Всё о космических путешествиях за 60 минут

Полет Шепарда был суборбитальным – короткий прыжок в космос и обратно. После этого инженеры NASA заменили «Редстоун» более мощным ускорителем «Атлас», и 20 февраля 1962 года Джон Гленн первым из астронавтов США достиг околоземной орбиты, сделав три полных оборота вокруг Земли, прежде чем капсула «Меркурия» приводнилась в Атлантическом океане 4 часа 55 минут спустя.

Первой женщиной, побывавшей в космосе, стала Валентина Терешкова, которая 16 июня 1963 года на советском корабле «Восток-6» совершила 48 оборотов вокруг Земли. Американская женщина оказалась в космосе намного позже: Салли Райд отправилась туда на борту космического челнока «Челленджер» лишь в июне 1983 года. Тем не менее женщины играли ключевую роль в космической программе США. Кэтрин Джонсон, присоединившаяся к ней в 1953 году, будучи отличным математиком, рассчитала траектории многих полетов – в том числе Шепарда и Гленна, а также «Аполлонов». А инженер-программист Маргарет Гамильтон возглавляла команду программистов из Массачусетского технологического института, разработавших все программное обеспечение для полетов «Аполлонов».

Юрий Гагарин (1934–1968)

Юрий Алексеевич Гагарин родился в СССР, в деревне Клушино Смоленской области. В начале 1950-х годов будущий космонавт работал литейщиком, а по выходным учился летать. Он поступил в аэроклуб ДОСААФ в 1955 году и в ноябре 1957 года стал офицером советских военно-воздушных сил. Гагарин проявил интерес к полетам в космос, и в 1959 году его выбрали для участия в советской космической программе. 12 апреля 1961 года он стал первым человеком в космосе, совершив один оборот вокруг Земли и благополучно приземлившись спустя 108 минут. Полет на «Востоке-1» стал для Гагарина единственным путешествием в космос. После он работал над проектами космических кораблей и участвовал в подготовке космонавтов. Погиб Гагарин в результате несчастного случая: 27 марта 1968 года реактивный самолет «МиГ-15УТИ», который он пилотировал, разбился неподалеку от деревни Новоселово во Владимирской области.

Мы решили лететь на Луну^[5]

В сентябре 1962 года, после заявления президента Джона Кеннеди о намерении отправить людей на Луну, NASA запустило проект «Джемини», в рамках которого астронавтам предстояло овладеть сложными навыками и достичь определенного уровня технического мастерства, что было необходимо для пилотирования космического корабля к единственному спутнику Земли. Советские ученые тоже готовились к большому старту: еще в 1959 году они запустили автоматическую межпланетную станцию (АМС) «Луна-2» – первый в истории искусственный объект с Земли, достигший поверхности другого небесного тела. Первым американским аппаратом, добравшимся до Луны, стал «Рейнджер-4» в апреле 1962 года. Однако он врезался в ее поверхность и потерпел крушение.

Исследование космоса продолжится независимо от того, присоединимся мы к нему или нет. Это одно из величайших приключений всех времен.

Джон Кеннеди (1962)

Американскую программу, целью которой была высадка людей на Луне, назвали «Аполлон», и перед командой фон Брауна стояла задача разработать ракету, достаточно мощную, чтобы отправить посадочный модуль с человеческим экипажем на расстояние в 380 000 км. Результатом стала «Сатурн-5», ракета, с полным баком топлива весившая почти 3000 тонн и достигавшая 111 метров в длину – это на 18 метров выше Статуи Свободы.

В то время как американцы продолжали работать над программой «Аполлон», советские инженеры готовили свой ответ на ракету «Сатурн-5»: им стала «Н-1». Однако ее создатели столкнулись со множеством проблем. Все четыре попытки запуска ракеты не увенчались успехом, а в ходе второго она взорвалась, уничтожив также площадку и окружающий ее пусковой комплекс.

Астронавты по самой своей сути безумны. И благородны.

Энди Вейр. Марсианин (2014)

В конечном итоге Америка попала на Луну первой. После ряда испытательных полетов с экипажем и без NASA решило, что готово попытаться высадить людей на Луну летом 1969 года. 20 июля астронавты Нил Армстронг и Базз Олдрин благополучно посадили лунный модуль корабля «Аполлон-11» в Море Спокойствия – гигантскую низменность на видимой стороне нашего спутника – и Армстронг стал первым человеком, ступившим на поверхность Луны.

За этим последовали еще шесть полетов «Аполлонов», во время которых астронавты проводили на Луне геологические изыскания и научные эксперименты. Последний запуск в рамках программы, корабля «Аполлон-17», состоялся в декабре 1972 года. В общей сложности на поверхность Луны высадились 12 астронавтов, и с тех пор ни США, ни какое-либо другое государство не отправляли людей на Луну.

Смелый шаг

С окончанием космической гонки темпы развития пилотируемых космических исследований замедлились. Стоимость программы «Аполлон» составила примерно 153 миллиарда долларов, и теперь, когда ключевые цели были достигнуты, общественная и политическая потребность в подобных расходах постепенно сходила на нет.

Многие жалуются на отсутствие прогресса с 1960-х годов. И все же в те места, куда перестали отправлять людей, начали летать роботы. В области разработки роботизированных космических аппаратов произошел подъем, так как последние стали более надежным и экономически эффективным способом исследования космического пространства. Автоматические зонды побывали уже на всех планетах нашей Солнечной системы, совершив посадку на многие из них, получив потрясающие снимки и научные данные. Ну а «взгляд» космических телескопов, летающих над земной атмосферой, простирается еще дальше: благодаря им мы видим захватывающие панорамы Вселенной и раскрываем ее секреты.

В 1973 году оборудование, оставшееся после программы «Аполлон», использовали для запуска космической станции Sky/ab и для доставки экипажей на орбитальную станцию и обратно. Два года спустя произошла историческая стыковка американского и советского кораблей «Аполлон» и «Союз», что ознаменовало новый период разрядки между двумя бывшими соперниками.

СССР также самостоятельно запустил ряд космических станций, начиная с тех, что отправились в космос в рамках программы «Салют» в 1970-х годах. В 1986 году к работе приступила научно-исследовательская орбитальная станция «Мир», с которой связано много космических рекордов, действующих до сих пор. Космические станции представляли собой нечто вроде лаборатории, где можно изучать долгосрочные последствия космических путешествий для человеческого организма, а также плацдарма для исследований Солнечной системы.

С этой целью в 1981 году стартовала американская программа «Спейс шаттл», в рамках которой должна была осуществляться транспортировка грузов и людей на околоземную орбиту и обратно. Одна из ее главных задач состояла в том, чтобы облегчить строительство новой космической станции – совместного проекта разных стран. До сих пор все космические корабли были одноразовыми, однако шаттл можно было использовать несколько раз, и, вместо того чтобы приводняться в море, он садился на взлетно-посадочную полосу, как самолет.

Первые части МКС были выведены на орбиту в 1998 году. Для строительства станции потребовалось более 40 сборочных рейсов шаттла, а также российских ракет-носителей «Протон». Достигающая 109 метров по самой длинной оси МКС весит 420 тонн и предоставляет космонавтам внутренний жилой объем в 915 м³.

Исследование космоса – это особая сила природы, с которой не может конкурировать никакая другая сила в обществе.

Нил Деграсс Тайсон (2012)

После завершения строительства МКС, в 2011 году, шаттлы вывели из эксплуатации. Таким образом, в течение почти 10 лет США не имели возможности запускать людей в космос: американские астронавты отправлялись на МКС с помощью российских кораблей «Союз». Однако сейчас NASA разрабатывает новую ракету большой грузоподъемности Space Launch System, или SLS, первый запуск которой запланирован на 2021 год. На ней в рамках программы «Артемида» корабль «Орион» отправится на лунную орбиту, чтобы протестировать различные системы и подготовить новую высадку астронавтов на Луне в 2024 году.

В игру вступают также коммерческие проекты. Американская компания SpaceX заключила контракт на выполнение автоматических миссий по дозаправке МКС с 2012 года. В настоящее время SpaceX, а также Blue Origin и другие компании работают над концепциями пилотируемых транспортных средств, которые будут доставлять людей на Луну, Марс и дальше. Правда, сначала нужно будет купить билет – и по весьма высокой цене. Космические путешествия не только удовлетворяют нашу постоянную потребность в исследованиях, но и способствуют развитию науки и в конечном итоге могут оказаться необходимыми для выживания нашего вида. Сегодня мы стоим на пороге захватывающей новой эры в освоении человеком космоса.

02. Как покинуть планету

Земля – это колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели.

 

Константин Циолковский (1911)

Космическое пространство во всех смыслах кажется очень далеким – это удивительное царство, максимально удаленное от нашей скучной обыденности здесь, на Земле. И все же на самом деле оно поразительно близко. Граница между нами и космическим пространством, известная как линия Кармана, получила свое название в честь американского ученого венгерского происхождения Теодора фон Кармана, который первым предложил обозначить ее. Она находится на высоте всего 100 км, что равняется расстоянию, к примеру, от Москвы до Серпухова – это приблизительно в часе езды на машине.

Очевидно, что в ближайшее время вы не сможете отправиться в космос. И вам будет трудно добраться до него даже на современном самолете. Проблема заключается в силе, называемой гравитацией: она заставляет все объекты во Вселенной, обладающие массой, притягиваться друг к другу. Во многих отношениях это очень удобно – удерживаться на поверхности планеты и иметь возможность жить, не уплывая в пустоту. Но это также значительно усложняет полеты в космос, по сравнению с поездкой на автомобиле, поскольку поднимать предметы, противодействуя силе тяжести, – чрезвычайно трудно. Доставка 1-тонного автомобиля или 30-тонного космического аппарата на высоту 100 км требует невероятного количества энергии.

Реактивные самолеты – одни из лучших летающих машин, которые у нас есть, но даже они не справляются с задачей достичь космического пространства. Они летают на максимальной высоте около 10 км и способны противостоять гравитации с помощью подъемной силы – силы, создаваемой воздушным потоком над их крыльями особой формы. Поднимитесь выше, и воздух станет настолько разреженным, что подъемной силы будет уже недостаточно, чтобы удерживать самолет.

Ракеты, сделавшие возможным космический полет, являются достижением, которое, более чем любая другая технологическая победа двадцатого века, основано на научной фантастике.

Айзек Азимов (1976)

Есть и еще одна проблема. Сгорание – это химическая реакция, в ходе которой при взаимодействии топлива с кислородом выделяется энергия. Если накрыть горящую свечу стаканом, вскоре она погаснет, исчерпав весь доступный кислород. То же самое произойдет с реактивным двигателем самолета. Поскольку воздух на большой высоте разрежается, вокруг самолета становится все меньше и меньше кислорода. Неважно, какой запас топлива есть на борту – без кислорода оно не сможет гореть.

Решение состоит в том, чтобы просто взять кислород с собой, и это именно то, что сделали создатели ракет (слово «ракета» происходит от итальянского rocchetta, что значит «маленькое веретено»). Последние способны генерировать достаточное количество тяги, чтобы отправиться не только за пределы атмосферы Земли, но и сквозь Солнечную систему и даже дальше.

Огненные стрелы

Ракеты были изобретены в Китае около XI века. По сути они напоминали фейерверки и работали на порохе, случайно изобретенном китайскими алхимиками. Его получали, смешивая уголь, серу и селитру (нитрат калия). Селитра – мощный окислитель, она выделяет кислород при нагревании, заставляя уголь и серу сгорать с большой скоростью. Первые китайские ракеты, «огненные стрелы», использовались в битвах армиями империи Сун^[6], а позднее, в XIII веке, – монголами в ходе их завоевательных походов.

В конце XVIII века эту технологию переняла майсурская^[7] армия, которая с помощью ракет с прикрепленными к ним грозными клинками защищалась от британских войск во время агрессивной колонизации региона британской Ост-Индской компанией.

Некоторые образцы этого оружия были захвачены англичанами и стали источником вдохновения для программы военных ракетных исследований в Королевском арсенале в Вулидже, которую возглавлял изобретатель и политик Уильям Контрив. Позаимствовав индийскую технологию, он построил ряд ракет, состоявших из железных цилиндров со стабилизаторами из длинных реек, – очень похожих на современные фейерверки (хотя и намного больших по размеру). Самые большие ракеты Конгрива весили сотни килограммов, в длину достигали 9 метров и имели радиус действия более 3 км. Каждая из них снабжалась поражающим снарядом, который, однако, часто выпадал во время полета.

Конгрив успешно продемонстрировал свои первые ракеты в сентябре 1805 года. Тем не менее они были довольно неточными. Британский инженер Уильям Хейл позднее решил эту проблему. Он снял рейки и изменил направление выпускных патрубков таким образом, чтобы ракета во время полета вращалась – так же, как вращается винтовочная пуля, чтобы предотвратить отклонение от курса.

Потенциал этих смертоносных орудий для космических полетов казался неясным до начала XX века, когда его открыл русский гений Константин Циолковский.

Константин Циолковский (1857–1935)

Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857 года в Рязанской губернии на западе Российской империи. Из-за проблем со слухом, вызванных перенесенной скарлатиной, учился он в основном на дому. Это позволило будущему ученому углубляться в темы, которые интересовали его больше всего, и уже в подростковом возрасте он начал размышлять о возможности космических путешествий. Позже Циолковский стал зарабатывать преподаванием, а свободное время посвящал собственным исследованиям и написанию множества научных работ. С 1890-х годов он начал разрабатывать теорию ракетостроения, применяя известные физические законы, чтобы определять поведение ракеты в полете. Он опубликовал свои выводы в работе 1903 года под названием «Исследование мировых пространств реактивными приборами», которая послужила источником вдохновения для инженеров, впоследствии сделавших ракеты для путешествий реальностью. Циолковский провел большую часть своей взрослой жизни в отшельничестве, живя в бревенчатом доме недалеко от Калуги, в 150 км к юго-западу от Москвы. Он умер в Калуге 19 сентября 1935 года от рака желудка.

Действие и противодействие

Циолковский превратил ракетостроение в науку, управляемую строгой математикой, позволяющей точно предсказывать и изучать поведение ракеты. Именно исследование Циолковского превратило ракеты из грубого оружия в транспортное средство, которое в конечном итоге доставит людей в космос.

Возможно, величайшим вкладом Циолковского стала так называемая формула Циолковского, которую он опубликовал в 1903 году. По этой формуле рассчитывается скорость, которую ракета может достичь, с учетом ее изначальной массы (с полным баком топлива), ее «пустой» массы (без топлива) и скорости выхлопной струи, выбрасываемой двигателем. Общее увеличение скорости, создаваемое сжиганием всего топлива ракеты, известно как Δv, где v – скорость, а Δ является математическим обозначением изменения. Это характеристическая скорость ракеты.