при­дется израсходовать около 600 килограммов топлива. Примерно 120—150 килограммов придется на вес баков и двигателя ракеты. И только 250—280 килограммов мож­но будет отвести на долю полез­ного груза. Таким образом, для обеспечения плавной посадки на Луну необходимо раза в четыре уменьшить вес научной аппаратуры.

При первых полетах важно взять возможно большее количество на­учных приборов, чтобы произвести более широкие исследования в космическом пространстве и осо­бенно вблизи Луны. В дальнейшем же будут осуществляться и поле­ты с плавной посадкой на Луну. А когда в научную экспедицию на Луну отправятся люди, конструк­торам ракет придется решить во­просы не только посадки, но и взлета с Луны и благополучного возвращения астронавтов на Зем­лю.