Read the book: «100 великих тайн космонавтики»
©Автор-сост. Славин С.Н., 2012
©ООО «Издательский дом «Вече», 2012
Все права защищены. Никакая часть электронной версии этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для частного и публичного использования без письменного разрешения владельца авторских прав.
Они были первыми
Ученые до сих пор спорят, когда же появилось на Земле то, что ныне называется ракетой. Попробуем и мы внести свою лепту в этот спор, изложив свою версию космической истории человечества, но вовсе не претендуя на постижение истины в последней инстанции.
Ученые и фантасты
Межпланетные путешествия древних
Если вы полагаете, что мечта о покорении космоса и межпланетных путешествиях зародилась в XIX–XX веках, то вам придется внести поправку в свои представления. Хотите верьте, хотите – проверьте, но уже жрецы Древнего Вавилона и китайские астрономы около 5000 лет тому назад имели первичные представления о космосе и небесных телах.
От этих рекордсменов древности эстафета познания перешли к античным грекам. И стали делать одно астрономическое открытие за другим. Так, Фалес из Милета (он умер в 548 году до н. э.), которого часто называют отцом греческой астрономии, основал школу, где, вероятно, впервые заговорили о том, что планета наша вовсе не плоская как блин.
Учение о шарообразности Земли поддержал Пифагор Самосский. А один из его единомышленников – Аристарх Самосский – предложил, по существу, ту же самую планетную систему, которую мы сейчас называем системой Коперника.
Аристарх даже сделал попытку измерить относительное удаление Солнца и Луны от Земли. Правда, попытка эта, предпринятая примерно в 280 году до н. э., окончилась неудачно, поскольку в распоряжении ученого не нашлось подходящих инструментов.
Несколькими годами позже в Кирене родился Эратосфен. Со временем он стал столь знаменитым философом, что Птолемей пригласил его в Александрию, которая в то время была одним из крупнейших центров культурной и общественной жизни, на пост императорского библиотекаря.
Иллюстрация к книге Сирано де Бержерака «Иной свет, или Государства и империи Луны»
В свободное же от службы время Эратосфен проводил разные опыты. В частности, он был первым, кто додумался, как определить длину окружности Земли. Ему рассказали, что в Сиене (Ассуан) во время летнего солнцестояния шест, поставленный вертикально, в полдень не дает тени и что колодец освещается лучами Солнца до самого дна. Эрастофен прикинул, что Сиена, которая, по его мнению, находилась строго к югу от Александрии, была расположена на тропике Рака. Измеряя длину тени шеста в полдень во время летнего солнцестояния в Александрии, Эратосфен установил, что расстояние между Александрией и Сиеной составляет примерно пятидесятую часть окружности Земли. Зная же расстояние между двумя городами, было уже нетрудно определить и длину окружности всей планеты.
Она получилась у Эрастофена равной 250 000 стадиям, или в пересчете на современные меры эта величина колеблется между 37 и 47 тыс. км. Что можно считать почти правильной цифрой, учитывая, что длина самой стадии менялась в зависимости от рельефа местности в пределах 150–190 м, а сам Ассуан расположен не точно на тропике Рака и не на одном меридиане с Александрией.
Получив первые представления о размерах нашей планеты, древние ученые стали себе лучше представлять и размеры Луны, и расстояние до нее, и вообще каковы космические расстояния. Некоторые из них, включая Пифагора, выдаинули предположение о том, что где-то могут существовать еще миры, подобные нашему.
Так, в частности, Плутарх в одном из своих сочинений высмеял идею Аристотеля о том, что Земля расположена в середине Вселенной. Ученый утверждал, что Вселенная бесконечна. Он же в книге «О диске, который можно видеть на орбите Луны», выдвинул смелое предположение, что Луна является второй Землей. Плутарх полагал, что Луна может иметь гораздо большие размеры, чем вся Греция и у нее есть свое население. Правда, при этом он почему-то посчитал, что на Луне живут дьяволы, которые именно оттуда время от времени прилетают на Землю.
Плутарх умер в 120 году н. э. Но его идеи не пропали во тьме веков. Сорок лет спустя греческий софист и сатирик Лукиан Самосатский написал «Истинные истории». Несмотря на название, это был, по существу, сборник первых фантастических рассказов. Не случайно сам автор поспешил уведомить всех, что «я пишу о том, чего я никогда не видел, не испытал и не узнал от другого, о том, чего нет и не могло быть на свете, и потому мои читатели ни в коем случае не должны верить мне».
В одном из этих рассказов Лукиан повествует о том, как ужасная буря якобы подхватила корабль Одиссея и подняла его над морем. Ветер нес его высоко над водой, и путешественники в течение семи дней и ночей не знали, что их ожидает. На восьмой день корабль достиг Луны. Самое интересное, что древний фантаст почти угадал со сроками – «Аполлоны» долетали до Селены примерно за трое суток. И ведь то космические корабли, а не земные парусники…
Герой другой повести Лукиана о путешествии на Луну, Икароменипп, уже не полагался на стихию. Для полета он использовал крылья грифа и орла. И стартовал он весьма грамотно – с вершины горы Олимп… Сделав остановку на Луне, он затем летит дальше, «меж звезд и прибывает на небо на третий день полета», установив таким образом новый космический рекорд.
Средневековая инквизиция надолго отбила у вольнодумцев желание описывать иные миры. И то, что сейчас называют «революцией в астрономии», было связано с изобретением телескопа и с выходом в свет трех книг.
Первая из этих книг появилась в 1543 году, то есть почти полторы тысячи лет спустя после литературных опытов Лукиана. Она называлась «Об обращениях небесных сфер» и принадлежала перу Николая Коперника из Торуна. Второй была книга Иоганна Кеплера «О движениях Марса», она вышла в 1609 году. Третья, «Звездный вестник», автором которой был изобретатель телескопа Галилео Галилей, отпечатана в 1610 году.
И хотя эти сочинения никак нельзя было отнести к категории занимательного чтива, каждая из них наделала немало шума, вызвав волну интереса к устройству окружающего мира и заложив солидную основу для мечтаний о новых межпланетных путешествиях.
Одним их последствий этого бума было пятикратное переиздание сборника Лукиана на греческом языке. Затем для менее образованных читателей книга была переведена Кеплером и другими на латынь, а также на «простонародные языки».
Первое издание Лукиана на английском языке появилось в 1634 году. В том же году был напечатан посмертно и труд Кеплера «Сон», написанный им в минуты досуга. Последняя книга ученого опять-таки представляла собой фантастическое описание Луны.
В начале повествования Кеплер изображает себя лежащим в постели. Вскоре ему начинает сниться сон, будто он купил книгу, где повествуется о юном исландце Дуракоте, совершающем длительное путешествие к астроному Тихо Браге (одному из учителей самого Кеплера) для того, чтобы усвоить то, что ученые знают о Луне. Спустя несколько лет он возвращается на родной остров и рассказывает своей матери, которая слывет ведьмой, о Тихо и его учениях. К своему крайнему удивлению, он узнает, что его мать знает о Луне значительно больше, чем все астрономы мира, вместе взятые.
Она рассказывает, что на Луне есть горы, более высокие, чем на Земле; есть там и глубокие долины и ущелья. В этих пещерах прячутся от холода в длинные лунные ночи, которые длятся 14 земных суток, местные жители. Внешне они выглядят днем как опаленные сосновые шишки; ночью же эти «шишки» раскрываются и принимают вид животных, которых Кеплер назвал эндимионидами. Причем их разум, душевные качества и способности вполне сравнимы с человеческими.
Интересно, что в своей фантастике Кеплер задумался над тем, о чем другие литераторы ни до него, ни долгое время после него не давали себе труда даже намекнуть. А именно об отсутствии атмосферы между Землей и Луной. Стало быть ни паруса, ни крылья тут не годились.
Не в силах предложить что-либо взамен, Кеплер выкрутился из положения, туманно намекнув, что мать его литературного героя была не только ведьмой, которая, как известно, умеет летать на метле, но еще и лунатиком. А потому в периоды полнолуния она общалась с жителями Луны, так сказать, телепатически. Отсюда и такие обширные познания об их быте, нравах, устройстве самой планеты.
Еще две повести на ту же тему написал и известный путешественник Сирано де Бержерак. Первая из них называлась «Полеты на Луну» (1649), а вторая – «Комическая история государств и империй Солнца» (1652). Многое в этих книгах было заимствовано из работ предшественников.
Однако некоторые способы достижения Луны поражали своей «новизной». Так, автор придумал поднимать «железный экипаж» путем непрерывного подбрасывания вверх кусков магнитной руды; в другом случае для этого использовался ящик с прикрепленными к нему… большими пороховыми ракетами!
Как видите, Сирано практически первым случайно пришел к абсолютно правильному решению – принципу реактивного полета. Однако понадобилось еще 50 лет для того, чтобы Исаак Ньютон мог заявить: реактивная сила действительно существует.
Предшественники Жюля Верна
Кеплер и Сирано, впрочем, были не единственными литераторами Средневековья, которых интересовала тема межпланетных путешествий. Примерно в те же годы в Англии увидело свет еще одно произведение, посвященное путешествию на Луну. Оно называлось «Человек на Луне, или Рассказ о путешествии туда». Автором ее, как ни странно, был епископ Фрэнсис Годвин, известный литературоведам главным образом как составитель скучного биографического каталога английских епископов.
Он отверг предположение Кеплера о существовании безвоздушного пространства между Землей и Луной. По его мнению, воздух на больших высотах и на Луне исключительно нежный и приятный. Он не горячий и не холодный и обладает чудесным свойством предотвращать ощущение голода. Да и вообще Луна в описании Годвина представляет собой сущий рай. Это страна, в которой нет места нужде, беспокойству и войнам. Обитатели ее имеют человеческий облик, что они несколько крупнее, чем люди на Земле. Больший размер указывает на более высокое положение и, по-видимому, на большую мудрость.
Титульный лист еще одной книги Джона Уилкинса «Открытие мира на Луне»
Вслед за Годвином издал свой труд «Рассуждения о новом мире и о другой планете» другой английский епископ, Джон Уилкинс. У него получилось произведение, которое бы мы сегодня назвали научно-популярным. Хотя фантастических преувеличений и допущений в нем тоже было предостаточно. Так, к третьему изданию книги Уилкинс добавил главу, в которой утверждал, что можно построить «летающую колесницу», в которой могли бы разместиться несколько человек. С помощью соответствующих средств, которые, как автор надеялся, наука скоро изобретет, эти люди могли бы управлять своим кораблем и подняться на такую высоту, которая позволила бы им достичь Луны.
Самое интересное, что такая колесница и в самом деле была изобретена в 1677–1679 годах, то есть меньше чем через 50 лет после появления книги Уилкинса. Правда, изобретатель Франческо де Лана-Терци – профессор математики в университете Феррары – описал ее только на бумаге. Но излагал он свои идеи вполне логично. Прежде всего, профессор утверждал, что воздух имеет вес. Далее он заявлял, что можно выкачать воздух из какого-либо сосуда, после чего тот станет легче воздуха и… будет плавать в атмосфере и даже подниматься ввысь.
Однако он не додумался до того, что пустой шар вполне может быть раздавлен атмосферным давлением. Поэтому на практике идею профессора братья Монгольфье реализовали несколько иначе. Они наполнили свой первый воздушный шар нагретым воздухом и дымом.
Вскоре исследователи, начиная с профессора Шарля, пришли тому, чтобы заполнять баллоны аэростатов водородом, гелием и другими газами, которые легче воздуха. Таким образом мечта Уилкинса о «летающей колеснице» была претворена в жизнь. Однако, вопреки надеждам, ни один аэростат не способен долететь до Селены. Тут нужны были новые идеи.
Из пушки на Луну?
«…Раздался ужасный, неслыханный, невероятный взрыв! Невозможно передать его силу – он покрыл бы самый оглушительный гром и даже грохот извержения вулкана. Из недр земли взвился гигантский сноп огня, точно из кратера вулкана. Земля содрогнулась, и вряд ли кому из зрителей удалось в это мгновение усмотреть снаряд, победоносно прорезавший воздух в вихре дыма и огня…»
Так описал Жюль Верн выстрел гигантской «Колумбиады» в своем знаменитом романе «С Земли на Луну», увидевшем свет в 1865 году. Талантливый литератор предугадал многие особенности космического полета. Например, то, что его большая часть будет проходить в невесомости. И приводнился снаряд его пушки в том же районе Атлантики, где многие десятилетия спустя делали то же американские астронавты, возвращаясь с Селены…
И потому, наверное, с той поры изобретателей во всем мире не оставляет желание создать подобную установку на самом деле. Хотя за прошедшие двести с лишним лет с момента публикации романа идея претерпела изрядные изменения.
Так, мюнхенский астроном Макс Вальер, ознакомившись с идеей Жюля Верна, решил, что людей выстреливать из пушки, наверное, не получится. А потому предложил послать на Луну лишь ядро диаметром 1,2 м, вольфрамовая оболочка которого должна быть заполнена свинцом для лучшей баллистики. Металлический ствол пушки (900 м в длину) укреплялся с наружной стороны бетонной «рубашкой». Саму пушку предлагалось разместить где-нибудь на горной вершине высотой не менее 5 км в экваториальной зоне, а для лучшего разгона ядра перед выстрелом из дула следовало выкачать весь воздух.
Одна из идей Жюля Верна о полете на Луну. Книжная иллюстрация
Похожий вариант старта с планеты предлагали и два французских автора – Ж. Фор и К. Граффиньи. Причем для разгона снаряда до возможно большей скорости они советовали использовать наряду с основным зарядом еще и дополнительные побочные, располагавшиеся в боковых камерах и взрывавшиеся последовательно по мере того, как снаряд проскакивал мимо них. Интересно, что позднее, во время Второй мировой войны, аналогичный принцип выталкивания снаряда из ствола гитлеровские конструкторы попытались использовать на практике в многокамерной пушке «Фау-3».
Впрочем, посчитав, что и при постепенном разгоне старт все-таки получится с очень большими перегрузками, в своем следующем проекте те же авторы решили использовать для посылки снаряда на Луну силы природы. И решили поместить 600-килограммовый межпланетный снаряд… в кратер вулкана, который при извержении и должен был выбросить посылку в космос.
Наконец, еще один проект пальбы космонавтами из пушки предложили американцы в 1924 году. Длина вертикально установленной пушки должна была, по их мнению, составить 5,5 км, а снаряд в стволе разгонялся до 11,2 км/с – то есть до второй космической скорости. Пассажиров же от перегрузок должна была предохранить система пружин и гидравлических цилиндров.
Впрочем, ни один из этих проектов не был осуществлен на практике. Человечество пошло другой дорогой – грузы и людей в космос стали вывозить с помощью ракет.
Однако, как известно, ракеты имеют свои недостатки. В самом деле, для того, чтобы сегодня отправить на орбиту более-менее крупный спутник, приходится сжигать огромное количество достаточно дорогого топлива. В итоге каждый запуск обходится в десятки, а то и сотни миллионов долларов.
Больше всего горючего расходует первая ступень. И потому для облегчения и удешевления взлета Артур Грэм, руководитель отдела перспективных разработок компании Babcock & Wilcox, производящей паровые котлы с 1867 года, вместе со своим коллегой, инженером Чарльзом Смитом предложил осуществлять старт ракеты с помощью… паровоза.
Нет, он вовсе не собирался запускать паровоз по рельсам с сумасшедшей скоростью, чтобы затем из следовавшего следом вагона – пусковой установки – запускать ракету. Грэм, занимавшийся разработкой высокотемпературных котлов, работающих при температуре выше 374°С и давлении выше 220 атмосфер, предлагал использовать пар как «толкатель» первой ступени ракеты-носителя.
Расчеты показали, что при температуре в 550°С скорость распространения звука в водяном паре составляет порядка 720 м/с, а при 1650°С – 1030 м/с. Казалось бы, уже неплохо, если забыть, что в конечном итоге ракета для выхода на орбиту должна набрать скорость 7,9 км/с.
Тогда Грэм со Смитом в марте 1961 года подали в НАСА описание «пароводородного ускорителя для запуска космических аппаратов». И – интересное дело! – им в 1964 году был даже выдан США патент за номером 3131597 на «метод и аппарат для запуска ракет».
Инженеры решили использовать двухступенчатую схему. На первом этапе полученный пар сжимал и таким образом разогревал водород, скорость звука в котором существенно выше (при 1650°С – более 3 км/с). А уже водород должен был производить непосредственный разгон космического аппарата.
Аппарат для запуска должен был представлять собой исполинскую суперпушку, ствол которой имел диаметр 7 м и длину 3000 м. Используя идею Жюля Вера, изобретатели предлагали разместить его внутри горы вертикально. Для доступа к «казенной части» гигантского орудия в основании горы пробивались туннели. Там же располагался завод для получения водорода из природного газа и гигантский парогенератор.
Космический аппарат предлагалось устанавливать на платформу, служившую поддоном при разгоне в стволе. Чтобы уменьшить сопротивление разгону, из ствола откачивался воздух, а дульный срез полагалось герметизировать специальной диафрагмой.
Стоимость строительства космической пушки оценивалась в 270 млн долларов. Зато потом пушка может «стрелять» раз в четыре дня, уменьшив стоимость первой ступени ракеты Saturn с 5 млн долларов до 100 тысяч. При этом, согласно расчету, стоимость выведения 1 кг полезной нагрузки на орбиту падает с 2500 долларов до 400.
Для доказательства работоспособности проекта авторы предложили построить макет в масштабе 1: 10 в одной из заброшенных шахт. Однако руководители NASA заколебались: вложив огромные деньги в разработку традиционных ракет, агентство не могло позволить себе потратить еще 270 млн долларов на альтернативную технологию. Кроме того, громадные перегрузки, явно делают невозможным использование суперпушки в пилотируемой космической программе.
Однако времена меняются, и ныне все большее количество специалистов начинает полагать, что присутствие людей в космосе не так уж и необходимо. Более 90 % всех операций дешевле и проще выполнить с помощью автоматов.
«А потому идея Жюля Верна вполне может быть осуществлена в наши дни, – уверяют специалисты НАСА. – Только пушка должна быть не простой, а электромагнитной…»
По идее, такой электромагнитный ускоритель не представляет собой ничего чересчур сложного. Нужно сделать нечто вроде гигантской катушки-соленоида, подобной той, с помощью которой в школьном кабине физики показывают такой «фокус». Внутрь соленоида вкладывают металлический сердечник. А когда на обмотки подают импульс электрического тока, то сердечник под воздействием силы Лоренца получает ускорение и вылетает из катушки, словно снаряд.
Однако вся загвоздка заключается в том, что до сих пор не удалось решить все технические проблемы, связанные с эксплуатацией подобных ускорителей. В частности, до сих пор нет достаточно мощных конденсаторов, которые бы позволили «снаряду» такой пушки достичь первой космической скорости.
Поэтому задача решается поэтапно. Американцы сначала хотят создать электромагнитный стартовый ускоритель, который бы разгонял ракету до 900 км/ч и только с этого момента включались бы ее собственные двигатели. Разработкой подобной технологии вывода полезного груза на орбиту сейчас занимаются ученые и техники Центра космических исследований имени Маршалла, расположенного в г. Хантсвилле, штат Алабама.
Они сконструировали рабочую модель 16-метрового магнитного ускорителя и планируют провести испытания с 14-килограммовой болванкой. Если они окажутся удачными, то в будущем предполагается построить уже 130-метровую «пушку».
И хотя взнос пушки в разгон на первых порах будет мизерный – около 3 процентов от общей тяги, цена вывода груза в космос, как утверждают американцы, может быть снижена в 100 раз! А все потому, что электромагнитный ускоритель будет работать на самом тяжелом участке пути, когда нужно разогнать огромную массу.
