На главную Тексты книг БК Аудиокниги БК Полит-инфо Советские учебники За страницами учебника Фото-Питер Настрои Сытина Радиоспектакли Детская библиотека

Ракеты будущего. Бурдаков, Данилов. — 1991 г.

Валерий Павлович Бурдаков
Юрий Иванович Данилов

Ракеты будущего

Научно-популярная
библиотека школьника

*** 1991 ***


PDF

 


  HAШA PEKЛAMA:
  500 советских радиоспектаклей в MP3 на 9-ти DVD или на карте 64GB  

BAШA ПОМОЩЬ ПРОЕКТУ:  
РАБОТАЕМ БЛАГОДАРЯ ВАМ  


ПОЛНЫЙ ТЕКСТ КНИГИ (без формул)

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие 3
Введение 5
1. Зачем изучают и как осваивают космос 10
2. На пути к космической ракете 23
3. «Бронтозавры» ракетной техники 34
4. Наука на службе космонавтики 43
5. Альтернатива «звездным войнам» 53
6. Атом и ракета 60
7. Золотой дирижабль 69
8 Что такое внешние ресурсы 76
9. Авиация — космонавтика 84
10. Космические труженики 98
11. Эффективность, термодинамика и космический туризм 103
12. Физика и космонавтика 112
13. Техника соседей по разуму? 118
14. Надо ли заряжать Луну? 127
15. Адрес — ОИСЗ 136
16. Космические двигатели 143
17. Космический прямоточный двигатель 149
18. Фотонная ракета 156
19. Возможна ли антигравитация? 165
Заключение 172


      ПРЕДИСЛОВИЕ
      Более десяти лет минуло после выхода первого издания книги. В Советском Союзе за это время созданы и успешно эксплуатируются пилотируемые космические корабли «Союз-ТМ» и долговременная орбитальная станция нового поколения «Мир». 15 мая 1987 года прошло первое летное испытание универсальной ракетно-космической транспортной системы (УРКТС) «Энергия». Второй успешный полет УРКТС «Энергия» с кораблем многоразового использования «Буран» проведен 15 ноября 1988 года. В США, начиная с 1980 года, эксплуатируется система «Космический челнок» с многоразовыми космическими пилотируемыми кораблями.
      За это время мы получили большое количество читательских отзывов с поздравлениями (книга была отмечена дипломом Всесоюзного конкурса научно-популярной литературы), с благосклонной констатацией подтверждения наших прогнозов последующим развитием космонавтики, с доброжелательной критикой и дружескими напутствиями. Учитывая просьбы читателей, нам пришлось более внимательно переработать материал книги, добавить новый материал (гл. 4, 5, 10), учесть последние научные и технические достижения.
      В частности, работа над проблемами термодинамического анализа применительно к биологическим объектам различного уровня — от живой клетки до ноосферы Вернадского — привела к открытию одного весьма важного положения. Оказывается, устойчивое состояние всех биологических объектов, в том числе человеческого общества, а также его всевозможных структур, требует адекватного решения всего лишь пяти жизненно важных взаимосвязанных проблем: энергетической, информационной, технологической, транспортной и экологической. До этого считалось, что общество — организм весьма сложный, во многом непонятный, многомерный, а поэтому методами точных наук не анализируемый и не прогнозируемый. Установленное положение имеет, конечно, много практических следствий, однако уместно отметить прежде всего, что работа эта началась с анализа сложных космических тяговых систем, а точнее, с разработки и применения методов обобщенного термодинамического анализа сложных систем. И далее, применив методы синтеза общественных, естественных и технических наук (прежде всего, экономики, математики и термодинамики), удалось получить важный прогностический вывод: энергетическое, информационное, технологическое, транспортное и экологическое обеспечения разумной жизни на длительную перспективу возможны только благодаря развитию космонавтики. В этом свете прогноз облика, состава, характеристик и областей применения ракет будущего приобретает глобальное значение как один из важнейших факторов не только существования, но и развития земной цивилизации.
      Насколько это нам удалось — судить читателю, предложения и критические замечания которого мы примем с благодарностью.
      Авторы
     
      ВВЕДЕНИЕ
      Грандиозные успехи космонавтики приковали к ней внимание широких слоев общества практически всех стран и континентов. Космонавтика — это самое прогрессивное оборудование, самые точные станки и инструменты, самые совершенные материалы, самая передовая технология, самые новые достижения науки. Космонавтику, в известном смысле, можно назвать надеждой человечества, так как то, чем сегодня располагает космонавтика, завтра станет нормой обыденной жизни.
      А можно ли заглянуть в будущее космонавтики? Можно ли представить, как изменится с годами один из основных ее инструментов — космическая ракета? Этот вопрос интересует людей не только с познавательной, но и с чисто практической целью. Что ждет человечество завтра? Какую роль будут играть ракетная техника и космонавтика в улучшении благосостояния людей? Что необходимо предусмотреть для безбоязненного предвидения будущего и смелой практической деятельности, направленной к его осуществлению?
      Ответить на подобные вопросы можно, только зная перспективу развития ракетно-космической техники. Науку, позволяющую предвидеть будущее, называют прогнозированием. Прогнозирование бывает краткосрочным и долгосрочным. Для того чтобы разработать прогноз эволюции космической ракеты, необходимо представить ее структуру во всех деталях, определить их связь между собой и с окружающими (внешними) факторами. Затем нужно поставить задачу исследования и определить методы, с помощью которых она может быть решена. Наконец, требуется разработать критерии сравнения, по которым можно будет характеризовать эффективность прогнозируемого объекта.
      Обычно краткосрочные прогнозы в ракетной технике касаются улучшения конструкции ракет, совершенствования технологии их производства, применения новых материалов и новых химических топлив, запасаемых на борту ракеты. Таким образом, краткосрочное прогнозирование предусматривает определение более широкого спектра технических характеристик в рамках хорошо известного принципа создания реактивной тяги: бортовые запасы топливных компонентов сгорают в камере двигателя и выделяемое при этом тепло преобразуется в механическую энергию истечения продуктов сгорания.
      Долгосрочное прогнозирование затрагивает практическое использование новых физических принципов, которые могут лежать в основе создания тяговых усилий в ракетах будущего. Для такого прогнозирования необходимо знать возможные достижения естественных и технических наук. В этом случае изучают уже не ракету, а тяговую систему, т. е. устройство, предназначенное для доставки полезного груза в заданную точку пространства или для сообщения ему определенных кинетических параметров. (Полезный груз — это искусственный космический объект, непосредственно предназначенный для выполнения космической задачи.)
      Полезный груз, доставляемый в космос современными космическими ракетами, — сложное инженерное сооружение, стоимость которого сравнима и даже может превосходить стоимость ракеты-носителя. Проектирование и отработка функционирования полезных грузов, особенно пилотируемых кораблей, представляют собой трудоемкую и технически сложную инженерную проблему. Большие перегрузки и невесомость, сверхнизкие и чрезвычайно высокие температуры, вибрации, космический вакуум, ионизирующее излучение всех видов — вот далеко не полный перечень тех воздействий, которым подвергается полезный груз и при которых он должен сохранять работоспособность. По-видимому, с появлением новых тяговых систем — космических транспортных средств, которые по аналогии с другими видами транспорта будут многоразовыми и в известном смысле универсальными, — появится понятие транспортируемый груз. Тем не менее современная космическая ракета-носитель — это один из простейших типов тяговых систем, предложенных еще К- Э. Циолковским.
      Термин транспортируемый груз аналогичен термину коммерческий груз в авиации или на других фрахтуемых видах транспорта. В настоящее время в СССР существуют транспортные пилотируемые космические корабли серии «Союз-TM» и транспортные космические беспилотные корабли «Прогресс», которые успешно обслуживают длительные экспедиции на орбитальной станции «Мир». Известно, что в США транспортные пилотируемые корабли «Аполлон» обслуживали орбитальную станцию «Скайлеб». Во всех перечисленных случаях можно было определенную часть доставляемого на орбиту груза назвать транспортируемым, поскольку он загружался на Земле и выгружался на орбите. Однако доля его была мала, назначение заранее определено, а понятия «фрахта», обычного для транспортных операций, не существовало.
      Перечислим основные принципы, характеризующие этот классический тип ракет: вся необходимая для движения энергия запасается на борту ракеты в виде химической энергии топливных компонентов или просто топлива; в качестве отбрасываемой реактивной массы используются продукты его сгорания, т. е. вся реактивная масса также запасается на борту ракеты; запасенная на борту энергия и реактивная масса однозначно связаны между собой, так как ракетное топливо является носителем и того, и другого; потенциальная (скрытая) химическая энергия преобразуется в тепло посредством реакции окисления, а выделенное тепло превращается в механическую работу реактивной струи.
      В настоящее время широко изучаются возможности и разрабатываются проекты тяговых систем будущего, в основу работы которых заложены другие, более перспективные принципы: использование внешних, т. е. не запасаемых на борту, ресурсов массы и энергии, применение бортовых аккумуляторов ядерной энергии, получение тягового усилия за счет сил дальнодействия (например, магнитного или электростатического взаимо-
      действия летательного аппарата с внешними полями). Именно такие системы и являются основой долгосрочных прогнозов в ракетно-космической технике.
      По сути дела, прогнозы в области ракетной техники и энергетики в настоящее время определяют и прогнозы развития человечества. Все люди мира знают, что созданные в Советском Союзе первая атомная электростанция и первый в мире искусственный спутник Земли являются практическим доказательством возможности использования новой техники в мирных целях. Благодаря усилиям Советского Союза, а затем и других стран и ядерная энергетика, и ракетная техника превратились в необходимый фактор развития человечества.
      Вот почему и энергетика, и ракетная техника будущего вызывают такой огромный интерес во всем мире. По этой же причине на прогнозы в этих развивающихся в тесном контакте областях знаний затрачиваются огромные средства, разрабатываются новые, сложные методы прогнозирования привлекаются самые современные электронно-вычислительные машины. Результаты прогнозов в развитии энергетики и ракетной техники нередко становятся причиной изменения планов деятельности научных центров, предприятий, а иногда даже определяют политику некоторых государств. Возможна ли в будущем «космическая» война? Реальны ли измышления некоторых буржуазных политических деятелей, журналистов и писателей-фантастов о «физике ужасов» — новых физических открытиях, способных по воле одного маньяка уничтожить все человечество, всю цивилизацию? Как будет развиваться человечество? Каковы перспективы науки и техники? На все эти вопросы люди хотели бы получить ответ. Но готовый ответ мало кого теперь устраивает. Природа человека такова, что с наибольшим доверием он нередко относится именно к тем выводам, которые сделаны им самостоятельно. Это же относится и к прогнозированию.
      Уже не обсуждается, можно ли использовать ракеты и новые источники энергии в мирных целях. Давно доказано, что можно. Проблема теперь заключается в повышении безопасности и рентабельности ядерной энергетики и космических средств. Рентабельность некоторых космических средств не вызывает сомнения уже в настоящее время. Прогнозирование погоды с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ) типа «Ме-
      теор» и «Прогноз», космическая телефонная, радио-и телевизионная связь с помощью ИСЗ типа «Молния», «Экран», «Горизонт», космическая разведка земных ресурсов с беспилотных ИСЗ типа «Ресурс», обитаемых кораблей-спутников и долговременных станций стали для нас уже привычными. В недалеком будущем космическая металлургия, космическое растениеводство, космические электростанции, передающие энергию земным потребителям, а также космические транспортные сообщения между материками прочно войдут в нашу жизнь.
      Предлагаемая научно-популярная книга преследует очень скромную цель — ознакомить читателей, интересующихся проблемами космонавтики, с возможными путями развития космических тяговых систем, в частности космических ракет. В большом количестве писем, полученных после выхода в 1969 году нашей книги «Физические проблемы космической тяговой энергетики», выражается просьба о популярном изложении материала для неподготовленного читателя. Это мы и стараемся сделать. Разумеется, в книгу включены и некоторые новые материалы, появившиеся в отечественной и зарубежной технической литературе, а также материалы отечественного учебного пособия по космонавтике и нашей книги, вышедшей в 1976 году.
     
      ЗАЧЕМ ИЗУЧАЮТ И КАК ОСВАИВАЮТ КОСМОС
      В 1914 году отдельной брошюрой вышло дополнение к «Исследованию мировых пространств реактивными приборами». Брошюра начиналась следующими словами К- Э. Циолковского: «Интересующиеся реактивным прибором для заатмосфер-ных путешествий и желающие принять какое-либо участие в моих трудах, продолжить мое дело, сделать ему оценку и вообще двигать его вперед так или иначе, — должны изучить мои труды, которые теперь трудно найти: даже у меня только один экземпляр. Поэтому мне хотелось бы издать в полном виде и с дополнениями « Исследование мировых пространств реактивными ври-борами». Пусть желающие приобрести эту работу сообщают свои адреса. Если их наберется достаточно, то я сделаю издание с расчетом, чтобы каждый экземпляр (6 — 7 печатных листов, или более 100 страниц) не обошелся дороже рубля. Предупреждаю, что это издание весьма серьезно и будет содержать массу формул, вычислений и таблиц. Для сближения с людьми, сочувствующими моим трудам, сообщаю им мой адрес: Калуга, Коровинская, 61, К. Э. Циолковскому».
      Космические исследования в настоящее время стали настолько обыденным делом, а литература по этому вопросу, включающая периодические издания и монографии, статьи и популярные брошюры, так многочисленна, что у неподготовленного читателя может сложиться впечатление о некотором пределе знаний, своего рода насыщении в этой области исследований. Иной читатель может задуматься о том, стоит ли затрачивать столько усилий и материальных средств на их продолжение. Действительно, вслед за каскадом открытий и сенсаций, свидетелями которых мы были в 60-х годах, началась планоглерная, можно даже сказать будничная исследовательская работа, направленная на уточнение уже открытых явлений, обобщение многочисленных данных, разработку новых космических средств. Для новых штурмов космоса может потребоваться принципиально новая техника, в частности более мощные, экономичные и универсальные тяговые системы. На создание этих систем уйдут годы напряженного труда, значительные материальные затраты, в работах будут заняты большие коллективы. Не лучше ли все эти усилия и средства направить, например, на расширение работ по освоению мирового океана, на развитие транспорта, сельского хозяйства?
      Читателям, думающим таким образом, мы ответим словами великого русского ученого А. Г. Столетова: «...едва ли есть более поучительная мерка развития человечества, как история наших воззрений на жизнь космоса». Эти слова написаны во время юности К- Э. Циолковского, которого впоследствии весь мир узнал как первого теоретика космонавтики. Все свои труды и всю жизнь К- Э. Циолковский — величайший гуманист, талантливейший ученый — посвятил лучшему будущему человечества. В настоящее время полностью подтвердились его блистательные прогнозы о неизбежности появления реактивных самолетов, искусственных спутников Земли, о первых шагах человека в космос, об овладении ядерной энергией. Именно эти достижения характеризуют XX век. Слова К- Э. Циолковского2 «человек во что бы то ни стало должен одолеть земную тяжесть и иметь в запасе пространство хотя бы Солнечной системы» могут стать девизом новых работ в области космонавтики. В их основе, как и в основе любых работ, должны, таким образом, лежать практические нужды человечества. Что же это за нужды? В книге известного американского ученого в области космонавтики Фертрег-та в главе «Зачем нужны межпланетные путешествия» говорится: «Социологи обеспокоены не только ростом численности населения земного шара, но также и ростом потребления». Иначе говоря, делается намек на то, что человечеству со временем будет тесно на Земле. В отличие от К- Э. Циолковского, который называл Землю «колыбелью разума», Фертрегт пишет: «С самого начала Земля являлась своего рода тюрьмой для человека». Межпланетные путешествия ученый именует «избавлением от притяжения Земли в прямом и переносном смысле».
      С этими утверждениями вряд ли кто из грамотных читателей может согласиться, так как космонавтика преследует прежде всего сугубо «земные» цели. Она эффективно решает прежде всего проблемы сегодняшнего дня, хотя перспективы ее безграничны.
      В настоящее время укоренились два термина: исследование космоса и освоение космоса, которые обозначают две стороны развития современной космонавтики, определяя состав и основные характеристики выводимых в космос полезных грузов.
      Рассмотрим сначала цели и задачи исследования космоса. Эта работа была начата еще в глубокой древности. Древние греки Мир, или Вселенную, называли Космосом, что в буквальном переводе означает порядок. Современный космос включает в себя всю Вселенную, в том числе Землю, околоземное и межпланетное пространство. Таким образом, термин космонавтика более правильно отражает суть дела, чем термин астронавтика, принятый в США и являющийся производным от греческого слова астра — звезда.
      Задачи исследования космоса весьма многочисленны, но их можно разбить на четыре характерные группы: расширение наших представлений о природе, изучение условий эксплуатации космических систем, практическое использование ресурсов космоса и факторов космического полета, использование космоса в качестве полигона для испытаний технических сооружений.
      Рассмотрим эти задачи более подробно.
      Космос — это уникальная природная лаборатория, позволяющая человечеству познавать окружающий мир, овладевать с пользой для себя его законами. Вспомним, что именно космические наблюдения позволили Галилею, Кеплеру, Ньютону сформулировать законы механики, а Эйнштейну — законы теории относительности. Благодаря изучению космического излучения была открыта такая элементарная частица, как позитрон, а также установлены физические законы взаимодействия частиц при сверхвысоких энергиях, значительно превышающих энергии, сообщаемые частицам в гигантских ускорителях.
      Широк и многообразен арсенал научно-технических средств для изучения космоса. Практически все обширные знания о нем, накопленные человечеством к настоящему времени, были получены с помощью астрономических исследований, проводимых с Земли. Начало этим исследованиям положил Галилей в 1610 году. Направив изобретенную им «зрительную трубу» на небо, Галилей открыл дискретную структуру Млечного Пути, спутники Юпитера, причудливый рельеф Луны — одним словом, произвел переворот в существовавших тогда представлениях о космосе. Свои открытия великий итальянский ученый описал в знаменитом «Звездном вестнике», с которого и начались планомерные исследования. Сначала наблюдения, затем их систематизация, после чего осмысливание и рождение гипотез и, наконец, по мере их подтверждения другими наблюдениями возникновение строгих теорий строения мира — вот путь, по которому до недавнего времени развивалась астрономия. В настоящее время теория «идет в ногу» с экспериментом, с наблюдениями. Наблюдения зачастую выполняются по заказам физиков-теоретиков. Ведутся, например, интенсивные поиски «черных дыр» — сколлапсировав-ших, т. е. мгновенно сжавшихся под воздействием мощного собственного гравитационного поля, неустойчивых гигантских звезд, масса которых превышает массу Солнца в 2,5 раза и более. Расширяются работы по обнаружению внеземных цивилизаций. Обсуждаются сложнейшие эксперименты по отысканию в космических лучах гипотетических мельчайших частиц мироздания — кварков, имеющих дробный электрический заряд.
      Наряду с этим продолжаются и обычные астрономические наблюдения. Внушительные потомки изобретенного Галилеем и усовершенствованного М. В. Ломоносовым телескопа-рефрактора, изобретенного И. Ньютоном отражательного телескопа-рефлектора, телескоп Шмидта, менисковый телескоп Максутова в сочетании со спектрографами, интерферометрами, фоторезисторами, фотоумножителями и многими другими современными приборами и устройствами стали неотъемлемой принадлежностью любой значительной астрофизической обсерватории. Все эти приборы получают информацию в оптическом диапазоне электромагнитного излучения, иначе говоря, в видимом свете. Дальность их действия составляет примерно 5 млрд. световых лет.
      В 2 раза большую дальность приема информации из космоса обеспечивают радиотелескопы, разрешающая способность2 которых может быть увеличена, как и для оптических телескопов, посредством применения интерференционных систем (сдвоенных радиотелескопов).
      Советский Союз имеет самые крупные в мире инструменты — отражательный телескоп БТА с диаметром зеркала 6м и радиотелескоп РАТАН-600, антенна которого выполнена в виде кольца диаметром 600 м.
      С развитием космонавтики все традиционные астрофизические приборы получили возможность быть вынесенными за пределы земной атмосферы. Кроме того, стало возможным применять совершенно новые виды астрофизической аппаратуры, принимающей информацию в диапазоне малых длин волн (ультрафиолетовых, рентгеновских и у-лучей), поскольку в космосе нет экранирующего влияния земной атмосферы. Так называемая внеатмосферная астрономия, которая раньше использовала для подъема аппаратуры воздушные шары и аэростаты, получила прочную экспериментальную базу в виде космических кораблей и орбитальных станций.
      Исследование физики космического пространства необходимо не только астрофизикам, но и создателям космических аппаратов. С какими космическими массами может взаимодействовать летательный аппарат, каковы энергетические ресурсы космоса, какие виды поля (гравитационного, магнитного, электрического) характерны
      1 Один световой год равен 9,46-1012 км.
      2 Величина, пропорциональная отношению длины волны падающего излучения к диаметру объектива телескопа или приемной антенны радиотелескопа.
      для различных участков Вселенной — все эти данные могут существенно повлиять на облик и конструкцию будущих космических аппаратов. Пока что все космические аппараты проходят экспериментальную отработку в земных лабораториях. Построены огромные барокамеры, в которых создается космический вакуум. В некоторых барокамерах имитируются воздействующие на испытываемый объект солнечное излучение, корпускулярные и тепловые потоки. Ставится вопрос о создании барокамер, устанавливаемых на летающих лабораториях невесомости (невесомость возникает при выполнении самолетом так называемой «горки Кеплера»). Очевидно, что для правильной имитации условий космического пространства необходимо хорошо знать эти условия, изучать их всеми имеющимися средствами.
      Практическое использование ресурсов космоса уже в настоящее время можно наблюдать в земных тепло-энергосистемах (использование солнечной энергии), а тем более в космических (применение солнечной энергии для получения электрической энергии, для ориентации объектов, при этом используется как тепло для нагрева рабочего тела движителей, так и непосредственное давление солнечных лучей на специально подготовленные поверхности; использование гравитационных полей планет для изменения траекторий движения искусственных небесных тел и их ориентации; использование для ориентации околоземного магнитного поля). В дальнейшем предполагается широкая утилизация не только энергетических, но и массовых ресурсов космического пространства в сочетании с факторами космического полета, причем уже сейчас представляется, что эти ресурсы могут быть нужны не только для получения тягового усилия в новых космических тяговых системах, не только для восстановления космических объектов или для их совершенствования в процессе сверхдлительных межзвездных перелетов, но и как сырье для организуемых в космосе высокоэффективных технологических и энергетических процессов. Космонавтика сегодняшнего дня делает в этом направлении только первые шаги. Рентабельность космонавтики еще не стала основным аргументом необходимости ее широкого развития. О рентабель-
      Известно, например, что американский спутник «Эхо», выполненный в виде тонкой сферической заполненной газом оболочки, изменял под действием давления солнечных лучей свою траекторию.
      ности исследования космоса сегодня можно говорить с таким же «успехом», как и о рентабельности исследований Антарктиды или Мирового океана. Целесообразность ассигнований на нужды космонавтики вызвана в настоящее время такой же примерно необходимостью, как и целесообразность ассигнования на решение ряда проблем здравоохранения, на образование, на нужды культуры и науки. Во всех случаях непосвященному человеку видны только первоначальные затраты, особенно если они весьма значительны. Конечный же результат, во-первых, отдален по времени, а во-вторых, не имеет зачастую четкой формулировки, кроме очевидного, но весьма неубедительного тезиса: ведет к прогрессу человечества, ведет к прогрессу его фундаментальных знаний.
      Неисчерпаемы ресурсы космоса и факторы космических полетов — безграничное пространство, невесомость, вакуум и вместе с тем комплекс самых разнообразных физических условий, огромные запасы энергии и вещества, наличие полного спектра химических элементов и многих веществ, многообразие проявлений поля и, наконец, предполагаемая жизнь в глубинах космоса разумных существ. Большинство фундаментальных физических, химических, биологических и других исследований, проводимых институтами Академии наук СССР, по сути дела, базируются либо на воссоздании тех или иных космических условий в земных лабораториях (гигантские ускорители частиц, термоядерная установка «Тока-мак» и т. п.), либо на информации, полученной из глубин космоса с помощью радиотелескопов, оптических телескопов и т. п. Таким образом, исследование космоса — это фундаментальное научное направление, а освоение ресурсов космоса и факторов космического полета — насущная задача человечества не только в будущем, но и в настоящее время.
      Использование космоса в качестве полигона для испытаний технических сооружений и систем опять-таки связано с тем, что в земных условиях трудно подчас создать условия, необходимые для ряда технологических и энергетических процессов. Так, создание в больших объемах высокого вакуума связано с необходимостью применять сложные откачивающие системы, а сам процесс откачки газа занимает несколько дней. В космических же условиях подобной проблемы не существует.
      Цели, задачи и проблемы освоения космоса, т. е. проникновения человека или продуктов его созидательного труда в космическую среду, весьма многообразны. Необходимость и возможность освоения космоса человеком обосновал основоположник космонавтики К. Э. Циолковский, который считал, что проникновение в космос — это следствие диалектического закона природы: неизбежность неуклонного распространения наиболее жизнеспособных и биологически устойчивых организмов, т. е. людей, способных преобразовывать природу наиболее целесообразным образом.
      Вся жизнь К- Э. Циолковского, до самозабвения преданного своим идеям, была отдана разработке полезных для человечества научно-технических, социальных, философских и других идей и проблем. Неся тяжелые личные утраты, испытывая материальные лишения, практически до самой смерти не понятый многими довольно прогрессивными и видными учеными, К- Э. Циолковский изо дня в день все глубже проникал в совершенно неизвестную область человеческих знаний — космонавтику. Он же впервые в мире сформулировал и основные задачи освоения космоса:
      освоение околоземного пространства; освоение ближайшего небесного тела — Луны; освоение планет Солнечной системы или их спутников; освоение Солнечной системы.
      Можно перечислить и более отдаленные задачи:
      полеты к звездам;
      встреча с другими цивилизациями;
      освоение нашей Галактики;
      освоение других галактик.
      Эти задачи в наши дни уже не выглядят фантастическими, и над ними уже сейчас думают ученые всех стран мира. Нет нужды обосновывать важность выполнения первых трех задач. Успехи, которые уже достигнуты отечественной и мировой космонавтикой, красноречиво говорят сами за себя. Полеты на околоземные орбиты, доставка на Землю образцов лунного грунта, получение сведений о Марсе и Венере с помощью спускаемых аппаратов представляются в настоящее время если не будничными делами, то уж во всяком случае не сверхсенсациониыми.
      Освоение околоземного пространства приведет, как показывают комплексные исследования с привлечением общественных, естественных и технических наук, а прежде всего экономики, математики и термодинамики, к глобальным положительным сдвигам земной экономики, промышленности, да и самой жизни. Основные жизненно важные потребности людей, т. е. энергетика, информатика, технология, транспорт и экология , будут удовлетворяться в значительной мере за счет использования космических средств. В их числе следует отметить космические солнечные электростанции (КСЭС), подающие энергию земным потребителям, воздушно-космические самолеты (ВКС), осуществляющие пассажирские и грузовые транспортные операции между материками, орбитальные космические заводы (ОКЗ), орбитальные накопители и распределители информации (ОНРИ) и, наконец, космические средства экологической безопасности (КСЭБ). Все перечисленные средства будут располагаться на полярных, экваториальных и промежуточных орбитах искусственных спутников Земли различной высоты, включая и геостационарные. Потребностями человечества будут рождены новые науки, такие, например, как «география космического обслуживания», «экоматермика» (синтез экономики, математики и термодинамики) и др.
      Освоение Луны будет, очевидно, дополнять серию обеспечивающих земную жизнь космических средств.
      Освоение планет Солнечной системы или их спутников еще на долгое время останется трудноосуществимым делом. В то же время исследование планет и их спутников имеет важнейшее научное значение и будет происходить все возрастающими темпами. Можно предположить, что организация производственных поселений на Марсе начнется только тогда, когда люди приобретут опыт в различных видах деятельности на Луне.
      Освоение Солнечной системы будет, очевидно, заключаться не только в освоении планет и их спутников, но и в расселении человечества по словам К. Э. Циолковского) в «эфирном пространстве».
      Полеты к звездам — дело будущего, если говорить о полете человека. Автоматические летательные аппараты могут быть отправлены к ближайшим звездам уже в XXI веке. Вероятнее всего, как это случилось с первой высадкой людей на Луну, полеты к звездам начнутся задолго до того, как это будет продиктовано практической необходимостью развития человечества. Естественно, что первые межзвездные полеты будут носить сугубо исследовательский характер.
      Встреча с другими цивилизациями — это самостоятельная задача не только космонавтики, но и астрономии, астрофизики и биологии. Определение физических условий, при которых возможна жизнь вообще, определение условий возникновения разумной жизни и возникновения цивилизации, выяснение закономерностей развития цивилизаций в космических масштабах — всеми этими вопросами современная наука занимается довольно много. Изучаются также проблемы поиска внеземных цивилизаций. К сожалению, в настоящее время пока не обнаружены даже признаки таких цивилизаций, однако предполагается, что в нашей Галактике должны существовать кроме нас еще две-три «космических», т. е. стоящих на высоком уровне технического развития общества, цивилизации. Многие же ученые считают в настоящее время, что жизнь в космосе — это, скорее, правило, чем исключение.
      Освоение нашей Галактики станет возможным, по-видимому, после того, как удастся установить связь с другими высокоразвитыми цивилизациями.
      Освоение других галактик — проблема, которую пока не берутся затрагивать даже писатели-фантасты. А между тем вопрос требует изучения, так как он поднимает проблемы, связанные с необходимостью возникновения, «предназначением» и возможностью дальнейшего совершенствования человечества и разумной жизни вообще. Это также вопрос о масштабах направленного воздействия человечества на природу. Уже сейчас можно назвать работы (в основном, философского характера), авторы которых пытаются ответить на подобные вопросы. Вот, например, как осторожно, в форме вопроса излагается мысль Г. Ф. Хильми2: «Быть может, высшим формам жизни суждено, активно расширяя и закрепляя область своего распространения, стать организатором Вселенной». А. Д. Урсул и Ю. А. Школен-ко ограничиваются, по сути дела, лишь критикой взглядов буржуазных философов на проблемы «космической философии», противопоставляя им утверждение о том, что «для скорейшего продолжения этого своеобразного кризиса «космического сознания» требуется активная работа философов-марксистов...». Наша точка зрения заключается в том, что жизненные процессы препятствуют возрастанию энтропии тех объемов пространства, которые находятся под контролем разума. Следовательно, признаки разума следует искать в упорядоченных космических явлениях или в явлениях, не подчиняющихся обычным вероятностным представлениям, вытекающим из известных физических законов. Мысль о том, что термодинамическая функция энтропия, выраженная в обобщенном и безразмерном виде, помогает изучать информационно-мыслительные процессы, принадлежит К- Шеннону и Н. И. Кобозеву2. Нам хотелось бы думать, что в более общем виде с помощью обобщенной безразмерной энтропии3 станет возможным изучать информационно-мыслительно-созидательные процессы4.
      Поиск упорядоченных природных явлений, включая и проявления жизни, — дело весьма трудное и малоизученное, относящееся к компетенции нелинейной неравновесной термодинамики открытых систем. Совсем недавно этой наукой были открыты условия, описывающие появление упорядоченных явлений и в неживой природе5.
      В заключение главы о целях и задачах космонавтики целесообразно сказать несколько слов о темпах ее развития.
      В 1957 году был запущен первый в мире ИСЗ, а 12 апреля 1961 года совершил свой исторический полет Ю. А. Гагарин. Вскоре после этого события по решению президента Д. Кеннеди и Конгресса США были выделены на осуществление «национальной программы» — высадки американцев на Луну (проект «Сатурн-5» — «Аполлон») — огромные ассигнования (25 млрд. дол.). Над проектом и доводкой системы в течение 15 лет трудились более 250 тыс. инженеров и рабочих. В работе принимало участие около 2000 больших и малых предприятий США. В процессе выполнения этой работы были решены многочисленные технические, организационные, административные, психологические, научные, политические и другие проблемы. И вот, наконец, в июне 1969 года первый человек Земли Н. Армстронг ступил на поверхность другого небесного тела, ознаменовав тем самым еще один шаг в покорении космического пространства и подтвердив беспредельные возможности технического прогресса человечества. Противники освоения космоса продолжали по-прежнему считать, что затраты по сравнению с полученными результатами слишком велики: каждая секунда пребывания на Луне экипажа «Аполлон-12» стоила 30 тыс. дол., каждый килограмм лунного грунта, доставленного на Землю, стоил 1 млрд. дол. Большое распространение получила фраза крупнейшего физика М. Борна о том, что путешествие в космическое пространство является не только триумфом человеческой мысли, но и трагическим поражением рассудка, а также высказывание одного из американских социологов, считавшего, что космос дает концентрацию искусственной сенсации и развлечения: три человека исследуют Луну, а сотни тысяч наблюдают за их подвигом, ограничивая свои усилия прокручиванием ручек телевизоров. Подобные взгляды устраивали политиков и бизнесменов США. «Экономические» расчеты были еще явно не в пользу космонавтики.
      Постепенное планомерное развитие космонавтики в Советском Союзе, очевидные успехи астронавтики США, деятельность других стран в этом же направлении позволили накопить важный экспериментальный материал и однозначно установить несомненные преимущества и рентабельность космонавтики. Оказалось, что по самым скромным расчетам, проведенным в США , съемки панорамы земной поверхности из космоса в 5 — 10 раз дешевле аэрофотосъемки. Применение метеоспутников в нашей стране более чем на порядок увеличивает эффективность службы предсказания погоды, позволяет ежегодно экономить 500 — 700 млн. руб. В лесном хозяйстве ежегодная экономия составляет 200 млн. руб. При изучении природных ресурсов с использованием станции «Мир» только в 1987 г. получен доход 2 млрд. руб. В 1988 году, как утверждает член-корреспондент АН СССР Б. Е. Чертой , доход от нашей космонавтики составил также около 2 млрд. руб. Доход — это превышение над затратами, которые для отечественной космонавтики (без оборонных ассигнований) весьма незначительны: в 1988 году они составили всего 1,343 млрд. руб., т. е. на 1 руб затрат космонавтика уже дает 1,5 руб. прибыли.
      Постепенно стало очевидным, что в некоторых областях науки и народного хозяйства, таких, как геодезия, связь, навигация, океанография, метеорология, астрономия, гидрология, геология, лесное хозяйство, сельское и рыбное хозяйство и т. п., применение космических средств не только уже рентабельно, но в ряде случаев и незаменимо. По-видимому, отечественная космонавтика требует более высоких ассигнований, как и любая другая прибыльная отрасль народного хозяйства. Заметим для сравнения, что в США на 1989 год было запланировано на космос 27 млрд. дол. Оценка стоимости одной только пилотируемой экспедиции на Марс составляет около 190 млрд. дол.
      Создание «Космического челнока» в США и УРКТС «Энергия» — «Буран» в СССР ознаменовало новый, мощный подъем развития космической техники, который прежде всего коснулся основы космонавтики — ракеты. Ведь именно возможности космической ракеты определяют массу полезного груза, высоту орбиты, на которую его можно вывести, наклонение и форму этой орбиты.
     
      НА ПУТИ К КОСМИЧЕСКОЙ РАКЕТЕ
      Цель нашей книги — рассказать о ракетах будущего. А что такое вообще ракета? Какова ее история? Ведь не зная истории возникновения космической ракеты, нельзя предсказать и ее будущее.
      Поэтому начнем с истории.
      Первые упоминания о ракетах встречаются в древнекитайских летописях, в древней индийской и греческой литературе, а также в древнерусских летописях. Существуют сведения об открытии в Москве в 1680 году «Ракетного заведения». Первый фундаментальный труд «О боевых ракетах», принадлежавший перу К. И. Константинова, крупного военного специалиста, вышел в Париже в 1861 году. Проекты первых отечественных пороховых ракет были разработаны Н. И. Тихомировым в 1894 году. Но история космических ракет тогда еще не началась. Разумеется, и боевые ракеты, и фейерверки влияли на развитие человеческой фантазии. В известных описаниях-путешествий на Луну французский писатель Сирано де Бержерак упоминает и ракету. Ракеты как аппараты для полета фигурируют во многих литературных произведениях фантастического жанра. Однако наряду с ракетами упоминаются и другие средства: у Сирано де Бержерака обсуждается полет на лебедях, Жюль Верн предпочитает пушечное ядро, Г. Уэльс — новый материал «кэйворит», экранирующий тяготение, и т.д.
      История космической ракетной техники и космонавтики знает немало славных имен, в их числе великий русский ученый К. Э. Циолковский, который в 1883 году пришел к мысли о возможности использования реактивного движения для создания межпланетных летательных аппаратов. В XIX веке практически один только он писал о возможности использования ракеты как космического летательного аппарата, жизненно необходимого для будущего развития человечества.
      Многие зарубежные исторические исследования рассматривают историю космонавтики и историю ракетной техники как единое целое. Тем самым допускается, зачастую преднамеренно, путаница в оценке одного из самых прогрессивных и широких в научном, социальном и техническом отношениях устремлений разума — космонавтики — и сугубо военно-технического, частного, ограниченного рамками одного или нескольких государств направления — ракетной техники. Вот, например, как характеризует свою роль в развитии космонавтики известный немецкий специалист Г. Оберт2: «Через 14 дней у меня было готово щелевое сопло, а еще через 7 дней можно было испытывать коническое сопло. Таким образом, дверь в космос была распахнута». Иначе говоря, достижения в ракетостроении приравниваются у Г. Оберта к достижениям космонавтики. Заметим также, что многие зарубежные исследователи создание в фашистской Германии ракеты «Фау-2» рассматривают как одну из важных вех в развитии космонавтики. Тот же Г. Оберт говорил : «У меня имеется и другой важный вклад в астронавтику: свои эксперименты я проводил при помощи студентов Берлинского политехнического института, среди них был Вернер фон Браун, который затем сделал космический полет реальностью». Это уже прямая фальсификация. От ракеты «Фау-2» до первого космического полета, как говорится, «дистанция огромного размера», и космические полеты, которые сделались реальностью только после беспримерного подвига Ю. Гагарина, имели свою собственную предысторию, связанную с развитием космонавтики в СССР. Важной
      В 1893 году немецкий изобретатель Г. Гансвиндт, а в 1896 году русский изобретатель А. П. Федоров также предложили ракетные летательные аппараты для безвоздушного пространства.
      2 Г. Оберт. Мои работы по астронавтике: Из истории астронавтики и ракетной техники. М.: Наука, 1970.
      вехой на этом пути был запуск 4 октября 1957 года первого ИСЗ.
      Вывод о роли ракеты с бортовыми запасами энергии и реактивной массы как единственно возможного вида космического транспорта нередко приписывают основоположнику космонавтики К. Э. Циолковскому. «Он доказал, что только ракетные двигатели могут работать и разгонять летательный аппарат вне земной атмосферы» — так писал в 1961 году популяризатор космонавтики М. Г. Крошкин. Действительно, К. Э. Циолковский, известный в настоящее время как первый теоретик космонавтики, очень много сделал для всесторонней, или, как сейчас говорят, системотехнической, разработки теории космической ракеты. Но для космических полетов им же предполагались и другие идеи и проекты гипотетических аппаратов (см. гл. 9). Один из последователей К- Э. Циолковского — русский инженер Ф. А. Цандер — много работал, например, над применением вместо ракетных двигателей других вариантов тяговых устройств, использующих, в частности, внешние ресурсы массы и энергии [солнечный парус, силы электромагнитного притяжения и отталкивания, крылатые аппараты для первого, атмосферного участка космического полета, воздушно-реактивные двигатели (ВРД)].
      В. П. Глушко предложил в 1928 году проект межпланетного космического корабля «Гелиоракетоплан», использующего для движения бортовые запасы массы и внешний источник энергии (Солнце).
      Основоположник практической космонавтики — академик С. П. Королев. Он наиболее полно осуществил на практике системотехнический подход к проблеме космических полетов, заложенный в теоретических работах К- Э. Циолковского. Специалист-системотехник, лично убежденный в необходимости создания системы, должен хорошо ориентироваться в административных проблемах, а также обладать энциклопедическими знаниями и интуицией в своей и смежных областях науки и техники.
      Главный конструктор первых в мире космических объектов и космических ракет в достаточной мере обладал всеми этими качествами. Программа работ группы изучения реактивного движения (знаменитого ГИРДа), которой с 1932 года руководил С. П. Королев, включала разработку жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), планеров с ЖРД, баллистических и крылатых ракет, систем управления и ориентации, автоматики, ВРД. Эта программа предусматривала подготовку будущих инже-неров-ракетчиков, а также будущих пилотов для летательных аппаратов с реактивной тягой.
      Последнее обстоятельство и стало одной из причин создания ракетопланов. 28 февраля 1940 года был осуществлен первый полет ракетопланера конструкции С. П. Королева. Пилотировал машину В. П. Федоров. Затем последовали знаменитые полеты Г. Я. Бахчиван-джи на самолете БИ-1 конструкции А. Я- Березняка и А. И. Исаева, созданном в КБ В. Ф. Болховитинова и снабженном ракетным двигателем . Шел тяжелый для нашей Родины 1942 год — второй год войны. Советские инженеры, не жалея сил, работали в труднейших условиях, делали все возможное, чтобы помочь фронту. В то время под руководством В. П. Глушко в ГДЛ-ОКБ создавались ракетные ускорители для тяжелых самолетов. Вместе с ним работал С. П. Королев. Он руководил летными испытаниями, иначе говоря, опять решал сложнейшие проблемы ракетного полета человека.
      С. П. Королев (1906 — 1966 гг.) был выдающимся советским ученым и организатором науки и техники. Он родился в Житомире в семье учителя. С 1927 года Сергей Павлович работает в авиационной промышленности, в 1930 году оканчивает Московское высшее техническое училище им. Н. Э. Баумана, успешно защищает дипломный проект, выполненный под руководством выдающегося советского авиаконструктора А. Н. Туполева. Много работает, добивается постройки и проведения испытаний планеров и легкомоторного самолета — своего дипломного задания. В то же время С. П. Королев заканчивает московскую школу летчиков, знакомится с трудами К. Э. Циолковского, встречается с Ф. А. Цандером, участвует совместно с ним в организации Московской группы изучения реактивного движения (МосГИРДа). В 1932 году он организует вместе с другими специалистами знаменитый ГИРД. Работая затем начальником ГИРДа, С. П. Королев все свои силы, талант и организаторские способности отдает этому совершенно новому и неизвестному делу. Уже в 1933 году была запущена первая советская жидкостная ракета ГИРД-Х. В конце 1933 года в результате слияния ГИРДа и Газодинамической лаборатории (ГДЛ) был организован Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ), в котором С. П. Королев работал заместителем директора по научной части, а с января 1934 года — руководителем отдела ракетных летательных аппаратов. В этом же 1934 году издается его книга «Ракетный полет в стратосфере». Огромные усилия он затрачивает на практическое создание образцов новой техники, в числе которых успешно испытанные крылатая ракета 212, ракетопланер РП-318. В тяжелые военные годы все силы и все время уходили на совершенствование и летные испытания ракетных жидкостных ускорителей для боевых советских самолетов. После войны по инициативе нескольких капиталистических государств начинается разработка и оснащение армий новым оружием — боевыми ракетами дальнего радиуса действия. Большое количество ведущих специалистов и трофейной техники из немецкого ракетного центра «Пеенемюнде», где создавалась ракета «Фау-2», оказалось в США.
      Советский Союз, вынесший на своих плечах основное бремя самой страшной и разрушительной в истории человечества войны, потерявший 20 миллионов жизней, вынужденный восстанавливать разрушенное войной хозяйство, не мог в то же время пренебрегать и своей обороноспособностью.
      Создавать невиданную доселе технику предстояло своими силами; и вот 9 августа 1946 года С. П. Королева назначают Главным конструктором отдела НИИ, где и начинают проектироваться мощные баллистические ракеты. Уже в следующем, 1974 году в период с 17 октября по 2 ноября было произведено 11 запусков таких ракет. А в 1949 году в СССР были начаты планомерные исследования верхних слоев атмосферы ракетами Р1А.
      Примерно в это же время, намного раньше ученых и конструкторов всех стран (в том числе и США), С. П. Королев приступил к проектированию новой межконтинентальной баллистической ракеты и предупреждал своих сотрудников, что эта ракета должна проектироваться особым образом, так как на ней будут летать люди.
      Первое «космическое» испытание новой баллистической ракеты — вывод на околоземную орбиту первого в истории человечества ИСЗ. Испытание, проведенное 4 октября 1957 года, выдержано успешно. Многие тогда считали, что первый ИСЗ, названный С. П. Королевым Простейшим спутником, выполняет самостоятельную функцию. По-другому думал С. П. Королев, который вел планомерную подготовку полета человека в космос: сферическая форма спутника не была случайной2 — она наиболее соответствовала его замыслам о форме спускаемого аппарата, а также позволяла по торможению спутника в верхних слоях атмосферы определить параметры самой атмосферы, так как аэродинамические коэффициенты тела были известны довольно хорошо. Немаловажным обстоятельством при подготовке полета человека в космос С. П. Королев считал и отечественные достижения в создании герметичных кабин для стратостатов, предложенных еще в 1875 году профессором Д. И. Менделеевым. Спускаемый аппарат космического корабля «Восток» имел не только форму, но и размеры герметичных гондол стратостатов «СССР» и «Осоавиахим», установивших в 1933 году мировые рекорды подъема человека на высоту: соответственно 19 и 22 км.
      Второй ИСЗ с животными на борту выяснял главным образом биологические возможности3 космического полета, а третий ИСЗ — физическую обстановку в космосе.
      И наконец, после многочисленных земных и космических экспериментов наступило 12 апреля 1961 года — день первого в мире космического полета человека — Ю. А. Гагарина — гражданина СССР.
      С. П. Королев называл его сокращенно ПС.
      2 В процессе проектирования ПС предлагались и другие геометрические формы, которые были даже удобнее в отношении размещения аппаратуры.
      3 Принципиальные возможности полета человека в космос С. П. Королев изучал начиная с 30-х годов. В этой цепи проблем — практические дела по отработке полета людей на аппаратах, снабженных ракетными двигателями, эксперименты по пребыванию экипажа из двух человек в замкнутом пространстве специальной камеры, биологические эксперименты на «академических» ракетах: подъем собак на высоты до 500 км, а также отстрел от разгоняющейся ракеты капсул с собаками и их спуск на парашютах — имитация системы аварийного спасения.
      Космическая ракета была создана и выдержала свой главный экзамен. День 12 апреля теперь считают Днем рождения пилотируемой космонавтики — совершенно нового этапа человеческой деятельности, направленного на решение совокупности технических, медико-биологических, организационных, научных, юридических и многих других мероприятий и проблем, связанных с освоением космического пространства. Современная космонавтика требует не только тесного взаимодействия многих министерств и ведомств внутри одной страны, но и широкого сотрудничества многих государств.
      Материальную основу космонавтики условно можно разделить на три части: экспериментально-производственную (орудия и средства производства, экспериментальные изделия), принадлежащую преблемным лабораториям Академии наук СССР, отраслевым НИИ, ОКБ, опытным и серийным заводам, научно-испытательным институтам; главную (космические комплексы); обслуживающую (центр подготовки космонавтов, координационно-вычислительный центр, командный комплекс, пункты наблюдения, связи и т.п.).
      Главная часть, или ракетно-космический комплекс, состоит из основной и вспомогательной систем. Основная система — это летательный аппарат или космическая ракета. Вспомогательная система представляет собой сложную совокупность оборудования и сооружений технической и стартовой позиции (монтажно-испытательный корпус, контрольно-измерительная станция, подъемнотранспортные агрегаты, заправочные станции и прочие объекты), наземных сооружений радиокомплекса, сооружений и плавательных средств поисково-спасательного комплекса и т. п.
      Наша задача заключается в том, чтобы подробно рассмотреть основную систему — летательный аппарат, т. е. космическую ракету.
      Космическая ракета отличается от таких хорошо известных летательных аппаратов, как самолет, последовательной работой отдельных блоков, а также тем, что реактивная масса и энергия сосредоточены на борту и не заимствуются из окружающей среды, аэродинамическое качество не реализуется, а конструкция рассчитана только на однократное использование. Эти, казалось бы, явно отрицательные качества ракеты дают возможность получить главный результат — достигнуть космической скорости полета (т. е. 8000 м/с), необходимой для выведения полезного груза на орбиту ИСЗ. Как когда-то основная задача авиации состояла лишь в том, чтобы оторваться от Земли, продержаться в воздухе в состоянии полета, так и первая задача космонавтики заключалась в том, чтобы вывести на замкнутую околоземную орбиту искусственное тело. Совершенствование как авиации, так и ракетной техники — процесс бесконечный. В этом отношении ракетно-космическая техника по темпам развития даже обогнала авиацию.
      Наша задача — рассказать прежде всего об основных принципах работы обычных ракет.
      Все основные принципы работы космической ракеты сформулированы и научно обоснованы основоположником космонавтики, нашим соотечественником К. Э. Циолковским.
      В соответствии с формулой Циолковского конечная скорость ик, приобретаемая ступенью ракеты в отсутствие гравитационного и аэродинамического сопротивлений, зависит от скорости истечения массы и отношения массы топлива к сухой массе ракеты, которое называют числом Циолковского:
      На первых этапах создатели космических ракет стремились к увеличению Кц- Так, американская ракета «Атлас» имела /Сц = 13, что близко к теоретическому пределу. Скорость истечения определяется _средней молекулярной массой продуктов истечения р, энергоемкостью топлива Е, теплоемкостью продуктов истечения Ср и КПД работы двигательной установки тр
      причем для одних и тех же топлив определяется со вершенством двигательной установки (ДУ).
      Исходя из сказанного для одних и тех же видов топлив уа и /Ц — величины практически независимые, поэтому конструкторы и стремились к повышению Кц, считая этот критерий одним из самых важных. Так, ракета «Атлас» сконструирована по «несущей» схеме, т. е. ее баки, выполненные из стали, были и ее корпусом. Толщина стенок бака увеличивалась от вершины к основанию ракеты, а в среднем составляла примерно 0,8 мм. Эксплуатация ракеты из-за этого значительно усложнялась. Перевозить ее можно было, например, только с под-дутыми баками. Высокая (100 тыс. дол/кг) стоимость выведения груза с помощью такой ракеты говорит сама за себя.
      Следующий принцип, закладываемый в конструкцию космических ракет, — это их ступенчатость, т. е. последовательная работа ракетных блоков. Этот принцип сформулирован К- Э. Циолковским в 1926 году в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (новая редакция). Для ступенчатой ракеты формула Циолковского принимает вид
      т. е. открывается возможность достижения космических скоростей при реальных значениях
      Большое количество проведенных в 30 — 40-х годах теоретических расчетов траекторий движения космических ракет и допустимых нагрузок на их конструкцию позволило установить близкие к оптимальным потери на гравитацию и аэродинамическое сопротивление: соответственно около 1300 и 200 м/с. Поэтому для предварительных проектных оценок конечную скорость в формуле Циолковского принимали равной не 8000, а 9500 м/с. Если при выбранных величинах иа; и Кщ, а также количестве ступеней п это значение удовлетворялось, то можно было приступать к рабочему детальному проектированию космической ракеты.
      В процессе детального проектирования уточняли и оптимизировали конструкцию, соотношение компонентов топлива (отношение расхода окислителя к расходу горючего) и определяли закон его регулирования в полете, метод и давление наддува топливных баков, уточняли конструкцию и параметры ДУ, системы управления, аэродинамическую форму и аэродинамические характеристики, конструкцию органов управления, тепловые режимы, механические, вибрационные и акустические нагрузки, определяли технологические возможности производства ракеты, а также возможности стендовых испытаний ее частей, а затем и комплексных испытаний ракеты в сборе, уточняли ее эксплуатационные характеристики.
      Все эти работы проводились в несколько этапов, так как препятствий было очень много. Как правило, и стенды, и технические позиции, и стартовые комплексы приходилось создавать заново с учетом многих ограничений и трудностей, обычных в каждом новом деле.
      Если для авиации земная атмосфера является необходимым компонентом для осуществления полета, то создание космических ракет первого этапа характеризовалось необходимостью преодоления большого количества проблем, связанных именно с наличием у Земли атмосферы. Из-за атмосферы ракете необходимо преодолевать аэродинамическое сопротивление, испытывать тепловые, акустические и динамические нагрузки, терять в тяге и в удельном импульсе двигателей для ракет с ЖРД и ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) в результате изменения давления атмосферы с высотой, иметь сложные системы управления и аэродинамические стабилизаторы, подвергаться взрывоопасности, иметь тяжелые и трудоемкие в изготовлении головные, антенные и другие обтекатели, преодолевать (за счет увеличения собственной массы) ветровые воздействия во время стоянки на стартовой позиции, иметь громоздкую теплоизоляцию баков с криогенными компонентами (жидкие кислород, водород, гелий), а также специальные устройства для программного стравливания газов из отсеков, устройства для стекания электростатического заряда и т. п.
      К этому следует добавить, что и современные ракеты также проектируются с учетом всех перечисленных выше особенностей, однако сейчас к услугам проектантов электронно-вычислительные машины, огромный опыт в создании ракет, арсенал новых металлов и материалов, современные стенды и аэродинамические трубы. Кроме того, сложились огромные коллективы специалистов, которым под силу стало создавать новую, более совершенную технику.
      Академик С. П. Королев — создатель первой в мире космической ракеты — писал о перспективах космонавтики: «Создание огромных, весом в десятки тонн, межпланетных кораблей с экипажем, состоящим из нескольких человек, позволит осуществить длительные (около двух-трех лет) космические полеты. А далее... Впрочем, сейчас трудно предаваться мечтам, ибо в наше замечательное... время бывает и так, что жизнь опережает мечту. Ясно лишь одно: космонавтика имеет безграничное будущее и ее перспективы беспредельны, как сама Вселенная». И далее: «Луна, Марс, Венера... Созвездия близких и дальних Галактик. Мы говорим ныне о полетах в глубины Вселенной не на языке мечтателя-фантаста, а как о вполне реальной, доступной человечеству задаче».
     
      «БРОНТОЗАВРЫ» РАКЕТНОЙ ТЕХНИКИ
      Появление космических ракет, т. е. тяговых систем, способных сообщать искусственным телам космическую скорость, привело к появлению первого ИСЗ и многих других космических объектов, успешный запуск которых ознаменовал рождение космонавтики. Все эти космические объекты проектировались под существующие ракеты. Постепенное усложнение и увеличение космических объектов привели к тому, что их стоимость стала превышать стоимость не только ракеты-носителя, но и всего процесса выведения объекта на орбиту.
      Началась новая фаза создания тяговых систем, когда размеры, масса и другие характеристики ракеты стали диктоваться потребностями выведения конкретного полезного груза, рассчитанного на определенную космическую задачу. Теперь уже ракета-носитель стала проектироваться под конкретную полезную нагрузку.
      Так появился первый «бронтозавр» ракетной техники — гигантская ракета США «Сатурн-5» (высота около 100 м, стартовая масса около 3000 т, масса выводимого на орбиту полезного груза около 100т). Ракета имела единственное назначение — обеспечить первые в истории человечества лунные экспедиции, в частности первую высадку человека на другое небесное тело — Луну.
      В выполнении этой грандиозной программы участвовало, как мы ранее говорили, свыше 2000 фирм. Ассигнования также были весьма внушительными — 25 млрд. дол. Создавались новые гигантские двигатели, осваивались новые технологические операции, необходимые для изготовления баков и других конструкционных элементов ракеты, на полную мощность работали десятки аэродинамических труб, в которых уточнялись формы и характеристики будущей ракеты, создавались небывалые по размеру экспериментальные установки и стенды. Впервые в мире был построен стенд для динамических испытаний всей ракеты в сборе в вертикальном положении. Построен и сдан в эксплуатацию стенд для комплексных огневых испытаний первой ступени носителя, создано уникальное сверхгигантское оборудование технической и стартовой позиций. Сложнейший комплекс лунных кораблей, тренажеров для космонавтов, стендов, имитирующих лунные условия, и другое оборудование создавались параллельно с изготовлением носителя. Первый пилотируемый полет на Луну корабля «Аполлон» был осуществлен в 1969 году. Космонавты США Н. Армстронг и Э. Олдрин установили на Луне научную аппаратуру и, собрав образцы лунного грунта, вернулись со своим драгоценным грузом на Землю.
      Затем экспедиции повторялись, их программы и оснащение совершенствовались, однако привлекательность этих экспедиций постепенно уменьшалась. Для большинства людей полеты на Луну постепенно стали казаться будничным делом. И вот... 11 декабря 1972 года состоялась последняя экспедиция на Луну, а ракета «Сатурн-5» и все сооружения, необходимые для ее эксплуатации, были законсервированы.
      Некоторые организации США, воодушевленные успешным завершением «лунной эпопеи», приступили к проектированию более мощных «послесатурновских» ракет. Однако опыт создания ракеты «Сатурн-5» оказался не только положительным, но и стал серьезным уроком для ученых и конструкторов. Эпизодичность работ, требующая тем не менее труда огромных коллективов, приводила к массовым увольнениям проектантов после окончания проектных работ, специалистов по экспериментальной отработке после того, как эта отработка была закончена, эксплуатационников после завершения программы полетов на Луну.
      Таким образом, и космическую промышленность США не обошли характерные для капитализма явления: массовые увольнения, забастовки, недовольство рабочих и инженеров организацией работ и своим положением, когда нельзя быть уверенным в завтрашнем дне.
      Научные результаты лунных экспедиций США, как показал последующий их анализ, проведенный в сравнении с результатами, достигнутыми СССР с помощью автоматических средств («Луна-16, 20, 24», Луноход-1, 2» и т.п.), также оказались не такими уж высокими, если учесть затраченные средства. Английская газета «Фай-неншл тайме» писала о том, что СССР ясно продемонстрировал с помощью непилотируемых автоматических аппаратов возможность достигнуть практически тех же результатов без высадки людей. Исполняющий обязанности директора Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства Джордж Лоу заявил, ссылаясь на мнение ряда специалистов, что непилотируемые полеты к Луне и другим планетам являются наиболее рациональным методом исследования Солнечной системы. Научный обозреватель агентства «Пресс Ассошиэйшн» (Великобритания) А. Браун сказал, что русские продемонстрировали, в частности, что вполне можно собирать образцы лунных пород со значительно меньшими затратами, чем того требует отправка кораблей с экипажем.
      При создании в США лунного комплекса было решено большое количество сложнейших инженерных проблем, которые могли оставаться незамеченными не только для широкой аудитории, следящей на экранах телевизоров за космонавтами, но и для многих подготовленных специалистов, ученых и государственных деятелей. Специалистам пришлось разработать принципиально новую систему управления, множество новых электронных приборов и аппаратуры, внедрить новую элементную базу для этих изделий, внедрить в практику расчетов и экспериментов новейшую электронно-вычислительную технику, создать, как уже отмечалось, множество уникальных конструкций и сооружений, отработать новые технологические процессы. Решение организационных вопросов, комплексное обеспечение безопасности и надежности полета можно отнести к важным достижениям американских инженеров. Было практически показано, что современная техника находится на таком уровне развития, что ей под силу решать самые дерзновенные мечты человечества.
      Значительно трудней выбрать правильные пути научно-технического прогресса, наиболее рациональные задачи, на решение которых необходимо в первую очередь затрачивать материальные ресурсы.
      Американским инженерам и ученым пришлось очень много работать, чтобы хоть в какой-то мере восполнить серьезные просчеты, выявленные при эксплуатации гигантской сверхракеты «Сатурн-5». Подготовка к пуску и сам пуск этой ракеты повторяются не так уж часто. Остальное время дорогостоящее оборудование вынуждено простаивать законсервированным. Однако огромный обслуживающий персонал сокращать было нельзя.
      Не оправдались надежды на реализацию в научно развитых странах за крупное денежное вознаграждение «лунных пород». Продажа сувениров, значков, открыток, демонстрация «лунной» техники в музеях также не смогли сколько-нибудь ощутимо скомпенсировать затраченные средства. Удачной попыткой выгодно реализовать инженерные достижения Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) стала продажа некоторых материалов, технологических процессов и приборов в другие отрасли, в том числе и в такие, которые выпускают товары для народного потребления. Так, в США появились, например, сковородки из «космических» теплозащитных материалов и много других товаров из «экзотических» материалов.
      Была сделана попытка рассмотреть пути дальнейшего применения полученных инженерных решений и в космонавтике. Например, появилась и успешно проработала некоторое время в космосе орбитальная станция «Скай-леб», корпус которой был переоборудован из третьего разгонного блока ракеты «Сатурн-5» (блока 5-1УВ). В настоящее время многое оборудование технической и стартовой позиции, имеющее отношение к ракете «Сатурн-5», а также технологический задел элементов ракеты законсервированы. Несмотря на то что некоторые стенды, пусковое устройство, сборочный корпус и другие сооружения ракеты «Сатурн-5» было решено использовать в новой космической программе США «Космический челнок», вопрос о том, что делать с ракетой-«бронтозавром», не снят.
      При формировании новой космической стратегии специалисты НАСА вынуждены были, опираясь на опыт эксплуатации ракеты «Сатурн-5», констатировать следующее.
      1. Загрузка персонала должна быть равномерной и постоянной.
      2. Контакты со смежными фирмами, организациями, предприятиями и т. п. должны быть продолжительными и прочными.
      3. Количество запусков в течение года должно быть равномерным и возможно большим.
      4. Огромные ассигнования, требующиеся для создания новой космической техники, могут быть получены лишь при широкой кооперации с другими странами, т. е. при международном сотрудничестве.
      5. В создании новых образцов космической техники необходимо заинтересовать военные ведомства США — только так можно получить необходимые ассигнования в условиях господства военно-промышленного комплекса.
      Как показала практика дальнейшей работы НАСА, все эти выводы были приняты во внимание при разработке нового проекта — частично многоразовой системы «Космический челнок».
      Почему инженеры и ученые США отказались от «послесатурновских» гигантов, о которых много писалось в технической литературе и которые даже фигурировали в космических прогнозах?
      Казалось бы, увеличение размера ракет снижает стоимость выведения полезного груза, постепенное усложнение космических задач требует неуклонного увеличения массы полезного груза, выводимого одной ракетой-носителем, наконец, имеющийся положительный опыт создания ракеты «Сатурн-5» может быть использован и при разработке более мощных ракет.
      Однако исследования показали, что основной «враг» сверхгигантских ракет — не сложность их производства, не эпизодичность запусков и не долгий период подготовки к запуску и даже не одноразовость их применения, а явление, которое для первых космических ракет вообще не принималось во внимание. Имя этому грозному «врагу» — акустика.
      Нагружение конструкционных элементов ракет передающимся через внешнюю среду (воздух) акустическим, или звуковым, излучением, генерируемым реактивными
      струями, для однотипных по схеме ракет возрастает с увеличением характерного размера I пропорционально Ь — /5 в зависимости от типа и числа двигателей в ДУ. В тоже время масса ракеты и тяга ее ДУ при условии сохранения постоянной тяговооруженности (отношение массы ракеты к тяге ее ДУ) увеличиваются пропорционально /3. Это означает, что к статической нагрузке, которая определяется в основном массой ракеты и тягой ее ДУ при условии, что траектории полета сравниваемых ракет идентичны, добавляется все более и более увеличивающаяся по мере роста размера ракеты динамическая нагрузка акустического характера.
      Конечно, на ракету в полете действуют и другие динамические нагрузки (работа органов управления, колебания аэродинамических сил из-за атмосферной турбулентности, колебания жидкости в баках и т.п.), однако их частоты существенно меньше акустических, да и энергия этих динамических нагрузок меньше.
      Несмотря на то что в акустическое излучение преобразуется не более 1 % кинетической энергии реактивных струй ракетных ДУ, а в сторону летящей ракеты направлена лишь небольшая часть излучаемой струями акустической энергии, причем с ростом скорости полета ракеты поток акустической энергии к ней уменьшается, а при достижении ракетой скорости звука прекращается , вся конструкция должна быть рассчитана тем не менее на довольно значительные акустические нагрузки.
      Поскольку относительные акустические нагрузки при возрастании размеров ракеты резко увеличиваются, масса ее силовых элементов должна возрастать не пропорционально /3, а значительно быстрее. Это означает, что, начиная с некоторого оптимального размера ракеты, ее массовая отдача будет уменьшаться. Оказалось (по-ви-димому, не случайно), что размеры ракеты «Сатурн-5» находятся как раз вблизи такого оптимума2. Дальней-
      При полете ракеты со скоростью звука, как правило, реализуются максимальные скоростные напоры ?=ри2/2, где р — плотность атмосферы, а V — скорость полета ракеты, поэтому резко увеличиваются так называемые псевдоакустические воздействия, вызванные пульсациями давления в пограничном слое.
      2 Уменьшение размера ракет также ведет, как показывает опыт, к снижению массовой отдачи (отношение массы выведенного полезного груза к стартовой или начальной массе ракеты), поскольку сказываются технологические факторы и увеличенные относительные массы систем (управления, энергопитания и т. п.).
      шее увеличение размеров и стартовой массы ракеты-носителя приведет к уменьшению относительной массы выводимого полезного груза. Как утверждается в ряде работ, выполненных в США, стартовая масса т0, равная 20 000 т, является вообще предельной для ракет с ЖРД. При этой массе ракета еще может лететь и ее конечная ступень достигнет орбиты ИСЗ, но сколько-нибудь ощутимого полезного груза она не выведет. Дальнейшее увеличение стартовой массы приведет к вырождению космической ракеты — ее конечная ступень уже не будет выходить на орбиту, т. е. ракета такой массы будет просто баллистической ракетой. Космической ракетой-носителем ее назвать будет уже нельзя, несмотря на огромную массу и внушительные размеры.
      Таким образом, был установлен еще один звуковой (теперь уже акустический) барьер, препятствующий количественному росту размеров космических ракет. Это так называемое физическое ограничение, преодолеть которое, не меняя схемы ракеты и ее ДУ, просто невозможно.
      Увеличение нагрузок из-за акустики на ракетах типа «Восток» (СССР) или «Атлас» (США) составляло в среднем всего 5%, что было намного меньше точности расчетов, поэтому им нередко пренебрегали 2. Для ракеты «Сатурн-5» это увеличение составило уже около 15 %, поэтому пренебрегать им стало нельзя. Кроме большого количества теоретических расчетов американским инженерам пришлось провести специальные акустические исследования на моделях при натурной стендовой отработке блоков и при штатных полетах ракеты. Все это и позволило выявить те основные закономерности, о которых говорилось выше.
      Но акустика — не единственная причина отказа от гигантских одноразовых ракет, даже таких совершенных, как «Сатурн-5». Большая металлоемкость и сложность электронных приборов, одноразовых блоков, потребность в огромных количествах топливных компонентов, необходимость иметь зоны отчуждения, т. е. свободные от судоходства акватории Мирового океана или неиспользуемые территории суши, предназначенные для падения отработавших блоков, уже упомянутые продолжительные перерывы между пусками, невозможность универсального использования таких ракет (невозможность, например, изменения азимутов выведения, масс и конфигураций полезного груза), огромные и используемые с неполной загрузкой производственные площади для их изготовления, сложность технического обслуживания, необходимость иметь большое количество обслуживающего персонала, вынужденного простаивать в периоды между пусками, меньшая, чем для ракет среднего класса долговечность стартовых сооружений, сложность и стоимость которых к тому же значительно выше, и, как следствие этих факторов, относительно слабый экономический эффект от применения таких ракет и их слабое психологическое «влияние на умы людей» — вот те основные причины, которые побудили американских инженеров отказаться от производства и эксплуатации ракет класса «Сатурн-5». Было также прекращено дальнейшее проектирование одноразовых ракет. В дальнейшем это решение оказалось ошибочным.
      Уже после прекращения работ над сверхгигантскими одноразовыми ракетами-носителями выяснилось еще одно неприятное обстоятельство — их отрицательное воздействие на окружающую среду. Как известно, в земной атмосфере на высотах 20 — 50 км имеется озонный слой, который предохраняет все живущее на Земле от губительных ультрафиолетовых солнечных лучей. Сохранение окружающей среды, в том числе и озонного слоя атмосферы, — жизненно важная задача человечества.
      Проведенные несколькими исследовательскими организациями США, Польши и других стран расчеты показали, что пролет через озонный слой гигантской ракеты типа «Сатурн-5» оставляет в нем заметное «окно», поскольку озон активно взаимодействует с продуктами истечения и его концентрация в этом месте уменьшается. Появились даже сообщения о том, что одновременный запуск пятисот ракет «Сатурн-5» может полностью уничтожить озонный слой Земли, что приведет к вымиранию всего на ней живущего.
      Эти исследования были только началом. Теперь все новые проекты космических ракет и даже высотных самолетов рассматриваются в числе прочих факторов и с позиций воздействия предлагаемой системы на окружающую среду.
      Таким образом, оказалось, что масса выводимого гигантской ракетой привычной конструкции полезного груза не может, по-видимому, превышать 300 — 500 т (и то за счет некоторого дополнительного снижения эффективности). Выяснилось также, что ракета «Сатурн-5», уже созданная для выведения груза массой около 100 т, нерентабельна, и ее пришлось снять с производства.
      Вместе с тем развивающаяся космическая техника выдвигает новые требования к ракетам-носителям. Они должны быть рентабельны, удобны и практичны в производстве и эксплуатации, надежны, безопасны, а главное — универсальны. Прогнозы говорят о том, что выводимые на орбиту ИСЗ грузы массой 100 — 500т — далеко не предел с точки зрения потребностей космонавтики. Что же делать? Может быть, использовать положительный опыт в проведении стыковок на орбите, выводить грузы меньшей массы и затем соединять их. Или разработать принципиально новую конструкцию ракеты, которой было бы под силу вывести в космос монолитный груз с более высокой эффективностью, чем делала это ракета «Сатурн-5»?
      Принципиально новыми в ракетостроении будут следующие направления: применение ядерной энергии, использование внешних ресурсов и создание универсальных систем.
      В одном из докладов о дея тельности Академии наук СССР ее президент академии Г. И. Марчук сказал: «Необходимость усиления ответст-венности Академии наук за создание теоретических основ принципиально новой техники, технологий и материалов требует организационной перестройки ее деятельности в свете укрепления фундаментального звена академической науки».
      Сказанное в полной мере относится к космонавтике и ее основе — ракетно-космической технике, создаваемой трудом многочисленных коллективов рабочих и инженеров под руководством наших ученых.
      Научный фундамент космонавтики обширен, он уходит своим основанием далеко в глубины русской истории. М. В. Ломоносов (1711 — 1765 гг.) — ученый с широким диапазоном интересов, продвинувший вперед многие отрасли знаний как в области фундаментальных дисциплин, так и в области их практического приложения, — разработал общие проблемы механики и энергетики — главные научные дисциплины, лежащие в основе работы ракетно-космической техники сегодняшних дней. Огромное количество фундаментальных работ по механике выполнили в Петербургской академии наук Л. Эйлер (1707 — 1783 гг.) и Д. Бернулли (1700 — 1782 гг.). Как известно, 5 апреля 1727 года двадцатилетний Л. Эйлер навсегда покинул свою родину, г. Базель и 17 мая прибыл в Петербург по приглашению президента Петербургской Академии наук Л. Л. Блюментроста. В архиве Академии наук СССР хранятся письма ученого, написанные на русском языке. Хорошо известно его признание в том, что он всем обязан Петербургской Академии и что, не доведись ему работать в ней, он стал бы всего лишь дилетантом. В 1741 году Л. Эйлер едет работать в Берлин, но в 1766 году по приглашению Екатерины II вновь возвращается в Россию, где и остается до конца своих дней. Похоронен Л. Эйлер в Петербурге. Сочинения этого ученого по математике, механике, физике, технике, оптике и другим дисциплинам были столь многочисленны, что их первая публикация в изданиях Петербургской Академии наук продолжалась до 1862 года. Из 860 работ ученого больше половины впервые напечатано в изданиях Российской Академии наук, в том числе работы по различным аспектам механики (механика точки и твердого тела, давление, удар, трение, принцип наименьшего действия, теория машин, гидравлика, баллистика и т. п.). По-видимому, сегодняшние ученые, решающие многочисленные, теперь уже «космические», проблемы механики, могут повторить слова П. Лапласа, который назвал Л. Эйлера общим учителем всех нас.
      Д. Бернулли — один из друзей Л. Эйлера по учебе в Базельском университете — приехал в Россию в октябре 1725 года по приглашению Петербургской Академии наук, где проработал почти восемь лет. Большая часть его работ (50 из 75) напечатана в Петербурге. На титульном листе его обширной монографии по гидродинамике, опубликованной в 1738 году в г. Страсбурге, указано, что данный труд составлен автором в период его пребывания в Петербургской Академии. За это сочинение Д. Бернулли получил от издательства 100 талеров гонорара и 30 бесплатных экземпляров, обогатив при этом человечество неоценимыми знаниями в области механики жидкости. Такие понятия, как уравнение Эйлера или уравнение Бернулли, стали интернациональными, не требующими перевода, символами не только прошлой, но и современной науки. Передача этих уравнений возможным братьям по разуму во Вселенной, по-видимому, не уступит никаким другим символам.
      Большой интерес представляют работы по механике М. В. Остроградского (1801 — 1861 гг.), который известен в основном как выдающийся математик. Серия работ по баллистике, предпринятых по заданию русского артиллерийского ведомства, «Курс небесной механики» (1831 г.), изданный на французском языке, даже для многих современных специалистов, потрудись они ознакомиться с ними, явились бы в полном смысле слова откровением.
      Ученику М. В. Остроградского И. А. Вышнеградскому (1831 — 1895 гг.) принадлежит честь создания теории автоматического регулирования («О регуляторах прямого действия» — 1877 г. и «О регуляторах непрямого действия» — 1878 г.). Его имя носит один из критериев устойчивости системы регулирования, применяемый и поныне.
      Современное автоматическое управление движением ракет и космических летательных аппаратов базируется на гироскопических приборах, теоретическое описание работы которых стало возможным благодаря всемирно известному основополагающему труду С. В. Ковалевской (1850 — 1891 гг.) «Задача о вращении твердого тела около неподвижной точки» (1888 год). Эта работа была развита в трудах многих выдающихся механиков и математиков России: H. Е. Жуковского, В. А. Стеклова, С. А. Чаплыгина, А. М. Ляпунова и многих других.
      Как уже отмечено ранее, разработка первой в мире научной основы космических полетов принадлежит знаменитому русскому ученому К- Э. Циолковскому (1857 — 1935 гг.) — автору технически разработанных идей о применении ракеты для межпланетных полетов, о схемах межпланетных кораблей и жидкостных ракетных двигателей, о составных (многоступенчатых) ракетах и т. д.
      Наряду с работами К. Э. Циолковского фундаментальное значение в развитии теории реактивного движения имели работы по механике тел переменной массы, выполненные профессором Петербургского университета И. В. Мещерским (1859 — 1935 гг.). В 1897 году он опубликовал свой знаменитый труд «Динамика точки переменной массы», в котором впервые в мировой практике привел основные дифференциальные уравнения движения материальной точки, масса которой зависит от времени. Один из авторов настоящей книги присутствовал при разговоре двух академиков (С. П. Королева и Б. С. Стечкина), в процессе которого обсуждался вопрос наименований кратеров на обратной стороне Луны. Б. С. Стечкин убеждал С. П. Королева о необходимости отметить работы И. В. Мещерского. Тот дал согласие подумать, и в настоящее время один из кратеров Луны носит имя этого крупного русского ученого.
      Незаслуженно редко мы вспоминаем о трудах по внешней баллистике генерала от артиллерии Н. В. Маиев-ского (1823 — 1892 гг.), долгое время читавшего курс по этой дисциплине в Михайловской артиллерийской академии (ныне Военная инженерная академия им. Ф. Э. Дзержинского). Число Маха с полным основанием можно было бы назвать и числом Маиевского, поскольку он первый предложил прИхМенять отношение скорости полета снаряда к скорости звука в качестве удобного для расчетов критерия.
      Огромное значение в практике ракетостроения до сих пор имеют работы по теории упругости, выполненные профессором Петербургского политехнического института и Морской академии И. Г. Бубновым (1872 — 1919 гг.) и продолжателем его идей В. Г. Галеркиным (1871 — 1949 гг.). Широко известный метод Бубнова — Галеркина приближенного интегрирования уравнений теории упругости применяется ныне также и в задачах вариационного исчисления, в математической физике и других областях науки.
      Среди большого количества работ русских ученых, внесших значительный вклад в научные основы строительства современных ракет, особо следует, по-видимому, упомянуть капитальный труд Н. Е. Жуковского «О движении твердого тела, имеющего полости, наполненные однородной капельной жидкостью» (1885 г.). Современная теория тонкостенных оболочек, наполненных жидкостью, применительно к ракетным бакам базируется на трудах академиков К- В. Фролова и И. Ф. Образцова. Ученик Н. Е. Жуковского С. А. Чаплыгин благодаря своей диссертационной работе «О газовых струях» (1902 г.) стал одним из основоположников современной газовой динамики сверхзвуковых течений. Первая в России аэродинамическая труба была сооружена в 1897 году К. Э. Циолковским, а дальнейшее развитие аэродинамики (как экспериментальной, так и теоретической) тесно связано опять-таки с трудами Н. Е. Жуковского, С. А. Чаплыгина и их учеников. В 1918 году в СССР был создан ныне широко известный Центральный аэрогидро-динамический институт (ЦАГИ), коллектив которого возглавлял Н. Е. Жуковский, а после его кончины — С. А. Чаплыгин. Из ЦАГИ вышли ученые-механики, внесшие в дальнейшем неоценимый вклад в развитие ракетно-космической техники, такие, как М. В. Келдыш, B. П. Ветчинкин, Г. И. Петров, М. А. Лаврентьев, C. Я. Кристианович, И. Е. Кочин, Л. И. Седов. Все они были участниками постоянно действующего «цаговского» семинара, возглавляемого С. А. Чаплыгиным.
      В середине 30-х годов стал функционировать Институт механики АН СССР, переименованный в 1965 году в Институт проблем механики; институт возглавляет академик А. Ю. Ишлинский. В 1934 году А. Ю. Ишлинский решил задачу о максимальной высоте подъема ракеты в однородной атмосфере. Та же задача, но с учетом изменения плотности и температуры с высотой была решена в 1946 году Д. Е. Охоцимским (она изложена в работе «К теории движения ракет»), который затем в 1947 году разработал ряд теоретических вопросов о выведении на орбиту искусственного спутника Земли. А. 10. Ищлин-ский получил в результате своей дальнейшей работы строгие и относительно простые дифференциальные уравнения прецессионного движения в конечных углах, дающие возможность проводить анализ относительного равновесия гировертикали, гирогоризонткомпаса и физического маятника. В последние годы он руководит работами по динамике системы связанных твердых тел, по практическому применению гироскопов.
      В 1957 году было организовано Сибирское отделение АН СССР, в котором начали функционировать Институт гидродинамики и Институт теоретической и прикладной механики. Ряд работ проводится также в отделе механики Математического института АН СССР им. В. А. Стек-лова и в Институте прикладной математики АН СССР им. М. В. Келдыша. В 1955 году был создан Вычислительный центр АН СССР, который успешно ведет работы по численным методам газовой динамики, гидродинамики и процессов оптимального управления.
      Все эти учреждения АН СССР проводят фундаментальные исследования по проблемам механики космического полета, газовой динамики струйных систем и другим важным направлениям.
      Большое практическое значение имеют в ракетно-космической технике фундаментальные работы по турбулентности, выполненные А. Н. Колмогоровым, М. Д. Мил-лионщиковым, Л. И. Седовым, Л. Д. Ландау, Л. Г. Лой-цянским и другими советскими учеными.
      В середине 40-х годов применительно к созданию баллистических ракет и управляемых снарядов стала разрабатываться аэродинамика больших сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростей. Так, в 1947 году А. А. Ильюшиным был открыт закон гиперзвукового сечения (метод аффинных моделей), установлен закон плоских сечений, обобщенный в 1959 году В. В. Сычевым на случай гиперзвукового обтекания тонких, заостренных спереди тел при больших углах атаки. Многие экспериментальные и теоретические задачи обтекания тел гиперзвуко-выми разряженными потоками были решены академиком 10. А. Рыжовым.
      Задача гиперзвукового обтекания затупленных спереди тел была решена Г. Г. Черным в 1955 году на базе теории сильного взрыва, разработанной Л. И. Седовым в 1944 — 1945 годах. Появление быстродействующих цифровых электронно-вычислительных машин способствовало развитию так называемых численных методов в аэродинамике больших скоростей.
      К настоящему времени численные методы стали основными в мировой ракетно-космической технике, проникнув во все без исключения ее области: научную, проектно-инженерную и даже производственную (гибкие производственные линии и обрабатывающие центры на основе станков с числовым программным управлением).
      Становление и развитие ракетно-космической техники были бы невозможны, если бы некоторые ученые механики не взяли на себя функцию организаторов и координаторов научной деятельности многих академических и отраслевых институтов, которая ими тесно увязывалась с работой проектных и производственных организаций (заводов). В гл. 2 книги много (но далеко не все) сказано о С. П. Королеве, в гл. 5 мы расскажем о трудах В. С. Авдуевского, в гл. 12 — о деятельности М. В. Келдыша, в гл. 14 — о трудах В. П. Мишина. Разумеется, этими именами далеко не исчерпывается славная плеяда советских ученых-механиков, взявших на себя нелегкое
      бремя организаторов науки. Среди них и Н. А. Пилюгин (системы управления), и В. П. Бармин (стартовые комплексы), и Б. В. Раушенбах (системы навигации и ориентации), и М. К. Янгель, В. Ф. Уткин, и В. П. Челомей (ракетно-космические системы), и многие другие наши соотечественники, посвятившие себя научной и научноорганизационной деятельности в области механики ракетно-космических систем и достигшие на этом пути впечатляющих достижений, ставших достоянием всего человечества.
      Другое важное научное направление, которое обеспечило развитие ракетно-космической техники, — энергетика. Здесь снова следует вспомнить М. В. Ломоносова, предугадавшего сущность основополагающих законов природы, разработанных впоследствии термодинамикой — фундаментальной теоретической базой энергетики.
      Развитие термодинамики связывают прежде всего с именами Ж. Фурье и С. Карно (Франция), Л. Больцмана (Австрия), Д. Джоуля и В. Томсона (Великобритания), Р. Майера, Р. Клаузиуса, Г. Гельмгольца и В. Нерн-ста (Германия), Д. Гиббса, Л. Онзагера и М. Трайбуса (США), И. Пригожина (Бельгия), С. Де-Гроота и П. Мазура (Голландия), Р. Кубо (Япония) и других видных ученых, пользующихся заслуженной мировой известностью.
      Нам представляется необходимым упомянуть и русских ученых, внесших решающий вклад в развитие как термодинамики, так и энергетики применительно к ракетно-космической технике.
      К- Э. Циолковский был пионером не только в развитии ракетодинамиКи, но и в создании теории ракетных и реактивных (использующих внешнюю среду) двигателей. Он предложил в числе прочих одну из наиболее эффективных топливных пар — жидкий водород и жидкий кислород, — которая ныне широко используется в ракетно-космической технике. Ставшие ныне классическими многие положения ученого в области энергетики космического полета, а также устройства двигателя — основного энергетического агрегата ракеты — были изложены им в труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами», который в январе 1903 года К. Э. Циолковский направил в журнал «Научное обозрение». В пятом номере этого журнала появилась первая часть статьи, вторая ее часть была конфискована при закрытии журнала жандармским управлением. Журнал, в котором сотрудничали и В. И. Ленин, и Г. В. Плеханов, постигла судьба многих прогрессивных изданий дореволюционной России. Вторая часть статьи К. Э. Циолковского была напечатана только через восемь лет — в 1911 году. Именно в этой работе ученый утверждал: «Нет конца жизни, конца разуму и совершенствованию человечества. Прогресс его вечен».
      В своем первом письме к К. Э. Циолковскому от 26 сентября 1923 года пятнадцатилетний В. П. Глушко писал: «...Без всяких пособий, совершенно самостоятельно я начал вычислять. Но вдруг мне удалось достать Вашу статью в журнале «Научное обозрение» (май 1903 года) — «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Но эта задача оказалась очень краткой. Я знаю, что есть статья под таким же названием, выпущенная отдельно и более подробная, — вот что я искал и в чем заключается моя просьба к Вам».
      Так, под влиянием идей К. Э. Циолковского состоялось рождение известного ученого-энергетика, академика В. П. Глушко, о котором рассказано ниже (см. гл. 16).
      Не имея возможности должным образом осветить все даже наиболее важные достижения наших ученых в области энергетики, мы не могли не остановиться более подробно на деятельности И. В. Курчатова (см. гл. 6), Д. И. Менделеева (см. гл. 7), Ф. А. Цандера (см. гл. 8), Б. С. Стечкина (см. гл. 17), В. К. Кошкина (см. гл. 18).
      Много для развития ракетно-космической техники сделали и ученые-энергетики дореволюционного периода. Перу руководителя Петербургского ракетного завода К. И. Константинова (1817 — 1871 гг.) принадлежит фундаментальный научный труд «О боевых ракетах» (опубликован в 1861 году), им же был подготовлен и прочитан цикл лекций для русских артиллерийских офицеров о боевых пороховых ракетах в Михайловской артиллерийской академии (1864 г.), выпущены другие печатные труды по этим вопросам. К. И. Константинов, основываясь на известном законе Ньютона, указывал: «В каждый момент горения ракетного состава количество движения, сообщаемого ракете, равно количеству движения истекающих газов». Это положение, как известно, лежит в основе уравнений ракетодинамики К. Э. Циолковского и И. В. Мещерского.
      Революционер-народоволец Н. И. Кибальчич (1853 — 1881 гг.) оставил человечеству первый в мире проект ракетного летательного аппарата для полета людей (1881 г.), разработанный им незадолго до казни, к которой он был приговорен за участие 17 марта 1881 года в убийстве царя Александра II. Его проект «воздухоплавательного прибора» содержал материалы по устройству порохового ракетного двигателя, по способу управления вектором тяги за счет качания этого двигателя, по способу регулирования тяги за счет программированного режима горения и т. д. Технические данные этого проекта и материалы судебного разбирательства свидетельствуют о незаурядных способностях, таланте и обширных знаниях молодого ученого по химии ракетных топлив, по теории горения и механике.
      В труднейшие для нашей страны годы Великой Отечественной войны в боях с немецко-фашистскими захватчиками погиб красноармеец роты связи 2-го полка дивизии Народного ополчения Киевского района г. Москвы 10. В. Кондратюк (1897 — 1942 гг.) — видный советский энергетик и талантливый специалист в области космонавтики. Уходя 7 июля 1941 года добровольцем на фронт, ученый передал знакомым свои многочисленные рукописи и расчеты. Основной работой Ю. В. Кондратюка было проектирование и строительство сверхмощных ветровых электростанций. В 1938 году он был назначен начальником технического отдела треста «Теплоэнергострой», затем работал начальником проектного отдела Проектноэкспериментальной конторы электрических станций. Все свое свободное время он посвящает теоретическим исследованиям в области межпланетных сообщений.
      Только в 1964 году увидела свет книга Ю. В. Кондратюка «Тем, кто будет читать, чтобы строить», написанная им в 1916 — 1919 гг. В книге «Завоевание межпланетных пространств» (опубликованной в 1929 году) ученый впервые в мировой практике проводит исследование нагрева передней части ракеты о воздух с учетом как адиабатического сжатия воздуха, так и процессов лучеиспускания, исследует наивыгоднейшие с точки зрения энергетики траектории космических полетов, теорию многоступенчатых ракет, рекомендует ряд окислителей и горючих, предлагает применять крылатые ракеты, проводить исследования по выбору наивыгоднейших аэродинамических характеристик, рекомендует использовать солнечную энергию в космических энергосистемах.
      Значительный вклад в развитие ракетно-космической техники внес М. К- Тихонравов (1900 — 1974 гг.), выступавший в сборниках «Ракетная техника» и «Ракетное движение» со статьями «Применение ракет для исследования стратосферы» (1936 г.), «Кислородный ракетный двигатель» (1937г.), «Основные характеристики ракетного двигателя» (1938г.). Под руководством М. К. Ти-хонравова была спроектирована, изготовлена и совершила полет первая отечественная ракета с двигателем на гибридном топливе (1933 г.). Ученый был соратником
      С. П. Королева, принимал активное участие в создании первых ИСЗ, космических кораблей, межпланетных космических аппаратов.
      Важные теоретические работы по термодинамике и рабочим процессам ЖРД выполнил профессор Московского авиационного института А. В. Квасников (1892 — 1971 гг.) — автор книги «Теория жидкостных ракетных двигателей» (1959 г.).
      Среди работ конструкторов и теоретиков ЖРД видное место занимают работы А. М. Исаева, А. М. Люлька,
      A. Н. Ваничева, В. Е. Алемасова, С. А. Косберга,
      B. П. Радовского, А. Д. Конопатова, Н. Д. Кузнецова, М. В. Мельникова, И. И. Иванова и многих других советских специалистов.
      В разработке двигательных и энергетических систем, использующих ядерную энергию, следует отметить труды таких ученых, как В. М. Иевлев, Е. П. Велихов, А. П. Александров, Н. Н. Пономарев-Степной, А. С. Коротеев, М. В. Мельников, Л. А. Квасников и др.
      Научные проблемы ракетостроения и космонавтики, разумеется, не исчерпываются только механикой и энергетикой. Более того, нельзя назвать ни одной отрасли науки (как фундаментальной, так и прикладной), которая бы в той или иной степени не была причастна к успехам космонавтики.
     
      АЛЬТЕРНАТИВА «ЗВЕЗДНЫМ ВОЙНАМ»
      Известный специалист в области аэромеханики и научно-технических проблем космических полетов академик В. С. Авдуевский писал: «Создание космических аппаратов для исследования планет потребовало больших усилий конструкторов, ученых разных специальностей и развития высокой технологии производства.
      Особенность космического аппарата для исследования планет заключается в том, что он — одновременно и транспортное космическое средство, и комплексная научная лаборатория, проводящая измерения».
      Таким образом, четко прослеживается тенденция превращения будущих ракет в комплексные системы, которые должны не только выполнять транспортные операции, присущие тяговым системам, но и служить научной лабораторией для измерений параметров исследуемого объекта и последующей передачи полученной информации в пункты управления полетом.
      В 1986 году Советское правительство выступило с широкомасштабной программой международного сотрудничества по освоению космического пространства в мирных целях. В том же году американский астроном и борец за мир К. Саган выступил с предложением организовать международную экспедицию на Марс и приобрел в этом деле много сторонников.
      В середине 1987 года группа стратегического планирования НАСА выступила с предложением организовать экспедицию на Марс экипажем из шести человек (длительность экспедиции — около одного года).
      Существуют и другие проекты, преследующие не только научно-познавательные, но и практические цели, как, например, строительство на околоземной орбите космической солнечной электростанции (КСЭС), исследования Венеры и др.
      Все эти предложения заслуживают самого тщательного изучения и достойны реализации, поскольку они являются альтернативой разворачиванию космических средств стратегической оборонной инициативы (СОИ).
      Стратегическая оборонная инициатива — это провозглашенная президентом США широкомасштабная программа милитаризации космоса, названная народами мира программой «звездных войн». Давнее желание наиболее реакционной части военно-политических кругов США нарушить военно-стратегическое равновесие между СССР и США на этот раз приняло форму программы создания многоэшелонированной противоракетной обороны. (ПРО) с использованием размещаемого как на Земле, так и в космосе лазерного, пучкового и кинетического (обладающего высокой кинетической энергией) оружия. Специалисты США — явно под влиянием и давлением представителей военно-промышленного комплекса — разработали программу надежной защиты территории США от ответного ядерного удара. Между тем и в США есть ученые, понимающие, что в наше время ответные меры могут оказаться и дешевле, и эффективней. Огромные затраты на развертывание СОИ — это бесполезно растраченные ресурсы, созданные трудом миллионов людей.
      Гораздо выгодней эти ресурсы направить на другие — полезные для человечества — космические программы. Этим и заняты десятки обеспокоенных ученых. Проекты, о которых говорилось выше, уникальны и грандиозны. Их реализация требует широкого международного сотрудничества и значительных материальных затрат, однако эти затраты будут оправданы полученными научными и практическими результатами.
      Пока еще рано обсуждать технические детали таких проектов — создание новых, мощных и экономичных ракет-носителей, постройку космических кораблей, разработку программ полета, изготовление научных приборов и инструментов, — все это потребует реализации многих национальных достижений, как это было в 1975 году при реализации проекта «Союз» — «Аполлон». Однако, очевидно, что достижение взаимоприемлемого соглашения между СССР и США предопределит успешное осуществление любого прогрессивного проекта — будет ли это экспедиция на Марс, строительство базы на Луне или ввод в строй КСЭС.
      Первые шаги в этом направлении уже сделаны. В апреле 1987 года в Москве министр иностранных дел СССР и государственный секретарь США подписали соглашение о сотрудничестве в исследовании и использовании космического пространства в мирных целях. Теперь предстоит работа по развитию этого соглашения путем совместной разработки конкретных технических средств.
      Наша страна предложила создать Всемирную космическую организацию (ВК.О), в рамках которой можно было бы осуществлять наиболее широкое международное сотрудничество — на первых порах на базе имеющихся национальных космических средств и в рамках оказания помощи тем развивающимся государствам, которые желали бы вступить в ВКО, а затем и по созданию интернациональных космических средств.
      В этих условиях огромное значение приобретает пропаганда не только современных достижений космонавтики, но и будущих ее возможностей. Одновременно с этим важно понять антигуманную роль СОИ.
      Парадоксально, но США демонстрируют всему миру и будущие ужасы «звездных войн», ставящих на грань катастрофы все человечество, и уникальные возможности будущих ракет по экономичному и надежному выведению в космос различных полезных нагрузок, по использованию этих полезных нагрузок для получения важных для человечества знаний в области фундаментальных и прикладных наук и в области космического производства.
      Академик В. С. Авдуевский (р. в 1920г.), известный своими трудами по теории теплообмена, пограничного слоя, горения, по исследованию тепловых режимов космических аппаратов, газодинамике струй и отрывных сверхзвуковых течений, космической технологии, член Национального комитета СССР по теоретической и прикладной механике, член ряда научных советов и комиссий АН СССР, много сил и внимания уделяет борьбе за мирный космос. Разоблачая концепцию «выживания» США в ядерной войне, он пишет: «В действительности концепции «выживания» и «космической обороны» основываются на планах нанесения Соединенными штатами первого удара в целях уничтожения максимально большего количества ракет Советского Союза еще на Земле, с тем чтобы космическая ПРО США поразила ракеты, которым удалось уйти из-под первого удара американских ракет. Таким образом, «будущее, которое сулит надежду», и концепция «выживания» с помощью космической обороны провозглашают безопасность США за счет предположения, что США победят, нанеся первый удар в ядерной войне».
      Последующие годы показали, что В. С. Авдуевский был абсолютно прав: высказанная им точка зрения на сущность американских планов милитаризации космоса считается ныне общепринятой.
      Находит понимание, как видно из цитаты в начале главы, и призыв академика к международному сотрудничеству: «Космос — это глобальная среда, простирающаяся над всеми народами и государствами. Его использование в мирных целях может способствовать объединению всех людей мира, открывает пути улучшения их жизни. Дальнейшее развитие сотрудничества в космических исследованиях государств с различным общественным строем могло бы стать важным шагом в практическом развертывании сотрудничества на самой Земле»2.
      Примеров подобного плодотворного сотрудничества государств в космических программах более чем достаточно, правда, пока что оно направлено на разработку космических средств, на проведение совместных космических экспериментов. Очевидно, что можно было бы рассмотреть вопрос и о сотрудничестве в создании средств выведения — особенно таких, которые могли бы утилизировать и привели бы к уничтожению имеющихся на Земле огромных запасов ядерного оружия.
      Один из проектов подобного устройства недавно опубликован в США. Как отмечено в гл. 3 настоящей книги, выведение в космос монолитных грузов массой выше 300 — 500 т представляет собой трудную техническую проблему, поскольку эффективность (массовая отдача) ракет-носителей обычной схемы при этом резко снижается. Вместе с тем ряд будущих международных проектов мирного использования космоса (например, строительство каскада КСЭС) потребует экономичного и экологически безопасного выведения на ОИСЗ большого количества тяжелых грузов.
      Американский специалист Р. Купер предлагает (к сожалению, для целей ПРО, а не для мирного использования космоса!) новый вариант шахтного старта ракеты. В толще земли сооружается шахта с прочными металлическими стенками глубиной 1000 м — это ствол мощной космической пушки с внутренним диаметром 10 м. Прообраз такой пушки описал в романе «Из пушки на Луну» французский писатель-фантаст Жюль Верн. Еще глубже у основания шахты расположена сферическая взрывная камера диаметром 65 м. В нижней части ствола установлен поршень-поддон, на котором находится подготовленный к запуску летательный аппарат массой 500 т с полезной нагрузкой массой 400 т. Длина этого аппарата 15 м, а диаметр 5 м. Верхний срез шахты герметично закрыт, и нее с помощью мощных вакуумных насосов перед пуском аппарата откачивается воздух. В центре сферической камеры, заполненной водородом или гелием, организуется ядерный или термоядерный взрыв, повышающий температуру и давление водорода _в ней соответственно почти до 12 000 К и 100 МПа.
      Поппон с летательным аппаратом начинает после взрыва ускоряться, приобретая скорость в момент выхода из шахты около 11 км/с, при этом средняя перегрузка составляет около 5000 g, т. е. в отличие от пушки Ж- Верна людям в таком аппарате не место.
      В верхней части шахты снаряд прорывает мембрану и вылетает в атмосферу, а поршень тормозится расположенными в нишах сминаемыми элементами и служит в дальнейшем крышкой шахты, предотвращая утечку в атмосферу газа, сопровождающуюся образованием сильных ударных волн, и предохраняя окружающую среду от радиоактивных загрязнений. В конструкциях взрывной камеры и шахты предусматриваются ловушки (поглотители) ударных волн, впрыск воды для охлаждения газа и конструкции для удаления радиоактивных веществ.
      Избыток кинетической энергии летательного аппарата, составляющий около 3 км/с характеристической скорости, расходуется на преодоление гравитационного притяжения, аэродинамического сопротивления и потерь, связанных с аэродинамическим маневром поворота вектора скорости. На самом летательном аппарате также предусматривается двигательная установка, предназначенная для сообщения ему в апогее тангенциальной скорости, обеспечивающей подъем нового апогея до 7000 км.
      Утверждается, что стоимость выведения ОИСЗ массой около 500 т на порядок меньше, чем в случае применения химических источников энергии, при этом шахта и камера могут использоваться многократно.
      Рассмотренный проект, если он будет реализован не для СОИ, а для мирного освоения космоса, интересен тем, что, во-первых, позволяет утилизировать практически без затраты дополнительных средств накопленные запасы ядерного оружия, во-вторых, позволяет выводить на ОИСЗ монолитные грузы массой 400 — 500 т, а в-третьих, экологически выгоден.
      Последнее обстоятельство требует пояснения, поскольку экологическая привлекательность ядерных взрывов у читателя может вызвать недоумение. Действительно, подземный ядерный взрыв, о котором говорится в проекте, в экологическом отношении мало чем отличается от проводимых в Неваде, Семипалатинске или на Новой Земле, если даже учесть предложения автора по дополнительным мерам по снижению радиоактивных выбросов. Этот проект созвучен предложениям ряда ученых о подземном строительстве в будущем всех объектов ядерной энергетики, в том числе и атомных электростанций.
      Более интересна другая экологическая особенность проекта — его практическая безопасность для стратосферного озонового слоя. Концентрация озона в результате массового применения хлорсодержащих веществ,
      в том числе и в ракетных двигателях твердого топлива, уменьшилась за последние 20 лет в среднем на 2,3 %,что привело к повышению заболеваемости и смертности среди людей и животных, к болезням и гибели многих видов растений. Гибнет фитопланктон, восстанавливающий 70 % атмосферного кислорода из углекислоты. Имея в виду все возрастающий грузопоток по трассе Земля-космос, вызванный потребностями человечества, можно отметить перспективность предложенного проекта. В пересчете на одну тонну выводимого на ОИСЗ полезного груза рассматриваемая система в случае ее реализации будет уничтожать не более 500 кг стратосферного озона. Для сравнения заметим, что этот же показатель для УРКТС «Энергия» составляет 4 — 15 т, для ракет-носителей «Союз» и «Протон» — соответственно 30 и 40 т, а для американской системы «Космический челнок» — намного больше! Небольшая твердотопливная космическая ракета США «Скаут» является своеобразным «рекордсменом» — для нее этот показатель самый высокий. Заметим, что расчет минимальных оценок более сложен.
      Проект «космической пушки» может, по-видимому, рассматриваться и в качестве возможного средства для восстановления озонового слоя за счет доставки в него ожиженного или даже отвержденного озона, кислорода или воздуха.
     
      ATOM И РАКЕТА
      Идея о полном прекращении производства ядерных боеприпасов находит все большее понимание у народов мира. Появляются предложения и, как показано в гл. 5, даже конкретные проекты использования уже накопленного ядерного оружия в мирных целях. По инициативе СССР приняты первые основные резолюции ООН: о международном сотрудничестве в использовании космического пространства в мирных целях (20 декабря 1961 года), о невыводе на орбиту объектов с ядерным оружием (17 октября 1963 года), о настоятельной необходимости приостановки ядерных и термоядерных испытаний (27 ноября 1963 года) и т. п. Атомные электростанции, атомные ледоколы и другие корабли, атомные самолеты, атомные климатические установки и, наконец, атомные космические ракеты — это далеко не полный перечень возможных областей применения ядерной энергии в мирных целях.
      В настоящее время ядерная энергетика, у истоков которой стоял выдающийся советский физик академик И. В. Курчатов, уже вышла из младенческого возраста и не только доказала свою жизненность и рентабельность, но и превратилась в отрасль, которой суждено играть важную роль в будущей энергетике Земли. Ресурсы , ядерной энергетики намного превосходят все остальные ископаемые земные энергоресурсы. Ядерная энергия, как
      показали многочисленные исследования, может стать будущим и транспортной энергетики, включая энергетическое обеспечение космических транспортных средств. Последнее обусловлено тем, что ядерное сырье обеспечивает максимальную концентрацию энергии в единице массы, что является залогом создания компактных и энергоемких энергетических установок.
      Процессы, при которых выделяется ядерная энергия, подразделяются на радиоактивные превращения, реакции деления тяжелых ядер, реакции синтеза легких ядер, реакции аннигиляции вещества и антивещества.
      Радиоактивные превращения реализуются в изотопных источниках энергии. Один из таких источников был использован, например, па объекте «Луноход-1» и показал отличные энергетические и эксплуатационные характеристики.
      Для энергетических целей используются обычно искусственные радиоактивные нуклиды, значительные количества которых в настоящее время можно получить лишь в ядерных реакторах деления, облучая нейтронами исходные продукты Например. для получения распространенного в энергетических установках “радиоактивного изотопа 210Р_о в реактор закладывают после соответствующей очистки природный висмут (209Ш). Удельная массовая энергия искусственных радиоактивных нуклидов (энергия, которую может выделить 1 кг массы нуклида) значительно выше аналогичной величины химических топлив. Так, для 210Ро она равна 5-108 кДж/кг, в то время как для наиболее энергопроизводительного химического топлива (бериллия с кислородом), это значение не превышает 3-104 кДж/кг.
      Удобство работы с нуклидными источниками состоит в их простоте, способности выделять энергию в любых количествах (в зависимости от массы нуклида, как бы мала она ни была), хорошей защищенности персонала от ионизирующих излучений. Так, 210Ро испускает в основном а-частицы (ядра гелия), которые легко погЛбщаются сравнительно тонкими оболочками, и очень слабое у-излучение (на один распад приходится 10-5 у-квантов). В настоящее время с помощью подобных источников получают в основном тепло, которое выделяется при поглощении в материале тепловыделяющего элемента а- или р-частиц (электронов), испускаемых источником. Тепло может преобразовываться в электрическую или механи-
      ческую энергию. Так, выполнив тепловыделяющие элементы (твэлы) источника' вПзидё пористой массы или каналов, по которым прокачивается рабочее тело, можно получить радионуклидный реактивный двигатель. Схема такого двигателя напоминает схему ЖРД с той лишь разницей, что вместо камеры сгорания у него будет камера нагрева рабочего тела, заполненная пористым радионуклидным веществом.
      К сожалению, подобные двигатели применять на космических ракетах-носителях пока нерационально. Причина этого — пока еще высокая стоимость нуклидного вещества и трудности эксплуатации. Ведь радионуклид выделяет энергию постоянно, даже при его транспортировке в специальном контейнере, при стоянке ракеты на старте, при ее обслуживании и т. п.
      Если будет создано специальное автоматическое устройство, перегружающее источник без его перегрева и разрушения из охлаждаемого контейнера в камеру двигателя непосредственно перед стартом ракеты, то дорога в космос радионуклидным ракетам-носителям будет открыта. Возможен и другой путь — установка на ракете перед стартом всего двигателя, который во время предстартового обслуживания ракеты должен охлаждаться специальными наземными средствами. Существует и другая эксплуатационная проблема — проблема безопасности при разрушении источника, поскольку загрязнение атмосферы и земной поверхности радиоактивными продуктами недопустимо. По-видимому, выполнить это условие можно с помощью выбора нуклида с малым периодом полураспада, равным примерно половине времени выведения полезного груза на орбиту ИСЗ. Известно, что тяга двигателя при полете ракеты должна постепенно уменьшаться из-за уменьшения массы ракеты в результате расходования рабочего тела. Естественное уменьшение энерговыделения источником соответствует этому требованию, так как количество рабочего вещества, прокачиваемого через двигатель и выбрасываемого наружу в виде реактивной струи, уменьшается; кроме того, частичное или даже полное разрушение двигателя приведет к загрязнению окружающей среды на очень короткий срок. Правда, в этом случае перевозки нуклида недопустимы, и установку для его получения придется, по-видимому, создавать прямо на стартовой позиции, что связано с дополнительными трудностями в работе.
      В качестве рабочего тела нуклидного ракетного двигателя целесообразно применять воду как наиболее дешевое и безопасное вещество. Температура паров воды на выходе из нагревателя должна быть возможно выше, но здесь ограничивающим фактором является допустимая температура твэла. Таким образом, подбор твэлов с высокой рабочей температурой, достаточно энергоемких и дешевых в получении, — важная проблема на пути создания изотопного ракетного двигателя.
      Ядерные реакторы деления используют еще более энергопроизводительное топливо, чем изотопы. Так, удельная массовая энергия 235и (делящегося изотопа урана) равна 6,75-109 кДж/кг, т. е. примерно на порядок выше, чем у изотопа 210Ро.
      Ядерным ракетным двигателям посвящена обширная как специальная, так и популярная литература. Известно, что в США созданы экспериментальные образцы реакторов для таких двигателей и даже стендовые образцы двигателей, прошедшие успешные испытания. Все это говорит о том, что трудностей при создании ядерных ракетных двигателей на базе реакторов деления, по-видимому, меньше, чем при создании изотопных двигателей. Например, эти двигатели можно «включать», ядерное горючее (233и, 235и, 238и, 239и) значительно дешевле изо-топногоД температура твэлов даже при существующей технологии создания тугоплавких материалов примерно в 2 раза выше, чем температура изотопных источников, и составляет примерно 3000 К, в результате чего обеспечивается большой удельный импульс двигателей. В таких двигателях в качестве рабочего тела могут применяться не только вода, но и более эффективные рабочие вещества — спирт, аммиак, жидкий водород. Особенно высокие значения удельных импульсов (до 900 кгс-с/кг) можно получить, применив жидкий водород. Существуют и более экзотические проекты ядерных ракетных двигателей, в которых делящееся вещество находится в жидком, газообразном или даже плазменном состоянии. Двигатели с газообразным или плазменным рабочим веществом иногда называют двигателями «лампового типа», так как нагрев рабочего тела осуществляется в основном за счет излучения тяжелой урановой плазмы. Удельный импульс таких двигателей в случае применения в качестве теплоносителя водорода может составить 2500 кгс-с/кг. Нетрудно догадаться, что основные проблемы в создании таких двигателей — это разработка способа удержания уранового газа или плазмы, способа эффективного теп-лосъема, способов запуска и остановки. Существуют также предложения об использовании в качестве движущей силы последовательных взрывов ядерных (в том числе и термоядерных) зарядов. Подав такие заряды по специальному туннелю из хранилища в зону взрыва, отстоящую от космического аппарата на несколько десятков или сот метров и расположенную за специальной буферной плитой с амортизатором, и строго рассчитав момент взрыва, можно получить довольно эффективное воздействие продуктов взрыва на буферную плиту, которая через системы амортизаторов передает тяговые импульсы всей ракете. Огромные температура и давление, развиваемые в зоне взрыва, обеспечивают высокие значения удельных импульсов (или усредненных по времени удельных тяг). Заманчивость этой схемы ясна — она позволяет использовать для целей космонавтики огромные запасы ядерных и термоядерных боевых зарядов. Во втором случае это уже будет термоядерный двигатель.
      Более привлекательна, однако, схема термоядерного микровзрывного или же стационарно работающего ракетного двигателя. Рассмотренные выше двигатели, по-видимому, не пригодны для установки на ракеты, которые должны стартовать с Земли. Применять их в космосе также нерационально из-за высокой опасности для окружающей среды. Заметим, что в космических условиях для организации продолжительных дальних экспедиций значительно большие преимущества имеют двигатели малой тяги — ядерные электрореактивные двигатели, которые в виде законченных проектов и опытных образцов уже существуют.
      Нас же в первую очередь интересует энергетика ракет, стартующих с поверхности Земли. Считается, что термоядерный двигатель для таких ракет может оказаться более предпочтительным. Наиболее распространенное в природе термоядерное горючее — водород. Четыре атома водорода, превращаясь в один атом гелия, выделяют огромную энергию. Энергопроизводительность водорода в этой реакции составляет 6,45- 10п кДж/кг, т. е. примерно на два порядка выше энергопроизводительности ядерных реакций деления. Огромная аккумулированная в водороде термоядерная энергия создает предпосылки, как будет показано в дальнейшем, для создания принципиально нового типа космических тяговых систем.
      Космические ракеты с термоядерными водородными двигателями могут не запасать топливо на борту, а потреблять его непосредственно из окружающей среды.
      В настоящее время ученые всего мира работают над проблемой «приручения» термоядерных реакций, над созданием управляемых термоядерных реакторов и энергетических установок на их основе.
      Советские ученые занимаются разработкой этой проблемы вот уже более четверти века. Изучаются вещества, вступающие в термоядерные реакции при малой начальной температуре и дающие значительный энергетический выход, методы нагрева и удержания плазмы, а также многие другие проблемы, встающие на пути овладения этим новым энергетическим процессом.
      По-видимому, первые термоядерные установки будут работать не на чистом водороде, а на таких «пусковых» топливах, как смесь дейтерия и трития, смесь дейтерия и гелия, а возможно, и на тройных композициях.
      В 1978 году в СССР проведен так называемый физический пуск новой термоядерной установки «Токамак-10» (физический пуск — это проверка функционирования системы на нулевой мощности). Установка напоминает собой огромный трансформатор, вторичная обмотка которого заменена пустотелым тором, заполненным смесью дейтерия и трития. При подаче тока в первичную обмотку во вторичной возбуждается газовый разряд, причем плазменный шнур благодаря текущему по нему току начинает сжиматься и разогреваться. Важно, чтобы плазма не соприкасалась со стенками. Коснувшись стенок, плазма, во-первых, охлаждается, а во-вторых, загрязняется испарившимся материалом стенки, что ведет к еще большему охлаждению ее. Чтобы уменьшить влияние различных неустойчивостей, приводящих к деформации плазменного кольцевого жгута и смещению его от центра тора, применяют магнитные катушки.
      По свидетельству академика Е. П. Велихова: «в области управляемого термоядерного синтеза мы почти достигли той научной цели, к которой стремились 20 — 30 лет, — -получения условий, при которых выделенная в результате термоядерной реакции энергия сравнивается с затраченной. В системах «Токамак» получено 25 % затраченной энергии и, несомненно, в скором будущем будет достигнут водораздел ревакса. Наша следующая цель — создание термоядерной энергетики — задача научная, техническая и даже экономическая».
      Благодаря разработкам гиротронов в Институте прикладной физики появилась возможность не только нагревать плазму до термоядерных температур, но и контролировать профиль температуры, т. е. влиять на качество термоизоляции.
      В конце 1988 года в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова введен в строй «Токамак-15», обеспечивающий возможность работы при термоядерных температурах в 100 млн. К. Мощная термоядерная реакция в дейтериево-тритиевой плазме объемом 25 м3 при плотности 107 ч/м3 существует примерно 1 с. Высота и диаметр «Токамака-15» соответственно 6 и 8 м, а его важная техническая особенность — применение катушек из сверхпроводящего материала.
      В Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР успешно ведутся работы по инициированию термоядерных реакций с помощью лазерного излучения. Такой путь считают перспективным для импульсных термоядерных реакторов.
      Все это означает, что уже настало время для изучения инженерно-технологических вопросов создания термоядерных ракетных двигателей.
      Наибольшая энергопроизводительность характерна для реакции аннигиляции: вещество-и антивещество массой 1 кг должны выделить 9-1013 кДж энергии, что более чем на два порядка превышают .энергопроизводительность термоядерных реакций. Но в отличе от термоядерной проблемы задача создания аннигиляционных установок представляется более сложной из-за того, что не решены вопросы производства и хранения антивещества.
      Природные ресурсы антивещества пока неизвестны, существуют лишь предположения и косвенные данные о том, что в межзвездном пространстве оно может существовать в незначительных количествах — до 10-5 % обычного вещества. Большой интерес представляют запланированные эксперименты по обнаружению так называемых антизвезд с помощью нейтринных «телескопов». Астрофизики подсчитали, что при вспышке каждой сверхновой звезды выделяется мощный энергетический поток антинейтрино и нейтрино, причем если эта сверхновая звезда состоит из антивещества (антизвезда), то поток нейтрино из нее будет превышать поток антинейтрино. Для обычной же сверхновой звезды, состоящей из обычного вещества, энергетический поток антинейтрино будет примерно в 2 — 4 раза превосходить поток излучаемых нейтрино.
      Если когда-либо будут открыты антизвезды, то надежда на использование рассеянного в космосе антивещества существенно увеличится.
      Получение антивещества в земных лабораторных условиях потребует разрешения таких проблем, как получение элементарных античастиц, синтезирование из этих античастиц химических элементов антивещества в плазменном состоянии, охлаждение плазмы, сжижение и затем отверждение антивещества. Естественно, что все перечисленные процессы должны проходить в любой фазе без контактов антивещества со стенками установок для его получения (из вещества). Это условие и является одним из решающих в данной проблеме.
      Сейчас трудно предсказать, когда именно появится первое антивещество, пригодное для хранения на борту ракеты. Но темпы физических исследований растут с каждым днем. На ускорителях получают ядра антиводорода, а на новых ускорителях больших энергий — и более тяжелые ядра. Так, при энергии соударения протонов с бериллиевой мишенью 30 ГэВ получен антидейтрон, а при энергии около 70 ГэВ получены ядра антигелия. В Сибирском отделении АН СССР успешно ведутся работы по получению нейтрального газообразного антиводорода2.
      Следующий шаг — ожижение или отверждение антиводорода в целях его контейнирования в магнитном или электростатическом поле — еще не сделан, но он не так далек. По-видимому, можно предположить и возможность организации в будущем более сложного процесса — получения тяжелых элементов антивещества в результате термоядерного синтеза антиводорода, антидейтерия, антигелия и т. п. Охлаждение, конденсацию, а также хранение на борту этих веществ будет осуществить проще, чем водорода, однако представить всю технологию про-1 цессов пока еще трудно.
      Получение и возможность контейнирования значительных масс антивещества будут означать появление реальной основы для физических исследований и проектирования принципиально новых типов двигателей — фотонного и, как считают некоторые физики, антигравитационного.
      «Честь имею представить Императорскому русскому Техническому обществу мою работу о металлическом аэростате вместе с его бумажной моделью... Прошу покорнейше, уважаемое общество, пособить мне, по мере возможности, материально и нравственно», — это строки из письма К. Э. Циолковского, переданного черед Д. И. Менделеева в Техническое общество. Менделеев писал 26 сентября 1890 года: «...согласно с желанием г. Циолковского (очень талантливого господина) препровождаю в Техническое общество: 1) его письмо, 2) тетрадь его исследования о форме складного металлического аэростата и 3) бумажную модель к проекту г. Циолковского».
      Как известно, седьмой (воздухоплавательный) отдел Императорского русского Технического общества постановил «оказать г. Циолковскому нравственную поддержку, сообщив ему мнение Отдела о его проекте. Просьбу о пособии на производство опытов отклонить». Председатель этого отдела инженер Е. С. Федоров тогда заявил, что «аэростат обречен навеки силою вещей остаться игрушкой ветров». Эти слова впоследствии неоднократно повторяли многочисленные поколения противников управляемых аэростатов. К сожалению, основания к такому пессимизму были. Напомним хотя бы такой факт.
      Великобритания, Германия и США приняли на вооружение систему Цеппелина, однако построенные дирижабли не оправдали грандиозных военных и политических надежд. Из 129 построенных «цеппелинов» 83 погибло (большинство из них вне всякой связи с военными действиями; так, 13 дирижаблей сгорело в эллингах от случайного воспламенения).
      Потребовались годы труда, экспериментов, упорной работы по пропаганде управляемых аэростатов, в том числе и работы самого К. Э. Циолковского, чтобы проекты дирижаблей, основанные на новых конструкционных принципах, получили признание. Первая поднявшаяся в воздух модель такого дирижабля была собрана 15 сентября 1935 года из листов нержавеющей стали толщиной 0,1 мм. При сборке она имела размеры: длину 44 м, ширину Ими высоту 0,36 м. При наполнении водородом оболочка приняла форму веретена с максимальным диаметром 7 м. Модель поднимала в воздух 200 кг балласта.
      17 сентября 1986 года исполнилось 100 лет со дня написания К. Э. Циолковским рукописи «Теория и опыт аэростата, имеющего в горизонтальном направлении удлиненную форму» — первой работы великого ученого по дирижаблестроению.
      К сожалению, эта дата была отмечена коллективной статьей наших ведущих авиационных специалистов, направленной не только против возрождения дирижаблестроения, но и против создания гибридных аппаратов, использующих силу Архимеда. К счастью, многие из авторов статьи свои взгляды потом скорректировали.
      Известно несколько успешных попыток использовать аэростатическую силу в ракетной технике. Прежде всего необходимо отметить, что ее стали учитывать при расчете летных характеристик тяжелых космических ракет.
      П. В. Балабуев, Г. В. Новожилов, Г. П. Свищев, М. Н. Тищенко. В небе будущего. Какой быть воздушно-транспортной системе страны//Правда. 1986. 17 ноября.
      В качестве примера можно назвать космические ракеты «Сатурн-5», «Космический челнок», «Энергия». Кроме того, известны случаи применения в ракетной технике аэростатов. Например, в проекте Великобритании «Ро-кун» использовался аэростат типа «Скайхок», который поднимал на высоту до 25 км геофизическую ракету. Из-вестны и более сложные проекты с аэростатами в качестве первых ступеней. Американская фирма «Боинг Эйр-плейн» спроектировала для запуска и транспортировки ракет тороидальный баллон. Максимальный диаметр баллона 95 м, минимальный 43 м, а его грузоподъемность рассчитана на ракету массой до 45 т. Баллон разделен ка 16 отсеков общим объемом 105 м3 и выполнен из май-ларовой пленки. Этой же пленкой затянуто внутреннее отверстие тора, причем проведенные фирмой исследования показали, что струя от двигателей ракеты не вызывает разрушения баллона, т. е. аэростатная конструкция первой ступени может быть многоразовой. Баллон заполняется водородом или гелием, высота его подъема с ракетой 6 км, скорость в горизонтальном направлении при транспортировке ракеты на этой же высоте около 120 км/ч. Последняя достигается при одновременной работе установленных на баллоне трех авиационных двигателей, мощность каждого из них 3400 л. с. Двигатели закреплены шарнирно, что обеспечивает широкие возможности для маневрирования и парирования ветровых возмущений.
      Об эффективности аэростатических летательных аппаратов говорит такой факт: 20 июня 1958 года корреспондент агентства «Юнайтед Пресс Интернешнл» передал из г. Миннеаполиса сообщение о запуске в США пластмассового аэростата с грузом 102 кг на высоту 40 км. Такая огромная высота (для ее достижения космическая ракета расходует более 60 % своей начальной массы!) — не предел для аэростатических систем.
      Использование аэростатических подъемных сил целесообразнее всего начать с создания комбинированных систем, например реактивно-аэростатических.
      Так, заполненное газообразным водородом сигарообразное тело способно на начальном участке движения в земной атмосфере использовать аэростатическую силу, а затем — реактивную, получаемую путем истечения того же самого водорода и его сгорания в воздушно-реактивном двигателе. Подобный аппарат можно модифицировать, если на его передней части установить массозаборное устройство, а на хвостовой — реактивное сопло. Работая как ВРД с огромной камерой сгорания, плотность газа в которой меньше плотности окружающего воздуха, такой аппарат будет одновременно с реактивной развивать ощутимую аэростатическую силу. Вместо сгорающего горючего для нагрева воздуха может быть использован ядерный реактор.
      Существуют, наконец, многочисленные проекты, в которых искусственно увеличивается вертикальный градиент внешнего давления, который и создает аэростатическую силу.
      Наибольшее распространение получили проекты специальных пусковых установок, выполненных в виде вертикальных труб, внутри которых размещается ракета. В верхней части трубы, т. е. в области над ракетой, создается искусственное разрежение, а под ракетой за счет втекания воздуха, продуктов сгорания, воды (если труба опущена в море) или при комбинированных воздействиях возникает повышенное давление, создающее выталкивающее усилие. Исследования эффективности подобных сооружений проводятся длительное время в США в университете г. Дьюк (шт. Северная Каролина). Установлено, в частности, что для организации подобного старта ракеты «Атлас» (стартовая масса 115 т) с ускорением 10 требуется пусковая труба высотой 265 м и диаметром 3 м. В гл. 5 рассмотрен аналогичный проект, использующий энергию ядерных взрывов в системе с пусковой трубой высотой 1000 м.
      Подобные пусковые системы несколько напоминают увеличенные до гигантских размеров артиллерийские орудия, которые для запуска первых отечественных прямоточных двигателей были применены работниками ГИРДа еще в 1933 году. Необходимо отметить, что возможность применения артиллерийских орудий для предварительного разгона небольших ракет, а также аэродинамических моделей изучается до сих пор. В частности, в США при проведении подобных экспериментов используются тяжелые орудия с диаметром ствола более 400 мм.
      Вертикальные потоки атмосферного воздуха, вызванные местными аномалиями вертикальных градиентов давления или устойчивыми ветрами, взаимодействующими с горным рельефом поверхности Земли, также могут быть в принципе использованы для подъема летательных аппаратов. Эта проблема, хорошо знакомая планеристам, по мере развития средств предсказания динамики земной атмосферы может оказаться весьма актуальной и в космонавтике.
      Приведем ряд довольно простых рассуждений, из которых можно понять основные закономерности, лежащие в основе работы аппаратов, использующих аэростатическую подъемную силу. Известный еще из школьных курсов физики закон Архимеда позволяет сделать вывод о том, что удельная (приходящаяся на 1 м3 объема летательного аппарата) архимедова сила равна: (...)
      Устойчивость аппарата к ветровым воздействиям определяется нагрузкой на его мидель, т. е. отношением массы аппарата к площади его поперечного сечения. Очевидно, что с увеличением размера аппарата I масса растет быстрее, чем мидель, так как она пропорциональна I3, а мидель — только I2. Нагрузка на мидель при этом возрастает пропорционально I. Одновременно уменьшается зависимость от воздействия ветра и от турбулентности атмосферы.
      Таким образом, увеличение абсолютных размеров летательных аппаратов «легче воздуха» выгодно в отношении их грузоподъемности и оправдано с точки зрения их устойчивости и управляемости.
      Использование летательных аппаратов аэростатического типа возможно не только в пределах земной атмосферы, но и в плотных атмосферах других планет, например в атмосфере Венеры, где этот принцип наиболее эффективен. Действительно, организация экспедиции с посадкой на поверхность планеты довольно проблематична. Высокая температура атмосферы на поверхности Венеры (760 К) в сочетании с большим давлением (107 Па) практически исключают возможность пребывания там человека (во всяком случае, по современным представлениям).
      Многочисленные эксперименты, проведенные на спускаемых аппаратах станций «Венера», показали, что на высотах между 40 и 50 км от ее поверхности давление и температура примерно соответствуют земным. Кроме того, на высоте около 49 км заканчивается облачный покров и видимость становится удовлетворительной. Таким образом, спускаемый аппарат, выполненный в виде заполняемого гелием баллона и останавливающийся при снижении в атмосфере Венеры на высоте, соответствующей земным температуре и давлению, смог бы стать уникальным средством для пребывания людей около этой до сих пор загадочной планеты. Возможность регулирования высоты полета в зависимости от изменения давления, свободного перемещения вдоль поверхности планеты, сбрасывания на поверхность и запуска в лежащие выше слои атмосферы радиозондов и, наконец, использования окружающей среды для вентиляции и жизнедеятельности (путем выделения кислорода из углекислого газа атмосферы) создает условия для пребывания экипажа на Венере более комфортные, чем на Марсе.
      К этому необходимо добавить, что отработка такого летательного аппарата может быть проведена в земных условиях. И наконец, возможно применение на первом этапе автоматических аппаратов подобного типа. Такие аппараты, достигающие поверхности Венеры, уже созданы.
      Заканчивая раздел об аппаратах, использующих «даровую», по словам К. Э. Циолковского, аэростатическую силу, аппаратах, работа которых практически не приводит к загрязнению окружающей среды, можно еще раз сказать об их «многоликой» применимости. Это и самые дешевые транспортные средства, и универсальные атмосферные лаборатории, и первые ступени космических ракет-носителей, и, наконец, уникальные лаборатории, которые могут оказаться незаменимыми средствами для исследования многих планет Солнечной системы.
      Хорошо известно, что не только Венера, но и такие планеты, как Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, имеют мощную атмосферу. Атмосфера обнаружена (непосредственными наблюдениями или теоретически) у некоторых спутников планет. Ее имеют, например, так называемые галилеевские спутники Юпитера: Ио, Европа, Га-нимед и Каллисто. Имеется атмосфера и у Титана — спутника Сатурна, и у Тритона — спутника Нептуна. Пока еще мало данных о составах и термодинамических параметрах этих атмосфер, однако уже сейчас можно представить, что по аналогии с земными условиями атмосферы планет и их спутников будут затруднять, если не предусмотреть их специальное использование, возможность покидания этих небесных тел ракетными летательными аппаратами, уносящими пробы грунта, автоматические зонды или даже персонал будущих экспедиций. Один из рациональных способов использования планетных атмосфер — создание аппаратов аэростатического типа или комбинированных систем, применяющих также самолетные, вертолетные или атмосферно-реактивные методы создания тяговых усилий в дополнение к аэростатическим.
      Напомним, что К. Э. Циолковский, предвидя широкие возможности использования в будущем аппаратов «легче воздуха», говорил, что все затраты по созданию и строительству дирижаблей будут возмещены даже если они будут изготовляться из чистого золота.
      Успешно осуществленный в 1984 — 1986 годах проект «Вега», во время которого в атмосфере Венеры проводились исследования с помощью аэростатных зондов, — яркий тому пример. (Слово «Вега» составлено из начальных букв двух слов: «Венера» и «Галлей», означающих две главные задачи проекта — исследование Венеры и исследование кометы Галлея).
     
      ЧТО ТАКОЕ ВНЕШНИЕ РЕСУРСЫ
      Подъем аэростата в атмосфере Земли или удержание дирижабля в равновесии — типичный пример использования внешних ресурсов. В данном случае атмосфера Земли играет роль преобразователя градиента земного гравитационного поля в вертикальный градиент атмосферного давления. Иначе говоря, используется энергия гравитационного поля Земли.
      К внешним, т. е. не запасаемым на борту летательного аппарата, ресурсам можно отнести электростатическое и магнитное поля Земли, различные виды энергии атмосферы (механическую, тепловую, химическую и т. п.), энергию солнечного излучения, а также термоядерную энергию, которая потенциально сосредоточена во влаге, содержащейся в земной атмосфере.
      Даже сами по себе внешние космические массы — от мельчайших частиц мироздания (нейтрино, электронов, протонов, нейтронов и т.п.) и до скоплений галактик — также могут считаться «внешними» неиссякаемыми «кладовыми» ресурсов, необходимых для перемещения космических летательных аппаратов.
      Таким образом, внешними ресурсами космических тяговых систем считают инертные массы и энергетические источники, которые не запасаются на борту летательного аппарата, но могут использоваться для его движения, для создания тягового усилия.
      Деление внешних ресурсов на массовые и энергетические условно, так как это два эквивалентных понятия: 1 кг массы эквивалентен 9-1013 кДж энергии в соответ-ствии с известным соотношением специальной теории относительности
      определяющим потенциальную энергию массы покоя.
      Ранее были перечислены некоторые виды энергии околоземного пространства, составляющие как бы потенциальную энергию атмосферы. Возможность использования этих видов энергии в космических тяговых системах уже становится предметом изучения и даже фигурирует в нескольких выполненных проектах космических кораблей будущего. Тем более интенсивно ведутся работы по исследованию возможности использования в тяговых системах внешних ресурсов массы пока только в качестве рабочего тела реактивных двигателей. Проблема высвобождения всей потенциальной энергии массы покоя за счет аннигиляции еще ждет своего решения.
      Интересно, что предложения по использованию внешних ресурсов стали появляться практически одновременно с предложениями о космических полетах. И это не случайно — ведь космонавтика создавалась вслед за воздухоплаванием и авиацией.
      Основоположник идей о возможности использования в космической энергетике внешних ресурсов — К. Э. Циолковский.
      Ф. А. Цандер, Ю. В. Кондратюк, С. П. Королев, В. П. Мишин, М. В. Келдыш, В. П. Глушко также уделяли этой проблеме много внимания, особенно в двадцатые-тридцатые годы нашего столетия. Особое место занимают работы советского инженера Ф. А. Цандера, который исследовал применение крыла для подъема космических ракет в атмосфере и для спуска космических аппаратов на Землю и другие планеты, воздушно-реактивных двигателей для этих же целей, устройств для приема и преобразования солнечной энергии, электростатической зарядки космического корабля, использование электростатических движущих сил, гравитационного притяжения планет. Все эти мероприятия направлены на решение одной проблемы — отыскания наиболее доступных и рациональных путей осуществления космических полетов человека. Работы Ф. А. Цандера послужили отправной точкой многочисленных современных исследований по использованию внешних ресурсов массы и энергии для увеличения эффективности ракетно-космической техники будущего.
      В настоящее время многие из предлагавшихся методов использования внешних ресурсов уже осуществлены или находятся в стадии осуществления. Так, земная атмосфера используется для торможения спускаемых аппаратов при возвращении их из космоса, создания подъемной аэростатической силы (при запуске ракет с аэростатов), увеличения эффективности тяговых систем (использование аэродинамического качества, применение В проектах будущих систем химических, плазменных, ядерных, лазерных и электрических воздушно-реактивных двигателей и тяговых систем с накоплением атмосферных газов при полете в атмосфере и за ее пределами, использование тепла атмосферы).
      Существуют многочисленные проекты использования солнечного излучения для непосредственного создания тягового усилия (солнечный парус) или для получения механической, тепловой, электрической и других видов энергии.
      Находит практическое применение использование гравитационного поля и атмосфер планет для дополнительного ускорения, торможения или изменения плоскости орбиты летательных аппаратов, околоземного магнитного и гравитационного полей для ориентации летательных аппаратов и т. п.
      Естественно, что по аналогии с земными могут использоваться атмосферные и другие ресурсы остальных планет Солнечной системы, Солнца, межпланетного и межзвездного пространства.
      Все эти проекты и реализованные системы объединяет одна общая особенность — они предполагают использование внешних ресурсов в дополнение к бортовым ресурсам массы и энергии. Использование внешних ресурсов наряду с бортовыми массово-энергетическими ресурсами можно назвать первым этапом увеличения эффективности космических тяговых систем.
      Вторым этапом увеличения тяговой эффективности, радиуса действия и времени работы тяговых систем можно считать, по-видимому, использование внешних массово-энергетических ресурсов только в качестве дополнения к бортовым энергетическим ресурсам. Это будет означать, что создание энергоемких и компактных бортовых ядерно-энергетических устройств существенно увеличит время работы и дальность полетов подобных аппаратов в пределах Солнечной системы, поскольку эти параметры определяются в основном бортовыми запасами реактивной массы. Отказ от бортовых запасов реактивной массы будет означать также возможность дальнейшего увеличения количества транспортных операций по трассе Земля — орбита при ограниченном расходовании земных ресурсов. Возможности создания таких тяговых систем изучаются уже в настоящее время.
      Третий этап в использовании внешних ресурсов в космических тяговых системах будет характеризоваться отсутствием начальных (стартовых) бортовых запасов массы и бортовых аккумуляторов энергии, предназначенных для создания тяговых усилий.
      В летательных аппаратах, работающих по этому принципу, вся необходимая для движения энергия и реактивная масса черпаются извне и не сосредоточиваются на борту перед стартом. Примером системы такого типа могут служить проекты кораблей с «солнечным парусом», стартующих с околоземных орбит.
      Однако подобные системы принципиально применимы не только в межпланетном пространстве, но и для подъема летательного аппарата в космос непосредственно с поверхности Земли. Иначе говоря, внешних ресурсов массы и энергии в принципе достаточно для преодоления земного притяжения и аэродинамического сопротивления атмосферы. Поясним это на примере.
      В таблице приведено энергосодержание 1 м3 атмосферы (удельная объемная энергия атмосферы) в зависимости от высоты над поверхностью Земли. Как видно из таблицы, основная энергия заключена в содержащемся в атмосфере водяном паре, поскольку из него можно выделить водород, который затем использовать в реакции термоядерного синтеза.
      В настоящее время широкое распространение в авиации получили ВРД. Принцип их действия заключается в том, что они захватывают атмосферный воздух, который за счет подводимого к нему тепла разгоняется внутри двигателя и создает реактивную тягу. Тепло выделяется при сгорании горючего, которое подается в пропускаемый через двигатель воздух. В качестве горючего чаще всего используется керосин, но может применяться сжиженный газ, водород и т. д. Существуют проекты ВРД, использующие и ядерную энергию. Можно, очевидно, представить и термоядерный принцип получения энергии в таких двигателях.
      Посмотрим, достаточна ли термоядерная энергия, заключенная в земной атмосфере, для преодоления инерционного, гравитационного и аэродинамического сопротивления при выведении летательного аппарата в космос?
      Заметим предварительно, что удельная потенциальная энергия £у.п, сообщаемая 1 кг массы, выводимой в космос на бесконечное расстояние от Земли, Дж/кг, определяется соотношением (...)
      Энергия полета по орбите ИСЗ довольно велика: 1 кг массы обладает примерно такой же кинетической энергией, что и идущий на большой скорости электропоезд.
      Заметим, что в применяемых баллистических ракетах реальные затраты энергии выведения полезного груза на орбиту превышает 3,13-107 Дж/кг примерно на 10 — 20 % (8 — 10 % на преодоление гравитации, 1 — 5 % на преодоление аэродинамического сопротивления, 1 — 5 % на управление полетом). Но это только в том случае, если расчет ведется по массе летательного аппарата, выведенного на орбиту.
      Фактически же при выведении на орбиту любой массы современными средствами возникает необходимость попутно разгонять ракетные блоки и находящееся в них топливо. На это уходит основная доля (примерно 90 %) энергии, заключенной в топливе стартующей ракеты.
      Естественно, что летательный аппарат, использующий
      не бортовые, а только внешние ресурсы массы и энергии, должен быть одноступенчатым и многоразовым, поскольку такой аппарат наиболее эффективен как в эксплуатационном, так и в экономическом отношении. С учетом сделанных выше замечаний получаем, что удельная массовая энергия, необходимая для выведения такого летательного аппарата на орбиту высотой 150 км, равна 3,5-107 Дж/кг.
      Располагаемая мощность при использовании внешней энергии атмосферы, которая будет ежесекундно выделяться в преобразователях (в первую очередь в термоядерном реакторе), Дж/с, будет, очевидно, связана со скоростью полета следующим выражением: (...)
      В этих расчетах зависимость Н = Н (¿) подбиралась оптимальной, т. е. траектория была несколько более пологой, чем для современных баллистических ракет. Кроме того, расчеты проводились в предположении, что на борту имеются аккумулйторы энергии и массы (буферные аккумуляторы, насыщаемые в процессе выведения летательного аппарата на орбиту). Последнее оказалось необходимым для осуществления заключительного этапа выведения, на котором недостаток внешних ресурсов компенсируется их избытком на низких высотах. Наличие на борту аккумуляторов внешней массы, устройств, необходимых для обеспечения процесса ее аккумулирования, а также аккумуляторов внешней энергии (в данном случае речь идет об аккумулировании и отделении водородсодержащих компонентов атмосферы) требует, естественно, расходования энергии в процессе выведения. Все это и было учтено в принятом значении усредненного КПД, который на начальном участке полета превышает свое среднее значение (10%), а на конечном — меньше этого значения. Очевидно, рассмотренные принципы могут лежать в основе работы не только одноступенчатого, но и двухступенчатого летательного аппарата, имеющего аккумуляторы только на второй ступени.
      Результат расчетов весьма примечателен.
      Оказывается, могут быть созданы летательные аппараты, способные выходить в космос только за счет внешних (атмосферных) ресурсов энергии и реактивной массы. И не только выходить в космос, но и перемещаться в пределах земной атмосферы в любых направлениях, на любых высотах, находиться в полете практически неограниченное время! Вот что может дать использование в космических летательных аппаратах термоядерной энергии внешних ресурсов.
      Естественно, что не только у Земли, как в приведенном примере, но и у других планет Солнечной системы, имеющих атмосферу, есть свои ресурсы массы и энергии, которые также могут быть использованы для создания тяговых усилий. Однако количественные значения, определяющие эффективность их использования, пока еще в полной мере не исследованы.
     
      АВИАЦИЯ — КОСМОНАВТИКА
      В 1912 году научная общественность России широко отмечала 60-летие со дня рождения и 40-летие преподавательской деятельности профессора механики Московского университета Н. Е. Жуковского. К этому времени Н. Е. Жуковский — признанный всеми специалист в области аэродинамики и авиации. Он избирается почетным членом ряда вузов, в частности Рижского политехнического института, в котором в то время учился Ф. А. Цандер.
      Позднее в подписанном В. И. Лениным 3 декабря 1920 года Постановлении Совета Народных Комиссаров Н. Е. Жуковский назван «отцом русской авиации».
      В настоящее время, когда опыт современной авиации становится достоянием космонавтики, творческое наследие Н. Е. Жуковского, состоящее из более чем 220 работ, приобретает новое значение. Особое место занимают его капитальные труды по теории реактивного движения.
      Из предыдущей главы ясно, что использование внешних ресурсов массы и энергии позволяет летательному аппарату перемещаться в пределах земной атмосферы (до высоты 150 км), приобретая соответственно и космические скорости полета. При этом речь шла об использовании только одного вида энергии, а именно заключенной в атмосфере потенциальной термоядерной энергии связанного водорода. В таблице на с. 80 приведены и дру-
      гие виды энергии, которые так или иначе могут быть использованы для движения летательного аппарата, но их величина меньше величины термоядерной энергии, поэтому и применение таких видов энергии, как механическая, тепловая, конденсации, возможно, скорее всего, на малых высотах (до 25 км), т. е. на высотах, освоенных современной авиацией.
      Говоря о ракетах будущего, мы применяли три термина, характеризующих летательные аппараты разного типа. Термин воздухоплавание применялся в своем первоначальном виде только для летательных аппаратов «легче воздуха», таких, как аэростаты, дирижабли, шары-баллоны и т. п. Для воздухоплавания характерны легкие, наполняемые гелием, горячим воздухом или водородом конструкции большого объема, низкие (дозвуковые) скорости полета. Термин авиация применяется в настоящее время к летательным аппаратам, опирающимся при полете на атмосферу Земли. Для авиации характерно многоразовое использование материальной части, умеренные скорости полета, начиная от малых дозвуковых и кончая превышающими звуковые в 3 — 4 раза, умеренные высоты полета (до 40 км), использование внешних атмосферных ресурсов в тяговых устройствах и как опорной среды при полете. Современная авиация — широко и всесторонне развитая отрасль техники и народного хозяйства, а сами авиационные средства представляют собой широкий спектр технических устройств, использующих различные принципы полета. Существуют самолеты, вертолеты, комбинированные средства, разработанные как для решения различных специальных задач, так и для универсального применения.
      Термин космонавтика (от греческих слов космос, т. е. порядок, и наутик, т. е. искусство мореплавания) означает полеты в космическое пространство, а также совокупность отраслей науки и техники, обеспечивающих освоение космического пространства и внеземных объектов для нужд человечества.
      Космонавтика первоначально имела дело с летательными аппаратами (ракетами и космическими аппаратами), которые для своего движения использовали только бортовые запасы массы и энергии (бортовые массово-энергетические ресурсы), применялись однократно, но зато могли достигать космических скоростей полета — около 8000 м/с (что на высоте 150 км в 20 раз больше скорости звука). Трассы запуска, а также масса и габаритные размеры полезного груза для каждой ракеты были строго фиксированы. Иначе говоря, универсальных космических ракет первоначально не было.
      Таким образом, на заре развития космонавтика существенно отличалась от авиации. В настоящее время космонавтика освоила и успешно применяет для посадки спускаемых аппаратов в атмосфере Земли и атмосферах других планет такое сугубо авиационное средство, как парашют, появились проекты космических ракет-носителей, у которых на первых степенях устанавливаются ДУ, использующие внешние (атмосферные) массово-энергетические ресурсы. Космонавтика освоила все авиационные скорости и высоты полета. Космические летательные аппараты постепенно, начиная с кораблей «Союз» (СССР) и «Аполлон» (США), приобретают свойства авиационных конструкций. Так, и «Союз», и «Аполлон» могли использовать при входе в атмосферу аэродинамическое качество.
      Созданный в СССР космический аппарат «Буран» рассчитан подобно авиационным конструкциям, на многократное использование, и по своей схеме и аэродинамической компоновке напоминает современный самолет-бес-хвостку, например, англо-французский «Конкорд».
      В печати, особенно зарубежной, часто можно встретить утверждение, что система «Энергия — Буран» (рис. 1, рис. 2) полностью скопирована с американского аналога — «космического челнока» (рис. 3). А между тем, отечественная система имеет несколько принципиальных положительных отличий.
      Водородные ЖРД расположены не на корабле, а на водородном блоке. Следовательно, центральный блок и боковые ускорители могут быть использованы как универсальные элементы для создания целого ряда носителей, отличающихся количеством боковых ускорителей (от двух до восьми) и массой выводимого груза. Так, носитель, испытанный 15 мая 1987 года, способен выводить на ОИСЗ более 100 т полезного груза при той же практически стартовой массе, что и у «Космического челнока» США, выводящего около 30 т в орбитальном самолете, без которого полет системы вообще не-
      Рис. 1. Универсальная ракетно-космическая транспортная система (УРКТС) «Энергия» с кораблем многоразового использования «Буран» в стартовой конфигурации
      Рис. 2. Первые секунды после старта УРКТС
      Рис. 3. Ракетно-космическая транспортная система США «Космический челнок» в стартовой конфигурации на пути к месту старта. В качестве транспортировщика используется самоходное стартовое устройство «лунной» ракеты-носителя «Сатурн-5»
      возможен. Орбитальный корабль «Буран» по сравнению с «Космическим челноком» имеет более высокое аэродинамическое качество, более удобную для размещения груза центровку, меньшую массу — ведь у него нет тяжелой и широкой кормы с маршевыми двигателями, и через его фюзеляж тяга и управляющие моменты от этих двигателей не передаются.
      Применены экологически чистые топливные компоненты. Глобальная экологическая эффективность УРКТС «Энергия», определяемая вредным воздействием на стратосферный озонный слой, во много раз выше, чем у «Космического челнока», твердотопливные ускорители которого только за один пуск доставляют в озонный слой несколько сотен тонн разрушающих его соединений хлора, аэрозолей и оксидов азота.
      Осуществлена по-самолетному отработка режимов функционирования к о -
      рабля«Буран» на атмосферном участке полета. Корабль на время отработки оснащался воздушно-реактивной двигательной установкой (ВРДУ) и самолетными навигационными системами, производил самостоятельный пилотируемый взлет со взлетно-посадочной полосы (ВПП) и посадку на нее как по пологой (самолетной), так и по крутой, характерной для космических кораблей глиссаде (напомним, что глиссадой в авиации называется проекция посадочной траектории на вертикальную плоскость, параллельную оси ВПП). Такая процедура отработки, условно названная горизонтально-летными испытаниями (ГЛИ), отличается от метода отработки в США, предусматривающего сброс корабля с модифицированного самолета «Боинг-747», и возможна благодаря тому, что корабль не имеет маршевых двигателей. Мы считаем также, что ГЛИ — это прообраз функционирования на атмосферном участке полета будущих космопланов — многоразовых одноступенчатых и двухступенчатых космических кораблей самолетной схемы.
      Создан уникальный комплекс авиационной транспортировки (КСАТ) как самого «Бурана», так и криогенных баков и других сверхгабаритных элементов УРКТС «Энергия» (рис. 4, 5). Комплекс состоит из самолетов ВМ-Т и «Мрия», наземного транспортного и подъемно-перегрузочного оборудования, а также транспортируемых грузов, включающих в свой состав на период перевозки объекты транспортировки, например криогенные баки. Очевидно, что КСАТ может найти широкое народнохозяйственное применение. Заметим, что перевозка «на спине» самолета ракетных блоков, да еще без специальных контейнеров — задача более сложная, нежели перевозка орбитального корабля, т. е. другой самолетной конструкции.
      Предусмотрена возможность беспилотной автоматической посадки корабля на ВПП, вызвавшая после космического полета «Бурана» 15 ноября 1988 года настоящую сенсацию в технических кругах, знакомых с этой проблемой. Завершающий участок посадки — самый трудный и ответственный. Для его автоматизации на концах ВПП устанавливаются радары, уйравляющие с помощью бортовой автоматики высотой и скоростью полета вплоть до касания ВПП. На Байконуре ВПП идеально прямая, но не идеально горизонтальная, иначе из-за шарообразности Земли радар «не увидит» момент касания.
      На «Буране» установлена объединенная д в и г ате л ьн а я установка (ОДУ), работающая на экологически чистых компонентах (углеводородное горючее и жидкий кислород в качестве окислителя). Эксплуатация ОДУ по сравнению с отдельными блоками реактивной системы управления и орбитального маневрирования «Шаттла», работающими к тому же на ядовитых компонентах, проще не только из-за экологических соображений, но и из-за того, что не вносит ограничений в полетные программы, обеспечивающие одинаковый расход топлива из отдельных модулей.
      И тем не менее оба проекта используют множество авиационных элементов и авиационных принципов.
      Все это говорит о том, что современная космонавтика, постепенно совершенствуясь, все более и более сближается с авиацией. Сближается, но не копирует ее.
      Однако и авиация использует уже достаточно богатый «космический» опыт. Применение ракетных топлив, ракетных двигателей, «космических» материалов, ракетных ускорителей (по сути дела, ракетных первых ступеней) позволяет современной экспериментальной авиационной технике штурмовать огромные высоты (до 100 км), осваивать невиданные ранее скорости полета, приближающиеся к космическим. Особенно важно отметить, что современная авиация все больше использует принципы автоматического управления, уже зарекомендовавшие себя в космонавтике. Бортовые цифровые вычислительные машины, а также аналоговые и моделирующие устройства в сочетании с новыми видами тренажеров позволяют существенно повысить надежность самолетов и облегчить труд пилотов.
      Вот почему наметившаяся тенденция сближения авиации и космонавтики будет, по-видимому, продолжаться и дальше. Об этом говорят многочисленные проекты летательных аппаратов будущего, имеющие черты как авиационных, так и космических конструкций. То же самое можно сказать и о принципах их функционирования. Можно считать, что основной проблемой, которая должна быть решена при создании будущих ракетно-космических конструкций, является проблема их универсальности и многоразовости. Такие факторы, как необходимость в настоящее время для каждого космического запуска изготовлять новую ракету-носитель, модифицировать ее при изменении (порой даже незначительном!) массы, габаритных размеров, координат центра тяжести полезного груза, необходимость выделять большие по площади зоны отчуждения для падения отработавших блоков и других элементов ракеты, невозможность устранить даже малейшую неисправность, возникшую в автоматическом космическом аппарате при его работе в космосе, высокая стоимость разработки и изготовления космических конструкций, не позволяют пока космонавтике сделаться массовым, удобным и рентабельным компонентом производственной деятельности людей. До сих пор любой космический запуск остается уникальным явлением современного научно-технического прогресса.
      Универсальность и многоразовость — две стороны одной и той же проблемы. Создавая, например, многоразовый ракетный блок, т. е. решая проблему его сохранения в полете и при посадке на Землю, можно одновременно решить и проблему универсальности его полета по различным азимутам при выведении. Проектируя ракету многоразовой, т. е. рассчитывая ее на многократное использование в течение определенного времени, надо предусматривать ее применение для выведения полезных грузов, различных по массе, габаритным размерам, составу, центровкам (расположению центра тяжести), жесткости (степени деформируемости под нагрузками) и т. п. Иначе говоря, многоразовость ракеты в какой-то степени предопределяет ее универсальность.
      Небезынтересно отметить, что еще К- Э. Циолковский писал о космонавтике и авиации: «Звездоплавание нельзя и сравнивать с летанием в воздухе. Последнее — игрушка в сравнении с первым». Он первый высказал мысль о возможности многоразового использования разгонных ступеней2: «Вообще, совершив свое дело, т. е. отправив последнюю ракету в космическое путешествие, все остальные ракеты, какой бы то ни было системы, пролетев более или менее длинный путь в атмосфере, планируй, спускаются на сушу или воду и опять могут служить для того же». Вот что К. Э. Циолковский писал в той же книге об использовании в космических ракетах внешних ресурсов: «Реактивными приборами я занимаюсь с 1895 г.
      И только теперь, в конце 34-летней работы, я пришел к очень простому выводу относительно их системы... Обратим внимание на то, что мы принимаем запас горючего в четыре тонны. Если же мы сумеем воспользоваться хоть отчасти кислородом воздуха, то достаточно будет взять одну тонну горючего. Значит, у нас будет экономия в три тонны». К- Э. Циолковский пишет о возможности создания первых, или разгонных, ракетных ступеней в виде самолетных конструкций, использующих аэродинамические силы, внешнюю массу для создания тяги, накопления атмосферных компонентов в плотных слоях атмосферы, и их использования в верхних разреженных слоях для создания реактивной тяги.
     
      КОСМИЧЕСКИЕ ТРУЖЕНИКИ
      Прошло больше четверти века с того незабываемого дня 12 апреля 1961 года, когда наш соотечественник Юрий Алексеевич Гагарин совершил первый в мире космический полетна корабле-спутнике «Восток». Этот полет стал величайшим событием в истории человечества, ознаменовав новую эру в его развитии, эру пилотируемых космических полетов.
      Перед стартом Юрий Алексеевич сказал: «Я подумал о той колоссальной ответственности, которая пала на меня. Первым совершить то, о чем мечтали поколения людей, первым проложить дорогу человечеству в космос!».
      С честью завершив свой исторический полет, Ю. А. Гагарин получил поздравительную телеграмму от будущих астронавтов США М. Карпентера, Л. Купера, Д. Гленна, В. Гриссома, У. Ширры, А. Шепарда, Д. Слейтона.
      Правда, суборбитальные (без выхода на орбиту искусственного спутника Земли) полеты А. Шепарда и В. Гриссома, совершенные соответственно 5 мая и 21 июля 1961 года после космического полета Ю. А. Гагарина, следует считать пробными. Первым астронавтом США стал Д. Гленн, совершивший свой трехвитковый полет 20 февраля 1962 года после суточной вахты в космосе нашего космонавта-2 Г. С. Титова, стартовавшего 6 августа 1961 года.
      Рождалась новая профессия, представители которой — космонавты — стали олицетворением мужества, спокойствия, здоровья, умения работать в сложных, а порой и экстремальных условиях со сложнейшей техникой.
      Профессия космонавт возникла как синтез многих земных профессий, причем количество навыков, тренированности и психофизических свойств дало новое профессиональное качество — пригодность людей жить и успешно работать в особо враждебной для человеческого организма среде, где господствуют невесомость, космический вакуум и губительные излучения.
      И медикам, и инженерам нелегко дались первые космические полеты. Неизвестно было буквально все. Огромная ответственность. Бессонные ночи или страшные сны — чего только не способно выдумать наше воображение! Например, всерьез рассматривался вопрос о возможности полной или частичной потери рассудка в космосе. Нелегко далась и невесомость. Это сейчас комплекс наземных тренировок гарантирует в невесомости почти комфортные условия. А первые космонавты удлиняли время пребывания в космосе буквально несколькими сутками, и каждый раз после очередного приземления были уверены, что отлетали на пределе человеческих возможностей. Им пришлось преодолеть массу психологических барьеров, унять чувство падения в бездну, возникающее в невесомости, приспособиться к отсутствию «верха» и «низа», преодолеть сильные головные боли из-за прилива крови к голове, заставить себя поверить в искусство инженеров, отгородивших их от космического вакуума тонкой оболочкой космического корабля с большим количеством пробок, гермовыводов, иллюминаторов, плат и других устройств, часть которых так тонка, что почти прозрачна на просвет. Космонавты свыклись с мыслью, что им практически не опасны метеорные тела.
      Ультрарелятивистские частицы — те самые, которые, попадая в земную атмосферу, вызывают так называемый атмосферный ливень или множественное рождение огромного количества вторичных частиц в нескольких поколениях, — в космосе ведут себя иначе. Они практически беспрепятственно проникают сквозь обшивку корабля и, проходя сквозь мозг космонавта, вызывают иногда необычные, просто фантастические ощущения. Если это происходит во сне, космонавту кажется, что он ярко, в цветном изображении видит все предметы. То же происходит и во время бодрствования с реальной окружающей обстановкой. Подобных примеров и открытий довольно много.
      Космос переносится трудно. Многие космонавты расценивают космический полет как потрясение. Все спасение — в работе. Работа должна быть непрерывной, интенсивной, интересной, важной и, конечно, приносить удовлетворение. А для этого требуются не только огромное желание, но и определенные навыки, умение.
      Для профессии космонавта наиболее характерны признаки инженеров-исследователей и инженеров-операторов (работа со сложнейшей техникой и аппаратурой, с физическими и астрофизическими приборами, с биологическими приборами и объектами), летчиков-испытателей (необходимость мгновенного принятия единственно правильного решения, хорошее знание техники и ее особенностей, умение ею управлять в штатных и нештатных ситуациях), моряков-подводников (длительное пребывание в замкнутом помещении, ограниченная подвижность, постоянный коллектив, специфический газовый состав атмосферы — особенно в нештатных случаях), водолазов (тяжелая физическая работа в скафандре), моряков надводных кораблей (сопротивляемость укачиванию, готовнЬеть к приводнению и к попаданию спускаемого аппарата в штормовое море, умение пользоваться плавсредствами, светосигнальным и другим оборудованием при нахождении в открытом море), пожарников (работа в экстремальных условиях, в неблагоприятной и вредной для человека окружающей среде), медиков (хорошее знание биологических особенностей человеческого организма, навыки общения с медицинской аппаратурой и приборами, оказания помощи пострадавшим), радиотелефонистов (умение вести переговоры и обмен информацией по различным каналам связи, восстанавливать связь при ее нарушении), слесарей-ремонтников (ремонт, восстановление и замена вышедшей из строя техники, в том числе сложных механических, энергетических и радиоэлектронных приборов и систем) и т.д.
      Для профессии космонавта характерны дополнительные, совершенно незнакомые людям других профессий навыки — умение переносить длительные перегрузки, длительное пребывание в условиях невесомости, преодолевать эмоциональные ощущения, связанные с оторванностью от Земли, враждебностью космического пространства, невозможностью получить немедленную помощь извне, зависимостью от четкой работы техники и т. д.
      В настоящее время центр тяжести профессиональной подготовки наших космонавтов направлен на умение работать с орбитальным комплексом, на длительное пребывание в космосе. На орбитальной станции «Салют-7» 211 суток успешно проработал экипаж А. Н. Березового и В. В. Лебедева, 237 суток — экипаж Л. Д. Кизима, В. А. Соловьева и О. Ю. Атькова. Орбитальная станция нового поколения «Мир» позволила увеличить время пребывание на ней экипажей до одного года (В. Г. Титов, М. X. Манаров), повысить насыщенность их работы.
      Новые, мощные универсальные ракеты-носители «Энергия», испытания которых начались в СССР 15 мая 1987 года, предназначены для выведения на околоземные орбиты не только крупногабаритных космических аппаратов научного и народнохозяйственного назначения, но и многоразовых орбитальных кораблей «Буран». Следовательно, и подготовка космонавтов, которым предстоит работать на таких кораблях, должна претерпеть ряд существенных изменений. В более отдаленном будущем, когда возникнет необходимость и станет возможным осуществлять длительные экспедиции к планетам Солнечной системы, программа подготовки космонавтов и их отбора из числа добровольцев снова будет скорректирована.
      Наконец, сейчас трудно предугадать все детали, но, по-видимому, XXI век окажется веком первого межзвездного полета, т. е. полета международного космического аппарата с международным экипажем за пределы Солнечной системы. Как отбирать и готовить космонавтов для такого полета? Ведь это будет полет продолжительностью в десятки лет! Космонавтов в таком полете ожидает огромное количество неожиданностей и опасностей. Им придется много работать и умственно, и физически, иметь обширнейшие знания и практические навыки, многие операции, особенно требующие быстрой реакции, выполнять заученно, автоматически.
      По-видимому, кандидатов на такой полет придется отбирать еще с младенческого возраста и готовить к полету с детства. Они, безусловно, будут привлекаться и к исследовательским работам, и к практической инженерной деятельности по разработке и постройке межзвездного корабля.
      Не только нынешнее поколение космонавтов, но и пилоты будущих межпланетных ракет по-хорошему им позавидуют.
      Бесконечные и трудные вахты в межзвездном пространстве, где нет не только Солнца и Луны, но и знакомых созвездий, ответственная и кропотливая работа по управлению многочисленными бортовыми системами и осуществлению навигации в условиях релятивистского полета, нелегкая работа по налаживанию и поддержанию радиосвязи с Землей — эти и многие другие непростые проблемы, ждущие своего решения, манят вдаль и тревожат воображение и нынешних космонавтов, и нынешних ракетостроителей.
     
      ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ТЕРМОДИНАМИКА И КОСМИЧЕСКИЙ ТУРИЗМ
      Путь в космос лежит через атмосферу. Это и хорошо, и плохо. Хорошо потому, что атмосфера может служить опорной средой для тяговой системы, рабочим телом и источником энергии для ДУ, охлаждающим компонентом и рабочей средой для энергетических агрегатов, источником тепла для ДУ и энергосистем, использующих запас холода криогенных компонентов, размещаемых на борту, и т. п.
      Но в то же время атмосфера в настоящее время считается одним из основных препятствий на пути в космос. Поясним это подробнее.
      При подъеме в атмосфере возникает аэродинамическое лобовое сопротивление. Сначала оно растет из-за увеличения скорости движения ракеты, а затем после достижения максимального скоростного напора начинает падать вследствие уменьшения плотности атмосферы с высотой. В среднем из-за наличия аэродинамического лобового сопротивления массовая отдача, т. е. отношение массы выводимого полезного груза к полной стартовой массе ракеты, уменьшается на 3 — 5 %.
      Аэродинамическое лобовое сопротивление приводит к возникновению аэродинамических нагрузок, т. е. изменяющихся во время полета распределенных давлений, действующих на все обтекаемые внешним потоком поверхности. Возникает необходимость ради нескольких секунд полета ракеты на максимальных скоростных напорах существенно упрочнять и утяжелять ее конструкцию, а также предусматривать специальные обтекатели для полезного груза, антенн и других элементов. Уменьшение массовой отдачи вследствие аэродинамического нагружения составляет в среднем 7 %.
      При работе ДУ возникает акустическое нагружсрие элементов ракеты, вызванное акустическим излучением от сверхзвуковых струй. Интенсивным оно бывает в первые секунды полета, а при достижении ракетой звуковой скорости практически исчезает совсем. Характерно, что относительная доля акустической энергии, передаваемой ракете от струй, растет с увеличением ее размеров. В связи с этим и снижение массовой отдачи растет с увеличением размеров и стартовой массы ракеты. Так, для легких ракет, предназначенных для выведения 10 т полезного груза, эта потеря составляет всего 1 %. Для тяжелых ракет (типа американской ракеты «Сатурн-5», выводившей около 100 т полезного груза) потери составляли уже примерно 5 %. И наконец, расчеты показывают, что при создании сверхтяжелой ракеты, выводящей 500 т полезного груза, эти потери составят 25 %• При дальнейшем увеличении размеров и стартовой массы ракет эти потери возрастут, делая невозможным, например, создание работающей по современным принципам ракеты, выводящей, скажем, 10 000 т полезного груза.
      При разгоне ракеты в атмосфере из-за возникновения турбулентности в пограничном слое потока, обтекающего ракету, возникает сопротивление трению и так называемые псевдоакустические пульсации давления, борьба с которыми, а также необходимость звукоизоляции обитаемых отсеков приводят к потерям примерно 1 % массы выводимого полезного груза. Для легких ракет это число меньше. Потери растут с увеличением размеров ракет, достигая для сверхтяжелых аппаратов (масса полезного груза 500 т) 4 %.
      Псевдоакустические пульсации могут вызвать упругорезонансные колебания обшивки ракеты (так называемый панельный флаттер), которые недопустимы.
      При полете с околозвуковыми скоростями происходит перестройка потока в носовой части ракеты и на выступающих элементах. Давление в этих зонах изменяется скачкообразно, создавая резкие ударные нагрузки на конструкцию. Потери полезного груза из-за бафтинга (так называется это явление) составляет около I %,увеличиваясь для сверхтяжелых ракет до 3 %.
      При полете в атмосфере с высокими сверхзвуковыми скоростями происходит аэродинамический нагрев, требующий подбора необходимых толщин конструкционных материалов или применения теплоизоляции. Потери массы полезного груза составляют при этом 0,1 — 0,2 %.
      Если в ракете применены криогенные топливные компоненты, например жидкие водород и кислород (пара компонентов, предложенная еще К- Э. Циолковским), то необходимы мероприятия, предотвращающие или компенсирующие передачу тепла из атмосферы к этим компонентам. Если компоненты не теплоизолированы, то они начинают кипеть, и необходима подпитка баков перед стартом из наземных емкостей. При полете первой ступени баки последующих ступеней могут подпитываться от первого (разгонного) ракетного блока, но это требует сложных бортовых коммуникаций. Чаще приходится мириться с непроизводительными потерями компонентов в полете. Эти потери можно исключить, использовав так называемые переохлажденные компоненты, однако при таком способе требуется теплоизоляция баков. В среднем потери массовой отдачи составляют 0,5 — 1 % независимо от способа хранения криогенных компонентов или подпитки баков. Следует подчеркнуть, что это только потери из-за передачи тепла от атмосферы, поскольку криогенные компоненты требуют реализации и других мероприятий по обеспечению их забора из бака, по наддуву бака и т. п., что также связано с потерями, которые, однако, не являются предметом нашего рассмотрения, так как не характеризуют именно атмосферный участок полета.
      Примерно 0,5 % потерь массовой отдачи связано с ветровым нагружением ракеты во время предстартовой подготовки. Ветровое воздействие на летящую ракету приводит к ее дополнительному нагружению и требует энергетических и массовых затрат на управление, что эквивалентно снижению массовой отдачи на 1,5 — 2%. Эти потери есть всегда, даже при запусках в безветренную погоду, так как на высотах 9 — 12 км всегда существуют так называемые струйные течения. Кроме того, конструкция современной ракеты рассчитана на предельно допустимые ветры, восходящие токи и возможную атмосферную турбулентность.
      Подобная же добавка к массе стартующей ракеты делается из-за возможного изменения термодинамических параметров атмосферы, например из-за возможного увеличения ее плотности, определяющей потери на аэродинамическое сопротивление. Этот вид потерь обсуждался выше и определялся для так называемой стандартной атмосферы. Потери вследствие изменения термодинамических параметров в среднем равны 0,5 %.
      На атмосферном участке полета ракеты возникают и газодинамические потери (причем очень значительные).
      Донное сопротивление характерно для тяжелых, а тем более для сверхтяжелых ракет, имеющих сложные ДУ, состоящие из нескольких двигателей (в настоящее время для таких ракет используются в основном ЖРД и РДТТ). Донное сопротивление возникает из-за того, что на не занятые двигателями участки днища ракеты (для тяжелых и сверхтяжелых ракет площадь их составляет не меньше половины площади максимального поперечного сечения) действует давление, которое меньше давления атмосферы. Этот эффект возникает вследствие эжекции газа струями двигателей из так называемого заданного пространства. Донное сопротивление, как правило, максимально в начале полета, а также на режиме, при котором скорость ракеты примерно равна скорости звука, и постепенно уменьшается с уменьшением давления атмосферы при наборе высоты. На высотах больше 30 км может возникнуть донный подпор — дополнительная донная тяга, обусловленная взаимодействием истекающих струй между собой, вызывающим обратные потоки газов, которые и воздействуют на днище. Однако этот положительный эффект не может полностью компенсировать потери. Снижение массовой отдачи из-за донного сопротивления для легких ракет составляет около 3%, а для тяжелых и сверхтяжелых — 4 — 8 % (в зависимости от выбранной компоновочной схемы ДУ).
      Значительные потери массовой отдачи (до 5 %) вызваны нерасчетностью истечения струй из сопл двигателей. Дело в том, что тяга ракетного двигателя складывается из кинетического импульса, определяемого массой и скоростью истечения продуктов сгорания, и так называемой статической составляющей, равной произведению площади выходного сечения сопла на разность давлений статического в выходном сечении сопла и окружающего в невозмущенной полетом ракеты атмосфере. Полет до момента равенства этих давлений связан, таким образом, с потерями тяги ДУ.
      Незначительные (порядка 0,1 %) потери связаны с затеканием воздуха в негерметичные отсеки ракеты и необходимостью его разгона в этих отсеках при полете (разумеется, с учетом истечения этого воздуха при уменьшении окружающего давления).
      Полет ракеты в атмосфере, а также ее предстартовое обслуживание требуют принятия ряда профилактических мер — антикоррозионной защиты и обеспечения пожаро-взрывобезопасности, организация которых составляет соответственно 0,1 — 0,2 и 0,1 — 0,5 % потерь в массовой отдаче.
      Следует, наконец, сказать и о мероприятиях по сохранению атмосферы как одного из важнейших компонентов окружающей среды. Известно, например, что многочисленные проекты ракет с ядерными двигателями не получили развития именно из-за возможного загрязнения атмосферы радиоактивными веществами.
      В последнее время проблема сохранения атмосферы приобретает все более важное значение, так как многочисленные индустриальные объекты, а также транспорт во все больших количествах поглощают атмосферный кислород, загрязняют атмосферу, нарушают ее тепловой баланс и газовый состав. Весьма опасными, как мы уже говорили, для земной атмосферы являются полеты ракет. По-видимому, полет тяжелых и сверхтяжелых ракет через озонный слой должен сопровождаться максимально возможным уменьшением тяги их ДУ, что, естественно, также приведет к снижению массовой отдачи. Возможен другой вариант — создание тяги за счет истечения газов, не приводящих к разрушению озонного слоя. Потери массы полезного груза от применения любого из этих мероприятий может достигать 10 %
      Итак, мы рассмотрели компоненты относительных потерь массы полезного груза, обусловленного полетом космической ракеты-носителя через земную атмосферу. Оказалось, что эти потери равны для легких космических носителей («Союз», «Протон», «Зенит») 25%, для тяжелых («Сатурн-5», «Энергия», «Космический челнок») 30 — 35 % и для сверхтяжелых 55 — 60 %. Если бы Земля не имела атмосферы, то эффективность современных космических ракет была бы соответственно выше.
      Существуют два пути повышения эффективности космическых ракет — минимизация перечисленных выше потерь, а также использование атмосферы как полезного фактора. В качестве одного из критериев эффективности можно рассматривать массовую отдачу, т. е. отношение выводимого ракетой на условную орбиту груза к стартовой массе ракеты. Очевидно, что для сравнения ракет между собой по этому критерию необходимо установить высоту, эллипсность и наклонение условной орбиты. Такие частные критерии эффективности, как тяговая эффективность, аэродинамическая эффективность и т. п., служат для отыскания максимальной массовой отдачи проектируемой ракеты.
      Универсальным самостоятельным (не связанным, например, с массовой отдачей) критерием является надежность, т. е. вероятность безотказной работы ракеты. Никто, по-видимому, не будет создавать ракету, имеющую высокую массовую отдачу, но низкую надежность работы.
      Такой критерий, как универсальность, также не связан ни с массовой отдачей, ни с надежностью, т. е. тоже универсален и независим. Этот критерий может, например, показывать, какое количество разнотипных полезных грузов (по массе, размерам, центровкам и т. п.) может быть выведено в космос определенным числом применяемых для этого типовых ракетных модулей (блоков).
      Критерий экономической эффективности (экономичности) — понятие довольно обширное. Чаще всего в качестве такого критерия используют отношение выраженной в денежных единицах суммы преимуществ, получаемых в результате применения новой системы, к затратам, связанным с ее разработкой, созданием, эксплуатацией.
      Но не все может быть выражено в денежных единицах. Особенно это относится к здоровью, благосостоянию, а также к жизни людей. Появляется критерий социальной эффективности, формула, а тем более количественное определение которого еще долгие годы будут представлять серьезную проблему для науки ввиду многогранности жизненных интересов и устремлений как отдельных людей, коллективов, так и человечества в целом.
      Таким образом, не существует единого критерия для оценки эффективности космических ракет. Эффективность — понятие многогранное, об этом говорят приведенные выше примеры построения возможных критериев для сравнения ракет между собой. Эти же критерии помогают наметить программу совершенствования ракет, позволяют уже сейчас говорить о ракетах будущего. Иначе говоря, вопросы эффективности тесно связаны с вопросами прогнозирования.
      Кроме того, общие проблемы прогнозирования и эффективности, проблемы критериев сравнения важны не только для ракетно-космической техники, но и для других областей деятельности людей. Вот почему эти проблемы можно изучать и разрабатывать самостоятельно — вне зависимости от ракетно-космической техники.
      Одной из первых научных дисциплин, на основе которой начали изучать вопросы эффективности, стала термодинамика. В 1824 году молодой французский военный инженер Сади Карно опубликовал работу «Размышление о движущей силе огня», в которой обсуждались вопросы эффективности тепловых (в частности, паровых) машин.
      Во второй половине XIX столетия термодинамика уже сформировалась как самостоятельная наука, изучающая тепловые явления и вопросы эффективности преобразования тепла в механическую энергию.
      В настоящее время термин «термодинамика» далеко не отражает всей полноты его истинного содержания, так как термодинамический метод исследования широко применяется при изучении самых разнообразных физических и химических явлений, закономерностей информационных процессов, а также вопросов экономической эффективности. Старая классическая наука термодинамика неуклонно продолжает развиваться и совершенствоваться. Сложные явления природы и жизни общества как части природы характеризуются множественностью определяющих тот или иной процесс факторов или аргументов. Появляется необходимость развивать методы обобщенного анализа. Одним из таких методов, который успешно развивается в последние годы, является обобщенный метод термодинамического анализа эффективности. Естественно, вместе с новым содержанием он вбирает в себя и все уже имеющиеся достижения термодинамики. Как частное применение этого метода может быть рассмотрен обобщенный термодинамический анализ эффективности космических тяговых систем.
      Не вникая в сущность этого анализа, скажем только, что он охватывает, в частности, исследование приведенных в начале этой главы критериев эффективности, устанавливает дополнительные критерии, такие, например, как критерий энергетической эффективности, основанный на первом начале термодинамики, и критерий обратимости, основанный на втором ее начале. Как известно, первое начало — это закон сохранения энергии, а второе — закон установления наиболее вероятного состояния (закон возрастания энтропии). Второе начало иногда формулируют как закон рассеяния или обесценивания энергии, закон, по которому в ограниченных объемах Вселенной хаос торжествует над упорядоченностью.
      Летящая ракета, во-первых, преобразует потенциальную энергию заключенного в ней топлива в кинетическую и потенциальную энергию полезного груза, а во-вторых, необратимо рассеивает при этом энергию в окружающее пространство.
      Кроме тех потерь на атмосферном участке, которые были перечислены в данной главе, можно упомянуть потери самих ракетных блоков, приобретающих к моменту разделения огромную энергию, потери топлива и т. п. Если бы ракетные блоки не теряли своих первоначальных свойств и возвращались к месту старта, а топливо и рабочее тело бралось из атмосферы (притом в таком количестве, которое восстанавливалось бы в ходе естественных природных процессов), то можно было бы говорить об обратимости ракет-носителей. Поскольку обратимых процессов и явлений в природе не существует (вечный двигатель невозможен), говорят о частичной обратимости. В ракетной технике пример частичной обратимости — новое направление, основанное на обеспечении многоразо-вости материальной части и на использовании внешних ресурсов массы и энергии.
      В заключение главы целесообразно отметить, что анализ эффективности может и должен проводиться не только применительно к какому-то одному типу летательного аппарата, но и к их совокупности. Например, можно проиллюстрировать эффективность той или иной космической программы. Возможно также оценить эффективность всей космической деятельности страны или даже группы стран. Наконец, обобщенный термодинамический анализ принципиально может позволить дать рекомендации в направлении повышения эффективности всей хозяйственной жизни общества. В частности, можно определить важность и целесообразность затрат на проведение работ в области исследования и освоения космоса.
      Подобный анализ целесообразно проводить не только средствами термодинамики, но и с использованием методов других научных дисциплин — экономики и математики. Такое содружество общественных (экономики), естественных (математики) и технических (термодинамики) наук позволит проанализировать социальную эффективность вновь создаваемых технических средств. Фактов, определяющих социальную эффективность, довольно много. Они взаимосвязаны и переменны по времени. Техническая их часть — энергетика, информатика, технология, транспорт и экология — исследуется термодинамическими методами. Социальная часть — экономическая эффективность, общественная значимость, общественный интерес и т. п. — исследуется общественными науками. В обоих случаях количественные оценки не обходятся без математики.
      Если рассмотреть только один аспект — космический туризм, его самоокупаемость, то тут важны два фактора — стоимость выведения в космос одного человека и сумму, которую этот человек готов заплатить за такое путешествие. Уже сейчас появляются проекты трансконтинентальных лайнеров-космопланов, стартующих горизонтально, подобно самолетам, выходящим кратковре-меннно «в космос», т. е. достигающих высот 30 — 100 км и испытывающих невесомость. Билет на такое путешествие будет стоить от 5 до 15 тыс. дол, что уже сейчас приемлемо для многих категорий людей.
      По-видимому, работы по увеличению эффективности ракетно-космической техники приведут со временем и к возникновению «чистого» космического туризма. Людей будет привлекать возможность побыть в космосе, а не только транспортные возможности космопланов, используемые для сверхскоростных сообщений между материками.
     
      ФИЗИКА И КОСМОНАВТИКА
      Эту главу мы хотим посвятить роли научных исследований в создании космонавтики будущего.
      «Громадное завоевание науки нашего века — осуществление полетов человека в космос. Теперь уже никто не сомневается, что человек сможет достигнуть других миров. Это позволит не только радикально умножить богатство наших знаний о Вселенной, но и даст возможность использовать сокровища других миров для улучшения жизни на Земле», — эти слова написаны крупнейшим организатором советской науки, бывшим президентом Академии наук СССР, академиком М. В. Келдышем в 1967 году, когда отмечался десятилетний юбилей отечественной и мировой космонавтики.
      Организация научных исследований, своевременного внедрения достижений науки в повседневную практику людей — высшее проявление научного таланта, научной смелости, научной преданности. Многие не раз встречались с научной преданностью физиков — представителей, как иногда утверждают, «основы наук». В наш век глубокой специализации научных исследований подобное высказывание типично не только для физиков, но и для представителей других научных дисциплин. Мы живем в век кооперации, в том числе и кооперации научных исследований. Скольких мы знаем ученых, твердо убежденных, что подлинные научные открытия возможны лишь на стыках наук. Физическая химия, утверждают они, более обширная наука, чем вся физика или химия, взятые в отдельности. Сюда же можно отнести и другие дисциплины-симбиозы: астрофизику, биохимию и т. п.
      В последние десятилетия стали развиваться и давать зримые плоды не только двойственные союзы научных дисциплин, но и союзы, охватывающие многие отрасли знаний и работающие по единому плану. В их число входит и нелинейная неравновесная термодинамика (ИНТ), объединяющая термодинамику необратимых процессов, кинетику и новое направление математики — теорию катастроф.
      Ряд специалистов предлагают вместо ННТ использовать термин «синергетика». ННТ изучает процессы и явления, протекающие вдали от равновесия, имеющие, как правило, существенно нелинейный характер и сопровождающиеся образованием упорядоченных структур. Зарождение на Земле жизни, самоорганизация биологических обществ, в том числе и человеческой цивилизации, самоорганизация обратимых космических явлений, высокоэнергетические и высокоинтенсивные процессы в производстве и на транспорте, включая и полет космических ракет будущего, — примеры целесообразного применения этой новой науки.
      Наконец, появились союзы науки с производством — научно-производственные объединения — самая новая и наиболее прогрессивная на данном этапе форма развития научной и научно-технической мысли. Космонавтика, которой в 1992 году исполнится 35 лет, с самого зарождения и до наших дней была и остается, как нам кажется, наиболее прогрессивной формой организации научных исследований, наиболее прогрессивной формой внедрения научных достижений в промышленность.
      Естественно, что кроме научных проблем космонавтики существуют и другие «глобальные» проблемы, разработкой и решением которых будут заниматься большие коллективы ученых. Огромная роль в этом деле принадлежит ученым-организаторам, умеющим не только привлечь и заинтересовать, но и возглавить научный поиск, т. е. поставить задачу, назначить реальные сроки ее выполнения, реализовать полученные научные достижения в промышленных образцах новой техники. Именно такими учеными были всемирно известные академики И. В. Курчатов и С. П. Королев, которых только из-за консерватизма в терминологии научных дисциплин называли так: первого — физиком, а второго — механиком. На самом деле это были пионеры новых интегральных направлений в научных исследованиях, направлений, которым принадлежит будущее.
      Важно отметить, что конкретные космические программы, в том числе и международные, направлены на исследования в области физики.
      Спутник «Интеркосмос-1» выведен на орбиту 14 октября 1969 года. Научная аппаратура изготовлена в ГДР, СССР и ЧССР. Назначение — исследовать физические характеристики коротковолнового излучения Солнца, которое приводит к образованию нижнего слоя ионосферы. Этот спутник позволил определить содержание в атмосфере молекулярного кислорода, измерить прозрачность земной атмосферы в верхних слоях, узнать интенсивность рентгеновского излучения во время солнечных вспышек и т. д. Другие спутники «солнечной» серии — «Интеркосмос-4», «Интеркосмос-7», «Иитеркос-мос-11» и т.п. — позволили уточнить имеющиеся данные, получить спектры и развертки изображения солнечных вспышек, определить степень поляризации в регистрируемых участках спектров. Было установлено, что при мощных вспышках на Солнце степень поляризации достигает 10 — 20 %, что указывает на превалирующую роль в образовании рентгеновских вспышек ускоренных электронов. Радиоизлучение Солнца в гектометровом диапазоне длин волн, зарождаемое во время вспышек, а также другие процессы изучались на спутнике «Интеркосмос — Коперник-500», который был выведен на орбиту 19 апреля 1973 года (в год празднования 500-летнего юбилея со дня рождения выдающегося польского астронома Н. Коперника). Научная аппаратура спутника была создана польскими учеными в тесном контакте с советскими специалистами.
      Геофизическая ракета «Вертикаль-1» стартовала 28 ноября 1970 года. Этот запуск ознаменовал собой новый этап космических экспериментов, проводимых по программе сотрудничества социалистических стран. Ракета поднялась на высоту 487 км и позволила с помощью новейших приборов продолжить изучение физики Солнца и микрометеоров. Были получены спектры и фотографии Солнца в мягкой рентгеновской области излучений, зарегистрирован весь спектр солнечного излучения, по ультрафиолетовым снимкам Солнца получены данные о температуре, составе, распределении элементов во внешних слоях солнечной атмосферы. В этих и других важных физических экспериментах принимали участие ученые СССР, ПНР, ГДР, ВНР, ЧССР. Большое количество приборов, возвращенных в спускаемом контейнере, было использовано во второй серии подобных экспериментов, проведенных с помощью ракеты «Вертикаль-2» в 1971 году.
      Можно привести много других примеров выполнения важных физических исследований. Запуск высокоапогей-ных спутников серии «Прогноз», предназначенных, в частности, для проведения экспериментов «Снег» и «Калипсо», эксперименты «Стерео», проведенные с использованием межпланетной станции «Марс-3» и наземных наблюдателей во Франции и СССР в 1971 году («Стерео-1»), а также станций «Марс-б», «Марс-7» и наземных наблюдений в 1973 году («Стерео-5»), Запуск спутников «Ореол» и «Ореол-2», предназначенных для выполнения проекта «Аркад», разработка проектов «Омега» и «Самбо», эксперимент «Араке», осуществление программ «Атмосфера», «Интеробс», «Арктика — Антарктика» — все эти работы ведутся для изучения физических условий в космосе и прежде всего в окрестностях Солнца и Земли.
      Сделав это необходимое, на наш взгляд, введение, рассмотрим научные проблемы, стоящие перед создателями ракет.
      Мы уже упоминали о важных проблемах эффективности, таких, как надежность, универсальность, много-разовость и т. п., одинаково актуальных и для будущих, и для современных ракет, проблемах, над которыми трудятся огромные научные коллективы, куда входят представители различных научных дисциплин. Термодинамики и экономисты, химики и биологи, материаловеды и математики, механики и теплотехники, психологи и социологи, астрофизики и кибернетики — только одно перечисление специальностей (даже без их детализации) заняло бы несколько десятков страниц. Какую же цель преследуют ученые, работающие над созданием новых ракет? Оказывается, задача, поставленная перед ними, весьма сложна. Из очень большого количества самых разнообразных вариантов и возможных схем надо выбрать такую схему и такую конструкцию ракеты, которая наряду с высокой эффективностью удовлетворяла бы следующим требованиям: максимальное использование имеющегося опыта; оправданная степень риска на случай отказа от дальнейших разработок; высокая надежность при наименьших затратах времени и материальных средств на разработку, изготовление и эксплуатацию системы; перспективность, т. е. возможность использования некоторых принципов, закладываемых в конструкцию, для создания более совершенных ракет в будущем. Иными словами, в процессе этих исследований решается многоплановая комплексная проблема создания сложной и дорогостоящей системы, выбора ее основных физических и других параметров. Именно в процессе этих исследований возникли предложения об использовании внешних массоэнергетических ресурсов, ЯЭУ, ядерных дигателей, многоразовых ракет.
      Другая серия научных проблем решается при создании ракеты, когда ее облик и основные параметры уже выбраны и принято решение о производстве. Эти проблемы возникают и должны быть разрешены на различных этапах создания ракеты, включая этапы ее летних испытаний. Ученые трудятся при этом в тесном содружестве с инженерами, производственниками, эксплуатационниками. В частности, эти исследования позволили установить огромное количество не известных ранее физических характеристик веществ и систем, таких, как углы смачивания, теплоемкость, вязкость и т. п.
      Наконец, третье направление, третья группа проблем — это научный поиск, направленный на выяснение фундаментальных законов природы. Открытия, сделанные в процессе этих работ, могут быть, в частности, положены в основу работы будущих ракет или их элементов. Известно, что многие открытия были сделаны в процессе развития ракетной техники, поэтому и здесь содружество науки и техники, безусловно, дает свои ощутимые результаты. Создатели ракетной техники пристально следят за этими исследованиями. Надежды, которые они связывают с возможностью открытия тайн гравитации, открытия промышленных методов получения и хранения антивещества и свободных радикалов, выяснение реальности существования кварков, короче говоря, надежды, которые они связывают с будущими фундаментальными открытиями, направлены в том числе и на создание ракет, либо использующих совершенно новые источники энергии, либо работающих на совершенно новых принципах получения тяговых усилий.
     
      ТЕХНИКА СОСЕДЕЙ ПО РАЗУМУ?
      «Все мы сознаем, что открытие первой внеземной цивилизации имело бы колоссальное значение для развития знаний человека, — значение того же масштаба, что и запуск первого спутника...» — сказал академик В. А. Амбарцумян на открытии Первой советско-американской конференции по проблеме связи с внеземными цивилизациями, состоявшейся в Бюракане (Армянская ССР) 5 — 11 сентября 1971 года.
      Итак, мировая наука приступает к разгадке еще одной тайны мироздания. Как это делать? С помощью каких средств и методов? Какова надежда на успех? Все эти вопросы пока только ставятся.
      Существо проблемы состоит в следующем. В соответствии с простейшей формулой, предложенной Дрейком, .число N возможных высокоразвитых цивилизаций, достигших земного уровня развития или превысивших его, представляет собой произведение из семи сомножителей:
      где Я — ежегодное количество вновь образующихся звезд в Галактике, усредненное по всему времени ее существования; ¡р — доля звезд, имеющих планетные системы; пе — среднее число планет, входящих в планетные системы и пригодных для жизни; ft — доля планет, на которых действительно возникла жизнь; f,- — доля планет, на которых разумная жизнь достигла уровня, обеспечивающего возможность своего технического проявления в галактическом масштабе; L — средняя продолжительность существования таких цивилизаций.
      Величина R рассчитывается довольно точно. Для нашей Галактики минимальный возраст, который оценивается в 10 млрд. лет, число звезд составляет 10м, следовательно, R — 10. В настоящее время существует несколько моделей Вселенной, причем некоторые из них дают значительно больший возраст Галактики, однако мы их учитывать не будем.
      Для точного расчета fp данных наблюдений пока недостаточно. Известна, правда, звезда Бернара, возмущенное движение которой наиболее удачно объясняется наличием у нее планеты или нескольких планет, однако этого факта недостаточно. Установлено также, что у некоторых звезд (типа Солнца), температура которых не очень высока, момент количества движения намного меньше, чем у горячих звезд. Расчеты показывают, что если все планеты Солнечной системы поместить на Солнце, то по закону сохранения момента количества движения его скорость вращения увеличится до первоначального значения, характерного для молодых звезд. Звезд с аномально малым количеством движения в нашей Галактике около 5-109, следовательно, fp = 5- 109/il = 0,05.
      Величина пе может быть подсчитана на основе анализа физических условий на Земле, однако ее расчет довольно субъективен. Нижние оценки дают пе=0,1.
      Умозрительные (интуитивные) данные, полученные в результате усреднения данных опроса специалистов, занимающихся проблемой внеземных цивилизаций, говорят о том, что среднее значение величины fi равно 8-102. Аналогично f,= 10-2, a L — 2-105 лет.
      Таким образом, даже по самым пессимистическим оценкам число высокоразвитых цивилизаций только в нашей Галактике равно 10. Средняя же оценка верхнего предела числа таких цивилизаций равна 2-104, при этом предполагается, что формулы жизни и ее распространение могут быть весьма разнообразны и не похожи на земную. Возможен также перенос цивилизаций по межгалактическому пространству в результате их направленной технической деятельности.
      Иначе говоря, сделанные оценки носят весьма приближенный характер до тех пор, пока не будут установлены технические возможности переноса цивилизаций или обнаружения их деятельности. Первое возможно с помощью летательных аппаратов, а второе — с помощью передачи информации. В настоящее время человечеству известен только один принцип создания летательных аппаратов — реактивный, а также только один путь передачи информации — с помощью электромагнитных волн, хотя не исключена возможность открытия в будущем иных принципов и путей подобной деятельности.
      Почему мы затронули проблему поиска внеземных цивилизаций в книге о ракетах будущего, о будущем космонавтики? Ответ на этот вопрос состоит из двух пунктов. Во-первых, организация этих работ имеет много общего с организацией работ в космонавтике, поскольку требуется привлечение значительных ресурсов и специалистов практически всех научных направлений, причем именно тех специалистов, которые уже сейчас работают в области космонавтики. Во-вторых, эта проблема имеет непосредственное отношение к космонавтике не только потому, что областью исследований является космическое пространство, но и потому, что одним из методов исследования этой проблемы может служить обнаружение космической деятельности внеземных цивилизаций путем идентификации необычных космических явлений с созданными или разрабатываемыми (изучаемыми) перспективными космическими системами.
      Становится очевидным, что научные исследования возможных облика и характеристик будущих технических средств космонавтики, в том числе и будущих ракет, имеют вдвойне важное значение и для создания новых технических средств, и для решения одной из наиболее грандиозных задач человечества — обнаружения космических соседей по разуму.
      Вот конкретный пример. В 1881 году астроном из Бристоля Деннинг открыл интересную комету, которая вошла во все каталоги под индексом 1881 V (цифра V указывает, что это была пятая комета 1881 года). Комета была во многом необычна. Она не подходила близко к Солнцу, практически не имела хвоста — основного «украшения» почти всех комет, зато очень близко подошла к Земле (минимальное расстояние от кометы до Земли составило 0,04 астрономических единиц, или 6 млн. км). Более того, она приблизилась еще и к Марсу на 0,06 астрономических единиц, или 9 млн. км. Наблюдалась комета в виде невзрачного на вид туманного дискообразного пятнышка со светящимися точками в его центре. Добавим, что эта комета прошла достаточно близко от орбиты Венеры (0,02 астрономические единицы, или 3 млн. км) и от орбиты Юпитера (0,16 астрономических единиц).
      Можно ли все это назвать чистой случайностью? Очевидно, можно, тем более что разгадка тайны этой кометы требует, естественно, дополнительных сведений, которые получить невозможно: комета (судя по расчетам) давно уже вышла из пределов Солнечной системы.
      А если пофантазировать и сравнить траекторию полета этой кометы с траекторией полета аппарата, который в 70-х годах разрабатывался в США в рамках ¿гро-граммы «Большой тур»2? Оказывается, существуют моменты, когда планеты Солнечной системы располагаются таким образом, что межпланетный корабль, двигаясь по эллиптической пассивной траектории, может достаточно близко подойти к двум, а очень редко — и к трем планетам. Представим теперь, что некая неизвестная нам разумная жизнь заинтересовалась Солнечной системой. По-видимому, она пошлет к нам зонд, который за один пролет должен получить максимальное количество информации о планетах. При этом к Земле следовало бы подойти ближе, чем к Марсу, из-за ее сильного облачного покрова.
      Сравнение весьма любопытно! Возникает, в частности, вопрос: а не может ли разумная жизнь перемещаться по безбрежному космосу на островках, которые мы, земные обитатели, ошибочно отождествляем иногда с кометами — довольно хорошо изученными мертвыми телами, состоящими из камней, льда и пыли. Правильно ли направлять поиски внеземной жизни только по пути приема возможных радиосигналов от дальних планетных систем? Может быть, островки жизни, островки разума,
      Астрономическая единица — среднее расстояние от Солнца до Земли, равное примерно 149,6 млн. км.
      2 Программа не была реализована.
      не связанные с какой-либо планетой или какой-либо иной Солнечной системой, а свободно перемещающиеся в пространстве, более благоприятны для поисков? На наш взгляд, этот вариант поисков более предпочтителен по ряду причин. В межзвездном и даже межгалактическом пространстве имеются все необходимые элементы, требующиеся не только для ремонта летающего острова и для поддержания его энергетического потенциа-
      ла, но и для строительства новых сооружений, для его увеличения и расширения его возможностей. Вечная привязанность к планете — «колыбели разума» — менее заманчива не только потому, что «нельзя вечно жить в колыбели», как говорил К- Э. Циолковский, но и потому, что эта «колыбель», обладая конечным сроком существования, может оказаться не очень надежным убежищем. То же самое можно сказать и о любой конкретной планетной системе. Наконец, по аналогии с земной жизнью можно утверждать, что органическая жизнь, а тем более разумная органическая жизнь, способная себя защитить от неблагоприятных факторов внешней среды, в силу каких-то (пока еще не ясных до конца) законов всегда имеет тенденцию к распространению в пространстве. Ожидается, что примерно к 2000 году будут освоены управляемые термоядерные реакции, к 2050 году — синтезирование из водорода практически всех элементов Периодической системы Д. И. Менделеева, а примерно к 2100 году человечество (при условии объединения усилий всех землян) сможет создать и отправить в неограниченное никакими сроками космическое путешествие первое поколение (100 — 200 человек) представителей земной цивилизации. При этом совершенно не обязательно создавать аппарат, обладающий возможностью двигаться с около-световыми скоростями, чтобы успеть вернуться из далекого путешествия на Землю. Достаточно лишь иметь надежную связь с Землей и возможность не только поддерживать в исходном состоянии, но и совершенствовать свой остров разума во всех отношениях за счет внешних ресурсов (увеличивать численность и совершенство коллектива, улучшать параметры тяговых, энергетических, научных и вспомогательных систем, совершенствовать программу работы и т. д.).
      Среднее количество людей, с которыми приходится обычно вступать в контакты человеку.
      Создание подобных островов разума, — по-видимому, неизбежное следствие овладения ядерно-энергетическими процессами и методами использования внешних ресурсов, т. е. того, к чему уже сейчас вплотную подошла наша земная космонавтика всего за 30 лет существования.
      Конкретное предложение, вытекающее из приведенных выше общих соображений, сводится к необходимости развивать кометную астрономию, совершенствовать методы астрофизического исследования необычных комет, создавать для полета к кометам космические зонды-автоматы. Может быть, в частности, разработана программа автоматизированного анализа данных в целях выявления «необычных» свойств, которые не поддаются объяснению с позиции имеющихся статистических данных о кометах. Наконец, могут быть созданы алгоритмы, в соответствии с которыми к той или иной загадочной комете могут быть отправлены позывные (в целях обеспечения безопасности Земли подобные станции можно иметь на Луне или планетах).
      Заканчивая замечания о «необычных кометах», приведем несколько примеров, подтверждающих целесообразность поисков в этом направлении.
      В 1956 году была обнаружена комета, которую по именам ее первооткрывателей назвали кометой Аренда — Ролана (1956 h). Хвост у кометы появился после 22 апреля 1957 года и исчез в самом начале мая. Ранее таких хвостов у комет не наблюдалось! Вместе с «обычным» хвостом, направленным от Солнца, комета имела очень узкий, как копье, аномальный хвост, который был направлен в сторону Солнца. Сначала попытались объяснить это явление естественной причиной: аномальный хвост составляли, якобы, продукты разрушения кометы, которые концентрировались в виде следа в плоскости ее орбиты, поэтому в момент нахождения кометы между Солнцем и Землей оба направленных от Солнца хвоста располагались как бы по разные стороны от ядра кометы. Но комета продолжала движение, и аномальный хвост по мере поворота плоскости кометной орбиты относительно земного наблюдателя не превратился, как ожидалось, в сектор, соединенный с основным хвостом, а принял вид хорошо очерченного расходящегося луча!
      Буква означает порядковый номер кометы по латинскому алфавиту, присваиваемый первооткрывателем предварительно.
      Кроме того, спектр аномального хвоста не оказался сплошным, как это бывает обычно у пылевых хвостов. Необычно также и то, что аномальный хвост появился и исчез внезапно.
      Теперь об «обычном» хвосте. Он состоял из двух хвостов — хвоста первого типа (по классификации известного советского астронома Ф. А. Бредихина), который был связан с внутренней головой (очень размытой и напоминающей по форме луковицу), и хвоста второго типа, который был связан с внешней головой, имевшей четкие параболические очертания. По теории кометных хвостов, разработанной на основе многочисленных наблюдений комет, все должно быть наоборот. Кроме того, внутренний хвост имел непрерывный спектр, которого у хвостов первого типа вообще не наблюдалось. Для того чтобы хоть как-то совместить данные наблюдений с теорией кометных хвостов, пришлось сделать допущение, что начальная скорость истекающих частиц была выше 3000 м/с. А ведь для искусственного достижения таких скоростей, равных скорости истечения струй из современных ЖРД, приходится применять специальные ускорители — расширяющиеся сопла, профиль которых тщательно рассчитывается и согласовывается с химическим составом и температурой истекающего газа. Иначе говоря, допущение об естественном возникновении таких высоких скоростей истечения вряд ли правомочно. Но и это не все. 10 марта 1957 года станция университета в штате Огайо (США) зарегистрировала радиоизлучение кометы на волне 11 м (27,6 МГц). Интенсивность излучения колебалась в пределах примерно ±30 %, а его источник располагался в основном хвосте на значительном удалении от головы. Начиная с 20 — 21 апреля, т. е. перед появлением аномального хвоста, этот источник стал удаляться в сторону от Солнца примерно в радиальном направлении. 9 апреля 1957 года в Бельгии было обнаружено радиоизлучение кометы на волне 0,5 м (600 МГц). Высокая стабильность этого излучения как по амплитуде, так и по частоте противоречит напрашивающемуся предположению об естественном спорадическом излучении в плазме кометных хвостов. Излучение на волне 11 м наблюдалось больше месяца. Наиболее сильным оно было с 16 марта по 19 апреля, т. е. накануне появления аномального хвоста. Более того, интенсивность посылаемых сигналов ежедневно усиливалась.
      Таким образом, исчерпывающее объяснение кометы 1956 h только естественными причинами связано с рядом противоречий.
      Говорить о том, что это было искусственное небесное тело, тоже нет достаточных оснований, хотя и существуют проекты будущих космических прямоточных двигателей (см. гл. 17), наблюдение работы которых со стороны удивительно напоминало бы все без исключения аномалии кометы 1956 h.
      Наблюдались и другие необычные кометы. Так, в спектре кометы 1882 II были обнаружены железо, хром никель — элементы, которые есть и в спектрах реактивных струй ЖРД вследствие незначительной эрозии реактивных сопл, содержащих эти металлы. Загадочным было также различие спектров головы и хвоста у кометы 1907 IV. У кометы 1926 III наблюдалось отсутствие влияния Солнца на положение хвоста, который поворачивался в пространстве, казалось бы, совершенно произвольно, причем комета не придерживалась вычисленной для нее траектории, а значительно (на 4') отклонялась от нее. Такое отклонение можно объяснить лишь значительной тягой, развиваемой при истечении массы из ядра кометы.
      Таким образом, среди большого числа наблюдаемых комет очень редко (с периодом 20 — 30 лет) появлялись уникальные, перспективные в смысле обнаружения в их поведении и внешнем облике следов разумной деятельности внеземных цивилизаций. По-видимому, к возможному появлению подобных комет в будущем следует готовиться очень тщательно.
      В заключение главы имеет, по-видимому, смысл сделать несколько замечаний о НЛО (неопознанных летающих объектах) хотя бы потому, что у многих читателей книги вопросы об их существовании все равно возникнут. Естественно, что все сказанное может характеризовать только лишь нашу частную точку зрения. К сожалению, у нас пока не сформировалось четкого мнения о природе наблюдаемых в нашей стране время от времени странных явлений в земной атмосфере. Мы завидуем, например, некоторым известным ученым и писате-лям-фантастам, которые имеют на этот счет совершенно определенную точку зрения, — все наблюдаемое, как говорят они, — хорошо известные явления миражей, атмосферной оптики, шаровых молний, световых эффектов, шаров-зондов и т. п. Более того, мы и сами могли бы дать естественное объяснение ряду наблюдаемых феноменов. Так, реактивная струя, истекающая из сопла ракеты (например, геофизической) на большой высоте (30 — 70 км) принимает из-за большого расширения форму полумесяца с размытой внутренней кромкой и слабым фиолетово-красным свечением, исходящим от концов «рогов». В конце работы ракетной ступени это свечение может сопровождаться искрами — следами частичной эрозии металла или вылетом из сопла несгоревших фрагментов твердого топлива. В виде полумесяца реактивная струя видна сбоку. Если же наблюдать ее не сбоку, а со стороны выходного сечения сопла, то будет заметно светящееся ночью пятно с мерцающими пульсирующими краями и яркой точкой посредине. При выключении (или, как говорят, при отсечке двигателя) наблюдается резкая световая вспышка, вслед за которой наступает темнота (если при этом не начинает работать последующая ступень ракеты). Наблюдая это довольно эффектное (особенно ясной ночью) зрелище, можно совершенно не слышать никакого звука или шума как из-за большой удаленности и высоты полета ракеты, так и из-за неблагоприятного направления ветра. Иногда все-таки звук бывает слышен — он напоминает очень глухие и низкие раскаты далекого грома. Естественно, в условиях атмосферной неоднородности и это явление может сопровождаться миражами, искажениями и т. п. Ряд подобных явлений (в целом, они довольно редки) нам объяснить пока не удалось, поэтому мы считаем возможным, не прибегая ни к каким гипотезам, извиниться перед читателями за некомпетентность в этом вопросе.
      Далее будут рассмотрены возможности создания летательных аппаратов, использующих новые принципы создания тяги, не основанные на истечении запасаемой на борту массы. По мнению некоторых специалистов, в основном зарубежных, подобные принципы могли быть уже реализованы в загадочных летательных аппаратах «инопланетян», которые кое-кто склонен отождествлять с наблюдаемыми в атмосфере феноменами. Очень велико искушение предложить гипотезу о возможной связи таких объектов (если будет доказан сам факт их существования) с описанными выше островами разумной жизни, однако достаточных оснований для этого в настоящее время у нас нет.
     
      НАДО ЛИ ЗАРЯЖАТЬ ЛУНУ?
      Первый искусственный спутник Луны массой 240 кг запущен в СССР 3 апреля 1966 г. Немалая заслуга в этом принадлежит известному ученому в области механики и энергетики, ближайшему соратнику и последователю академика С. П. Королева академику В. П. Мишину. Пройдя путь от рабочего до академика, главного конструктора космических систем и став затем одним из руководителей отечественной научной школы проектирования летательных аппаратов, В. П. Мишин внес большой вклад в развитие современной ракетно-космической техники.
      Наша отечественная программа исследования Луны была, как известно, обширной и экономичной и дала весомые научные результаты. Однако приоритет в осуществлении первых лунных экспедиций с высадкой людей на этом небесном теле принадлежит США.
      Мнение академика В. П. Мишина: «Вояж на Луну обошелся американскому народу почти в 25 миллиардов долларов. К тому же это была не исследовательская задача, а вопрос престижа. Известные ученые США уже тогда ставили под сомнение научную ценность программы и целесообразность огромных затрат и усилий на ее реализацию. Конечные цели программы могли быть достигнуты другими средствами, без высадки на Луне и при существенно меньших затратах. Мы все-таки ориентируемся на вопросы сугубо научные, и экономическая сторона дела для нас играет не последнюю роль».
      Многие не знают, какие горечь и обида скрываются за этими словами — ведь наш проект лунной экспедиции разрабатывался в обстановке строжайшей секретности, постоянного дефицита в средствах и все усиливающегося противодействия коллективу Королева — Мишина со стороны новоявленных «апологетов» космонавтики, хлынувших в эту престижную область после запуска первого в мире спутника и первого в мире космонавта. У «апологетов» были высокопоставленные покровители, поэтому они смогли «отколоть» от Королева и перетянуть на свою сторону часть наиболее покладистых и тщеславных ученых и конструкторов, ослабив фронт сторонников лунной программы. Борьба стала слишком неравной. Она усугубила и так подорванное здоровье бывшего «врага народа». Подписав накануне печально известной операции серию чертежей создаваемого в СССР «лунного носителя» Н-1, ушел из жизни академик С. П. Королев. Он был похоронен под аккомпанемент «проникновенных» речей многих из своих противников. Тяжесть ответственности за пилотируемую космонавтику — теперь на В. П. Мишине. Возникли распри и внутри КБ...
      А результат известен — триумфальный вояж астронавтов США на Луну, за которым по телевизору с волнением и тревогой смотрела вся планета, советским людям показан не был. Нашелся, естественно, и «стрелочник», не обеспечивший наш очередной приоритет — академик В. П. Мишин. Амбиции «апологетов» и их покровителей обошлись стране в миллиарды рублей. И похоже, что обстоятельство до сих пор мало кого беспокоит — разобраться бы с другими более крупными преступлениями, унесшими и искалечившими миллионы жизней и судеб.
      Дело даже и не в затратах. Более важен, с нашей точки зрения, критерий социальной эффективности, который стал стремительно падать сразу же после подведения мировым сообществом итогов «лунного соревнования» между СССР и США и который в пересчете на те же рубли обходится нам сейчас во многие сотни милллиар-дов рублей потерь.
      Что же касается технических средств, то они, конечно же, всегда требуют рационализации по своим техническим критериям эффективности. В этой связи представляют несомненный интерес проекты и теоретические исследования в области создания нетрадиционных транспортных систем для достижения Луны, появившиеся в США в 1960 году.
      В технической литературе неоднократно обсуждались оригинальные проекты космических летательных аппаратов, создающих тяговое усилие за счет электростатического (кулоновского) взаимодействия друг с другом или с космическими телами, например с Луной.
      Рассмотрим один из таких проектов более подробно.
      Сообщив одноименные электрические заряды Луне и космическому аппарату, находящемуся вблизи Луны, можно получить состояние равновесия, когда гравитационная сила притяжения скомпенсирована электростатической силой отталкивания. Подобное уникальное состояние, когда летательный аппарат неподвижно висит над поверхностью космического тела, называют'лгаига-цией (впервые этот термин применил Ньютон для описания поведения частиц в кометных хвостах). Привлекательность левитации для исследования и освоения Луны очевидна. Длительное нахождение над лунной поверхностью позволило бы проводить съемки местности, вести другие исследования Луны, выбирать место посадки. Кроме того, незначительное уменьшение или увеличение заряда корабля позволило бы проводить снижение или, наоборот, удаление его от Луны. Очевидно, что такие транспортные операции в космическом пространстве должны быть очень эффективны — ведь они как будто не связаны ни с расходованием бортовой массы, ни с чрезмерными расходами энергии. Создается впечатление, что открыт способ осуществления практически обратимых космических транспортных операций.
      Исследования показали, что при равенстве электростатических потенциалов, приобретаемых Лулой и летательным аппаратом после зарядки, величина этих потенциалов будет наименьшей.
      Особенностью конструкции летательного аппарата (корабля) будут специальные устройства, служащие для увеличения его геометрических размеров, так как последние определяют его электрическую емкость. Наиболее простое устройство этого типа — электропроводный кабель, один конец которого прикреплен к аппарату, а другой под действием электростатических сил вытягивается в сторону, противоположную направлению на Луну. Для предотвращения стекания заряда и с корабля, и с конца кабеля должны быть предусмотрены некоторые конструктивные решения: с одной стороны, сферическая форма корабля и надувной сферический баллон на конце кабеля, а с другой — специальные цилиндрические баллоны вблизи конца кабеля. Все это необходимо для уменьшения напряженности электрического поля.
      Расчеты дали следующие результаты: летательный аппарат массой 5000 кг должен иметь кабель массой 1380 кг. При этом предполагалось, что кабель может быть сделан из очень прочных силикатных нитей, которые для придания им электрической проводимости покрываются в вакууме алюминием (алюминируются). Такой кабель имеет длину 27 км, диаметр 6 мм и работает при напряжении растяжения, которое в 2 раза меньше напряжения разрыва. Требуемый электростатический потенциал корабля составляет в этом случае 340 млн. В, а его заряд равен 56 Кл. Соответственно заряд Луны при этом же потенциале составит 6600 Кл. Если предположить, что утечек не происходит и время, в течение которого необходимо зарядить Луну и корабль, ограничено временем в 1 сут, то требуемые мощности электростанций на корабле и Луне будут соответственно равны 200 и 128 000 кВт. Эти мощности могут считаться приемлемыми даже с точки зрения современного развития ядерно-энергетических систем. Уже существуют и успешно применяются на космических аппаратах ядерно-энер-гетические установки (ЯЭУ) мощностью в несколько десятков киловатт. Существуют многочисленные проекты космических ЯЭУ мощностью 100, 200 кВт и более. Их реализация сомнений не вызывает. Наземные же АЭС успешно эксплуатируются и развивают мощности, существенно превышающие 128 000 кВт. По-видимому, строительство подобных электростанций на Луне будет связано со значительными трудностями и большими материальными затратами.
      Необходимая суммарная мощность электростанций корабля и Луны может быть уменьшена примерно в 100 раз, если удастся увеличить потенциал корабля примерно в 3 раза (до 1000 млн. В) при одновременном снижении потенциала Луны более чем в 10 раз (до 28 млн. В). Естественно, что для этого потребуется применение более прочного кабеля и более мощной ЯЭУ на корабле.
      Заранее отметим, что общий расход энергии на первичную зарядку Луны и корабля примерно в 100 раз превысит расход энергии, который требуется для преодоления гравитации с помощью ЖРД (КПД равен 50%). Не следует, однако, забывать, что при использовании ЖРД необходим, кроме того, значительный расход бортовой массы. Если корабль и Луна уже заряжены, а утечки заряда не происходит, то энергия, которая затрачивается на их относительное перемещение, в случае использования электростатических сил оказывается в несколько раз меньше, чем при использовании ЖРД. Наконец, с учетом упомянутой выше обратимости транспортных операций энергетическая эффективность куло-новской тяги становится выше эффективности тяги ракеты в десятки раз. Что же касается массовой эффективности, то метод создания усилия с помощью ЖРД, по-видимому, вообще не может сравниваться с электростатическим, поскольку кулоновская тяга создается практически без выброса бортовой массы.
      Для демонстрации эффективности кулоновской тяги рассмотрим расход бортовой массы, требуемый для осуществления зарядки Луны и корабля.
      Хорошо известно, что для. зарядки изолированного тела требуется либо присоединить к нему частицы того или иного знака, либо удалить их. Проще всего, по-видимому, сообщить Луне и кораблю положительный заряд, так как пороговая напряженность поля автоэмиссии протонов примерно на порядок выше, чем для электронной автоэмиссии, и составляет 1010В/м. Кроме того, электроны легче разогнать в ускорителях.
      Процесс зарядки состоит в следующем. В электрон-ном~ускорителе разгоняют пучок электронов (плотность пучка должна Соответствовать необходимой силе тока зарядки — в нашем случае при равенстве потенциалов Луны ТГкорабля зарядные токи соответственно равны 0,77 А и 0,65 мА). Энергия ускоренных электронов выражается в электрон-вольтах и для идеальных условий соответствует ускоряющему напряжению в вольтах. Очевидно, что ускоряющее напряжение не должно быть меньше конечного потенциала Луны или корабля, так как в противном случае электроны не смогут удаляться от заряженного объекта «в бесконечность», а, описав замкнутую траекторию, под действием кулоновского притяжения к положительно заряженному объекту будут возвращаться на него и компенсировать (нейтрализовать) заряд. Очень важно определить направление пучка ускоренных электронов. Его можно направить с корабля в сторону, противоположную_Луне, но можно направить и в сторону Луны. В последнем случае ток электронного пучка с Луны придется увеличить, но зато на корабле можно установить менее мощный, а следовательно, и более легкий ускоритель.
      Масса ускорителя очень важна при разработке конструкции летательного аппарата. Не могут быть поэтому использованы компактные, но тяжелые (из-за магнитных устройств) синхротроны — хорошо освоенные циклические ускорители электронов. Наиболее подходят для ускорения электронов на космическом корабле так называемые электростатические ускорители, основной элемент которых — ускоряющие трубки, представляющие собой набор ускоряющих электродов с центральными отверстиями для прохода электронного пучка. Поскольку прочность разделяющих эти электроды изоляторов по современным представлениям не допускает напряженностей поля выше 15 — 30 кВ/см, необходимые длины ускоряющих трубок достигают нескольких сот метров, и их создание превращается в серьезную конструкторскую проблему.
      Наповерхности Луны, очевидно, могут быть установлены и более тяжелые ускорители, например упомянутые выше синхротроны.
      Следует, конечно, отметить, что в настоящее время ведутся исследования новых типов ускорителей, дающих большие токи и энергии ускоренных пучков, имеющих
      В Физическом институте АН СССР им. П. Н, Лебедева создан синхротрон с максимальной энергией электронов 680 млн. МэВ.
      высокие КПД, малые размеры и массу. Так, разрабатываются плазменные ускорители, работа которых основана на так называемых коллективных методах ускорения. Внутри потока электронов, находящихся в ускоряющем поле, движется пучок положительных ионов. Кольцевое фокусирующее поле создается электронами, которые имеют значительно большую по сравнению с ионами скорость движения. На опытных образцах подобных ускорителей уже получены токи ускоренных пучков до 10 А. В частности, осуществлено ускорение пучка ионов азота с помощью плотного (диаметром 5 см и толщиной несколько миллиметров) кольца электронов, разогнанных до субсветовой скорости. Пучок состоял из 108 ионов и имел энергию 60 МэВ.
      Получили_ )аспространение и так называемые мега-амперные ускорители. В них уже достигнуты токи в пучке до 3-105 А при мощности в импульсе 1012 — 1013 Вт, что соответствует энергии луча в несколько десятков килоджоулей, Важно то, что продолжительность импульса весьма мала — всего 10~8 с. Это означает, что корабль, снабженный таким ускорителем, сможет работать в импульсном режиме зарядки, что позволит ему получать импульсный положительный пространственный заряд даже в плазме околоземного или окололунного пространства. Заметим, что в плазме ускоренный пучок электронов может проходить весьма большие расстояния — до нескольких сот метров — из-за возникающего при этом индуцированного тока, который уничтожает внешнее магнитное поле и тем самым препятствует расфокусировке. Конструкция такого ускорителя невелика по размерам и не очень сложна. Игольчатый (несколько игл) катод при подведении к электродам от импульсного генератора поля со средней напряженностью около 5 ООО ООО В/см обеспечивает начальный ток автоэмиссии. На поверхности каждого острия напряженность поля оказывается на несколько порядков больше (эффект острия). Возникший ток усиливается за счет нагрева игл, т.е. за счет термоэмиссии. Каждое острие покрывают составом, обеспечивающим появление островков плазмы, устраняющих пространственный заряд, который препятствует дальнейшему выходу электронов. Таким материалом может быть оргстекло. Анод ускорителя — это тонкая (несколько микрон) фольга. Она прозрачна для ускоренных электронов, но позволяет иметь в межэлектродном промежутке
      длиной несколько сантиметров вакуум 10-3 Па. За анодом расположена фокусирующая камера, наполненная газом под давлением 102 — 105 Па. В этой камере возникает ионная оболочка, положительный пространственный заряд которой фокусирует электронный пучок почти в точку. Длина фокусирующей камеры лишь немногим больше межэлектродного зазора. Можно, по-видимому, надеяться, что в космических условиях конструкция такого ускорителя будет еще проще — не надо создавать вакуум.
      Среди большого комплекса проблем, связанных с созданием электростатических тяговых систем, принципиальное значение имеют две — электростатическая индукция и дебаевское экранирование пространственного заряда.
      Электростатическая индукция проявляется на близких расстояниях между заряженными телами и состоит в перераспределении зарядов на их поверхностях. Например, при приближении корабля к поверхности Луны под ним будут скапливаться отрицательные заряды, которые существенно уменьшат силу отталкивания. Расчеты показали, что электростатическая сила для рассмотренного выше случая равных потенциалов становится равной нулю на высоте 20 км над поверхностью Луны. Для режима минимальной затраты энергии эта высота еще больше. Таким образом, явление электростатической индукции не позволяет воспользоваться кулоновской подъемной силой на высотах менее 20 км. Более того, если не предпринять никаких мер, то падение заряженного корабля на Луну с высоты 20 км будет более ускоренным, чем под действием одной только гравитации. Все сказанное относится только к вертикальному движению корабля. Наличие у него горизонтальной составляющей скорости уменьшает электростатическую индукцию.
      Если же говорить о тривиальном методе посадки — с помощью посадочного ракетного двигателя (струя которого должна быть холодной, иначе она приведет к быстрому «сбрасыванию» заряда), то для реализации этого метода придется, очевидно, создавать специальные лунные «электродромы» — ровные площадки, построенные из хороших диэлектриков и поддерживаемые с помощью расположенных на Луне ускорителей под нужным для посадки корабля потенциалом.
      До сих пор мы вели рассуждения для условий абсолютного вакуума, которого, как известно, в природе не существует. Реальная межпланетная среда, особенно ее ионизированные компоненты (солнечный ветер), являются основным препятствием для создания рассматриваемых летательных аппаратов. Действительно, заряжающий электронный луч в такой среде будет рассеиваться, так как электроны начнут соударяться с притягиваемыми к лучу частицами внешней среды и терять энергию. Отрицательно заряженные частицы будут притягиваться к положительно заряженному кораблю, создавая вокруг него облако пространственного заряда противоположного знака. В результате возникает экранирование электростатического поля корабля и Луны, которое будет простираться не в бесконечность, а на длину так называемого дебаевского радиуса. Кроме того, отрицательные частицы под действием поля положительно заряженного корабля будут ускоряться и соударяться с ним, выделяя значительную энергию, разрушая покрытие и приводя к нагреву корабля. Возникновение разрядного тока, обусловленного этим явлением, потребует непрерывной работы заряжающего устройства, мощность которого из-за необходимости компенсации разрядного тока должна быть увеличена, как показали расчеты, в несколько сот раз.
      Таким образом, конкретно у Луны применение куло-новской тяговой системы в том виде, как это представляется в настоящее время, окажется, по-видимому, неэффективным. Вместе с тем она может быть, вероятно, применена у «лун» дальних планет Солнечной системы, где влияние заряженных компонент солнечного ветра незначительно. Наконец, в межзвездном, а тем более в межгалактическом пространстве применение кулоновского взаимодействия может оказаться наиболее желательным.
     
      АДРЕС — ОИСЗ
      Околоземные орбиты искусственных спутников Земли уже давно превратились в орбиты сотрудничества многих стран мира по программе «Интеркосмос», разработанной с участием вице-президента АН СССР академика Б. Н. Петрова.
      Целесообразность и эффективность применения в космических исследованиях орбитальных станций считают 'доказанными. Более того, орбитальным станциям отводится значительная роль в будущем освоении космоса.
      Орбитальный космодром должен снабжать отлетающие корабли всем необходимым и, в первую очередь, реактивной массой. Количество запасаемой на борту корабля реактивной массы зависит от дальности предполагаемого путешествия и типа установленной на нем ДУ. Если в качестве топливных компонентов ЖРД применяются водород и кислород, то на долю топлива при полете даже к Луне приходится значительная масса стартующего корабля (только кислород составляет примерно половину массы). При полете к другим планетам Солнечной системы доля реактивной массы будет еще больше. Если на корабле установлена электроядерная ДУ, которая считается наиболее эффективной и на применение которой надеются создатели проектов космических ракет, то и тогда реактивная масса займет не менее 50 % начальной массы стартующей с орбиты ракеты. Таким об-
      разом, космическая станция-космодром должна иметь возможность каким-то образом наполнять свои резервуары реактивной массой.
      Таких возможностей две. Первая — обычная доставка реактивной массы или ракетного топлива с Земли транспортными ракетами. Вторая возможность состоит в накоплении вещества непосредственно станцией, летящей по орбите ИСЗ, за счет захвата атмосферных компонентов во время такого полета.
      Рассмотрим, как это делается на примере одного из возможных проектов такой накопительной станции.
      Очевидно, что отправка от орбитальной станции космического корабля — событие не такое уж частое даже в будущем. Поэтому промежутки между стартами дальних экспедиций можно использовать для накопления атмосферных компонентов.
      Как правило, штатный полет орбитальных станций осуществляется по орбитам, располагающимся на высотах 200 — 500 км. Такие высоты удобны во многих отношениях: ничтожно малое аэродинамическое сопротивление обусловливает многолетний период существования станций, относительная близость к поверхности Земли упрощает доставку к станции экипажа и грузов и обратные транспортные операции к поверхности Земли, создает благоприятные условия для изучения и наблюдения за земной поверхностью в интересах народного хозяйства и науки. К сожалению, осуществлять на этих орбитах накопление атмосферных газов невозможно из-за того, что период накопления оказывается неприемлемо большим.
      Расчеты показывают, что наиболее выгодный режим накопления можно получить на высотах от 100 до 120 км при движении станции по круговой орбите. Очевидно, что более плотная атмосфера обеспечивает уменьшение периода накопления, но зато приводит к возрастанию аэродинамического сопротивления, которое для осуществления устойчивого орбитального полета должно быть скомпенсировано тягой бортовой ДУ.
      Итак, рассмотрим, что представляет собой накопительная станция.
      В передней части станции находится массозаборник — раструб, направленный навстречу потоку. Он напоминает огромное сопло ракетного двигателя, но работает в обращенном (диффузорном) режиме. Газы не вылетают из него, ускоряясь, а, наоборот, входят в него и замедляют свою скорость. По законам термодинамики температура, плотность и давление захваченного атмосферного газа при этом возрастают. «Запустить» такой мас-созаборник, т. е. заставить его работать с максимальным КПД, непросто. Для этого следует плавно уменьшать высоту орбиты с 200 км до рабочей, следя за тем, чтобы перед раструбом не возникла обычная для сверх- и гиперзвуковых течений ударная волна, приводящая к потерям массы газа, к уменьшению его энергии, к нарушению механизма сжатия и, в конечном счете к уменьшению в 300 — 400 раз давления и плотности захваченного воздуха.
      Уже «запущенный» и устойчиво работающий массо-заборник может прекратить устойчивую работу и образовать впереди себя ударную волну (специалисты ее называют выбитой ударной волной), если будет полностью или частично перекрыт выходной канал, поэтому расход воздуха из массозаборника, а также орбита полета станции должны тщательно контролироваться.
      Скорость полета станции велика, она равна первой космической скорости (около 8000 м/с) и превышает скорость звука в 28 раз. Заметим для сравнения, что скорость орудийного снаряда только в 3 раза больше скорости звука, а скорость высотных стратосферных ракетных самолетов еще никогда не превышала скорости звука больше чем в 10 раз. Такая огромная скорость движения станции требует решения двух важных проблем. Во-первых, необходимо разработать реактивные двигатели, которые использовали бы в качестве рабочего тела (реактивной массы) внешние ресурсы, т. е. атмосферные компоненты, но и в то же время развивали бы значительную тягу при расходовании на это только части внешней массы, захваченной массозаборником. Очевидно, что тяга должна быть достаточной для компенсации тормозного импульса при захвате внешней массы, аэродинамического сопротивления и потерь на управление (т. е. на ориентацию станции навстречу потоку). Во-вторых, сжатие встречного потока в массозаборнике приводит к нагреву захватываемого воздуха, в то время как для обеспечения его хранения на борту станции требуется этот воздух не только охладить, но и ожижить. Поэтому станция должна быть оборудована холодильной системой, в состав которой при необходимости может вводиться так называемое разделительное устройство, предназначенное для отделения, скажем, кислорода от азота.
      Многочисленные исследования показали, что как первая, так и вторая проблемы могут быть решены только лишь при использовании на борту станции ЯЭУ.
      В настоящее время существует большое количество проектов космических ЯЭУ, предназначенных для обеспечения энергией электрореактивных двигателей малой тяги, — в основном плазменных или ионных. Аналогичная система, состоящая из бортовой ядерной электростанции и двигателей малой тяги, работающих на атмосферных компонентах, должна быть установлена и на накопительной станции.
      Накопительная станция представляет собой грандиозное сооружение, ее размеры значительны (в развернутом, т. е. в рабочем, состоянии длина станции может превышать 100 м), а масса перед началом накопления составляет около 100 т. Впереди огромный (диаметром 10 — 20 м) раструб массозаборника, за ним холодильная система, имеющая теплообменные устройства, детандеры, разделители, компрессоры и космические холодильники-излучатели, предназначенные для сброса излишков тепла в космос. Внешнему наблюдателю будут видны только лишь холодильники-излучатели, представляющие собой сеть мелких трубок, расположенных на наружной поверхности у основания массозаборника. По трубкам циркулирует рабочее тело, отдающее тепло в космическое пространство. За холодильниками-излучателями описанной криогенной системы располагаются жилые, приборные и агрегатные отсеки станции. В этом же месте расположены многочисленные антенны, шлюзовые и стыковочные отсеки. Здесь же находятся стартовые площадки для отправки в дальний путь космических межпланетных кораблей. Все перечисленные устройства, а также располагаемые за ними танки (баки) для хранения накопленного вещества находятся в аэродинамической тени массозаборника.
      Следующий элемент станции — огромный конусообразный холодильник-излучатель, который ночью (в тени Земли) светится ярко-малиновым светом, — так сильно он нагрет текущим по его трубам металлическим теплоносителем.
      Для уменьшения длины холодильник-излучатель может быть выполнен в виде двух конусов — расширяющегося и сужающегося, причем расширяющийся конус может одновременно выполнять функции обтекателя или даже сопла двигателей малой тяги. Однако наиболее предпочтительное место расположения таких двигателей — в самом конце станции за ядерными реакторами, так как в этом случае достигается максимальная эффективность управления положением станции посредством изменения вектора тяги этих двигателей. Естественно, что реакторы как элементы, представляющие собой источник опасных ионизирующих излучений, должны быть отделены от жилых помещений многослойной защитой. Многочисленными физическими исследованиями установлено, что наиболее эффективно от ионизирующих излучений различной природы (нейтронное, у-излучение и др.) защищает именно многослойная изоляция, состоящая из различных поглотителей (природного урана, свинца, водородсодержащих пластмасс и т. п.).
      Описанная выше станция при выходной мощности АЭС 5000 кВт может в течение 1 мес полета накопить на борту около 2 т кислорода либо 6 т азота или воздуха. Как известно, затратив небольшую добавочную мощность, можно организовать прямо на борту станции получение стойкого химического соединения — азотного те-троксида, который при нормальных условиях представляет собой жидкость (хороший окислитель) и не требует поддержания криогенных температур, необходимых в случае хранения ожиженных газов.
      Несмотря на то что накопительная станция представляет собой довольно сложное и дорогостоящее космическое сооружение, ее продолжительная (многолетняя) эксплуатация должна окупаться значительно меньшей стоимостью накопления кислорода на орбите по сравнению со стоимостью его доставки на орбиту транспортными ракетами будущего.
      Существуют и другие возможности использования описанного выше космического уникального сооружения. Закончив цикл накопления массы, такая станция может сама под действием собственных ядерно-энергетических двигателей совершать путешествие на окололунную орбиту. Может быть совершено путешествие н на орбиту Марса.
      Более того, использование станции для перелета между планетами, имеющими атмосферу, может оказаться значительно более выгодным, если осуществлять накопление массы не только у Земли, но и у планеты назначения (Марса, Венеры и т. п.). Очевидно, что указанный способ межпланетных путешествий при значительном (многолетнем) ресурсе ядерно-энергегических систем может оказаться весьма эффективным.
      В небольшой главе невозможно даже кратко охарактеризовать многочисленные и сложные проблемы, встающие на пути создания околоземных накопительных станций. Тем не менее большинство специалистов как в нашей стране, так и за рубежом склонны считать осуществление этого проекта весьма реальным даже в недалеком будущем, так как уже сейчас закладываются основы для длительного пребывания на орбите операторов будущих станций.
      21 декабря 1988 года со станции «Мир» возвратились на Землю космонавты СССР В. А. Титов и М. X. Мана-ров, проработавшие в космосе 366 сут, а также французский космонавт Ж- Кретьен, Объединенные медицинские показатели и собственные ощущения космонавтов свидетельствуют о том, что работать в космосе можно и более продолжительное время. Иначе говоря, вопрос о персонале орбитальной накопительной станции с учетом сменяемости экипажей можно считать почти решенным.
      Накопительная околоземная орбитальная станция, которая может быть выведена с помощью УРКТС «Энергия», увеличив в течение двух лет свою массу за счет внешних ресурсов со 100 до 200 т, может превратиться в ракету с электрореактивным двигателем и отправиться в дальнее космическое путешествие, например к Марсу и обратно. Осуществление проекта потребует создания ЯЭУ и плазменных двигателей, однако общая стоимость его окажется меньше стоимости проекта с применением химических топлив и ЖРД, оцениваемого в США в 190 млрд. дол.
      Орбитальная автоматическая или пилотируемая станция, способная 30 лет работать на ОИСЗ высотой более 300 км и собирать межпланетный водород и гелий, сможет, очевидно, выполнять роль космической термоядерной электростанции (КТЭС). Такие станции наряду с космическими солнечными электростанциями (КСЭС) в будущем должны стать основой земного энергохозяйства.
      Широкое использование околоземных орбит для удовлетворения основных потребностей человечества, а их только пять: энергетика, информатика, технология, транспорт и экология, и все возрастающая нагрузка на земную поверхность приведут, по-видимому, к появлению нового научного направления, которое условно можно назвать географией космического обслуживания.
     
      КОСМИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ
      Академик В. П. Глушко (1908 — 1988), о котором говорилось в гл. 4, стоял у истоков отечественного жидкостного ракетного двигателе-строения. Разработанные под его руководством ЖРД используются на первых ступенях и на ряде вторых ступеней космических ракет-носителей нашей страны.
      В. П. Глушко — один из пионеров ракетно-космической техники. Он известен не только как конструктор ЖРД, но и как автор проекта «Гелпоракетоплана» (1929 год) — космического дискообразного летательного аппарата с электрическими ракетными двигателями (ЭРД), получающими энергию от Солнца, освещающего расположенные на диске термоэлементы.
      В настоящее время, когда в космосе надежно работают солнечные батареи, вырабатывающие электрическую энергию мощностью больше 10 кВт, а также созданы и успешно испытаны в лабораторных условиях ядерные энергетические источники, способные работать в космических условиях, постройка аппаратов, подобных «Гелиоракетоплану», представляется делом вполне реальным.
      Плазменный ЭРД электротермического типа, разработанный В. П. Глушко в 1929 году, послужил прототипом реальной конструкции, испытанной на космическом аппарате «Зонд-2» в качестве исполнительных органов системы ориентации (на борту имелось шесть двигателей). В настоящее время в ряде стран мира ведутся работы по созданию плазменных и ионных двигателей с высокими удельными импульсами, предназначенных для дальних космических полетов космонавтов, например к Марсу или к Венере. В сочетании с ядерно-энергетиче-скими установками такие двигатели способны существенно повысить эффективность дальних межпланетных полетов.
      Между тем основой мирового и отечественного космического двигателестроения являются ЖРД, параметры которых во многом определяют имеющиеся достижения космонавтики. В. П. Глушко пишет: «Значительное давление в камере сгорания, измеряющееся сотнями атмосфер, и обеспечение высокой степени полноты сгорания, а также реализация равномерного и равновесного истечения продуктов сгорания из сопел с большой степенью расширения позволили создать мощные малогабаритные двигатели с исключительно высокими характеристиками.
      При разработке этих двигателей были использованы новейшие достижения термодинамики, гидро- и газодинамики, теплопередачи, теории прочности, металлургии высокопрочных и жаростойких материалов, химии, электронной вычислительной техники, измерительной техники, вакуумной, электронной и плазменной технологии. Создание таких двигателей является одним из основных достижений ракетно-космической техники СССР».
      В этих условиях, по сути дела, содержится не только констатация достигнутого, но и программа работ на будущее.
      Возможны и новые схемные решения ЖРД2, например их работа на трех топливных компонентах (кисло-род-углеводородное горючее — жидкий водород) для одноступенчатых ракет-носителей горизонтального и вертикального стартов, комбинация ЖРД с воздушно-реактивными двигателями, создание безопасных и многоразовых ЖРД, ядерных ЖРД (ЯРД) с твердой, жидкой или газообразной или газофазной активной зоной реактора и, наконец, создание термоядерного двигателя.
      Мы уже говорили об управляемых термоядерных реакциях, овладение которыми позволит приступить к созданию термоядерного двигателя, а в дальнейшем — и к созданию термоядерной тяговой системы. Заметим при этом, что перспективность управляемых термоядерных энергетических систем в космонавтике объясняется практически неисчерпаемыми запасами внешних массоэнергетических ресурсов, в частности межпланетного и межзвездного водорода — основного компонента космической среды. В этом плане предложения о создании термоядерных двигателей взрывного типа, работа которых основана на возможности осуществления серии последовательных термоядерных взрывов за специальным экраном-отражателем, представляются менее предпочтительными, так как предусматривают использование только бортовых ресурсов. Нередко привлекательность взрывных термоядерных двигателей объясняют возможностью полезно израсходовать с их помощью накопленные в ряде стран запасы термоядерных (водородных) бомб, когда народы мира придут к соглашению о всеобщем разоружении. Нам представляется, что ни с политической, ни с технической точки зрения этот довод не выдерживает критики. Накопленное термоядерное оружие можно утилизировать, если это будет необходимо для достижения более полной разрядки, куда более эффективно и в более короткий срок, не тратя долгие годы на ожидание того, когда будет создано уникальнейшее и сложнейшее новое инженерное космическое сооружение.
      Во-первых, до появления космических термоядерных двигателей еще далеко, тогда как разрядка и мировая утилизация боевых термоядерных зарядов являются требованиями нашего времени. Во-вторых, уже сейчас очевидна важность научных исследований по практическому применению термоядерной энергетики, в том числе и в космонавтике.
      Хорошо известно, что энергетика космических ракет является существенным потребителем земных ресурсов, которые в виде топливных компонентов заполняют баки стартующей ракеты. Естественно, что применение внешних ресурсов атмосферы и особенно космического пространства (речь идет о водороде) приведет к восстановлению земных ресурсов, несмотря на увеличение темпов и масштабов космических операций.
      Итак, об управляемых термоядерных реакциях. В многочисленных проектах термоядерных управляемых устройств предусматривается начальный инициирующий нагрев реагирующего вещества (трития, дейтерия, водорода) до температуры в несколько десятков миллионов градусов. Эта температура должна соответствовать энергии, достаточной для слияния ядер, в результате которого и выделяется огромная энергия термоядерного синте за. Так, для слияния дейтрона н тритона (тяжелые изотопы ядер водорода, содержащие соответственно одиц и два нейтрона) требуется энергия 5 кэВ, для слияния двух дейтронов — 35 кэВ, а двух ядер водорода (двух протонов) — 50кэВ. Естественно, что для инициирования реакции надо прежде всего подобрать исходные компоненты, требующие как можно меньшую энергию начала термоядерного синтеза. Именно к таким инициирующим компонентам и относится смесь дейтерия и трития, а также выявленная в последнее время перспективная смесь дейтерия и гелия-3. Нагревая в замкнутом пространстве дейтериево-тритиевую плазму, можно осуществить термоядерный синтез, при котором выделяется 3,5-10й кДж/кг энергии. В настоящее время ученые работают над первой фазой термоядерного синтеза — проблемой разогрева плазмы. Трудностей здесь много.
      Существуют и другие способы инициирования термоядерной реакции, например с помощью интенсивного лазерного импульса, энергия которого концентрируется в центре сферической камеры или в каком-либо из фокусов эллипсоидной камеры с дейтериево-тритиевой смесью. Подобные устройства рассчитаны на импульсный (пульсирующий) режим работы.
      После «зажигания» плазмы, т. е. после начала термоядерного энерговыделения, в зону реакции необходимо подавать водород — наиболее дешевое и распространенное термоядерное горючее. Заметим, что в 1 т обычной морской воды содержится около 100 кг водорода, который может обеспечить выделение 3,6-1012 кДж энергии. Попутно заметим, что там же содержится примерно 160 г тяжелой (дейтериевой) и 0,036 г сверхтяжелой (тритиевой) воды, т. е. сырья для получения начального (пускового) импульса термоядерного реактора.
      Одновременно с подачей в зону реакции газообразного водорода требуется разработать способ выведения из зоны реакции «шлака», т. е. гелия. По-видимому, при работе наземных термоядерных электростанций этот чрезвычайно ценный и полезный газ в атмосферу выпускать будет нецелесообразно. Лучше всего предусмотреть его охлаждение и сбор в специальных газохранилищах (газгольдерах). Напомним, что жидкий гелий нужен для сверхпроводниковой техники, газообразный гелий — хороший теплоноситель для энергосистем и безопасный наполнитель аэростатов. Он широко применяется и в ракетной технике, например для наддува топливных баков.
      В тех же наземных термоядерных электростанциях предполагается передавать получаемую энергию рабочему телу за счет торможения в нем таких продуктов реакции, как, например, протоны, нейтроны или ядра гелия. у-Излучение появляется при должной очистке исходных продуктов только как вторичный эффект, вызванный поглощением нейтронов некоторыми конструкционными материалами. В этом состоит еще одно принципиальное отличие реакторов синтеза от реакторов деления, поскольку в последних на долю у-излучения приходится значительная доля выделяемой энергии. Как известно, для защиты от у-излучения требуются химические элементы с большим атомным номером (свинец, природный уран и т. п.). Вот почему проблема радиационной защиты для термоядерных реакторов представляется менее острой и более легкой в расчете на единицу вырабатываемой мощности. Да и сам термоядерный реактор, как нетрудно понять, может оказаться (опять-таки в пересчете на единицу мощности) значительно легче ядерно-го. Масса наиболее тяжелых его элементов (катушек и железных сердечников) в случае применения сверхпроводниковой техники может быть резко уменьшена.
      Все эти обстоятельства делают весьма перспективными попытки создания на базе термоядерного реактора принципиально нового типа космического ракетного двигателя — термоядерного. Предварительные исследования показывают, что подобный двигатель должен обладать совершенно уникальными характеристиками: при тяге 1800 кН и массе около .3. т (примерно эти параметры характерны для водородно-кислородного двигателя водородного блока УРКТС «Энергия») он будет развив_ать удельный импульс (удельную тягу! 18 000 с. что более
      чем в 30 раз выше удельного импульса даже самых лучших из перспективных химических двигателей. Заметим еще раз, что удельный импульс ядерных ракетных двигателей с твердой активной зоной и водородом в качестве рабочего тела не превышает 900 с, а с газообразной (плазменной) активной зоной — 2500 с.
      Итак, двигатели, созданные на базе термоядерных реакторов, явятся принципиально новым этапом на пути развития космических тяговых систем. Эти двигатели позволят человеку, в подлинном смысле слова, стать хозяином Солнечной системы, достигнуть ее удаленных планет (Урана, Нептуна, Плутона), совершить полеты за пределы эклиптики, организовать дальние экспедиции в межзвездное пространство, наладить постоянную транспортную связь между планетами земной группы (Марсом, Землей, Венерой), организовать посещение спутников Юпитера и Сатурна, а главное — перейти к созданию первых тяговых систем, характерных для космических цивилизаций.
      С нашей точки зрения, такими тяговыми системами должны быть системы, не зависящие от бортовых запасов энергии и массы, а черпающие их в необходимом количестве извне, из окружающего пространства.
      Именно о таком устройстве и пойдет речь в дальнейшем.
     
      КОСМИЧЕСКИЙ ПРЯМОТОЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
      Рассмотренный в гл. 15 способ использования внешних ресурсов, состоящий в предварительном накоплении атмосферных компонентов при орбитальном полете и в дальнейшем их применении в качестве реактивной массы электрореактивных двигателей, может применяться только для полетов в пределах Солнечной системы.
      Для более дальних полетов, например к ближайшим звездам, этот способ по современным представлениям оказывается непригодным. Вместе с тем полет к звездам без использования внешних ресурсов представляется (также по современным воззрениям) практически невозможным, если даже использовать для этого термоядерный двигатель, описанный в гл. 16. Известно, что даже для идеальной реакции термоядерного синтеза (все вещество реагирует без остатка) и идеального термоядерного двигателя (вся энергия расходуется на создание тяги) отношение конечной массы летательного аппарата, разогнанного до скорости, составляющей 90 % световой, к начальной массе составляет ничтожно малую величину (0,001 %), что явно не может считаться приемлемым.
      В связи с этим попытаемся рассмотреть возможный облик тяговой системы, пригодной для осуществления полетов за пределы Солнечной системы, тем более что интерес к таким полетам и к характеристикам соответствующих технических средств проявляется уже сейчас как со стороны специалистов в области космонавтики, так и со стороны ученых, исследующих проблемы обнаружения деятельности внеземных космических цивилизаций.
      Можно предположить, что обе задачи — и полет к ближайшим звездам, и обнаружение космических цивилизаций — станут в недалеком будущем практической необходимостью для человечества. Вот почему и тяговые системы, которые могли бы быть использованы для этих полетов, все чаще находят отражение в технической литературе практически всех промышленно развитых стран.
      Здесь будет рассмотрен межпланетный прямоточный двигатель, который, как нам представляется, является промежуточной ступенью для создания двигателя, пригодного для обеспечения межзвездных полетов. Заметим, что по современным представлениям межпланетная и межзвездная среда состоит в основном из водорода, примерно 1 % которого приходится на дейтерий, и гелия.
      Для предварительных расчетов можно принять, что межпланетная среда состоит из водорода, находящегося в молекулярном, атомарном и ионизированном состояниях, Таким образом, основой энергетического процесса двигателя можно считать получение на борту летательного аппарата термоядерной энергии, выделяемой в результате синтеза космического водорода.
      Теория прямоточного двигателя, как и вообще всех воздушно-реактивных двигателей, основывается на фундаментальной работе Б. С. Стечкина (1891 — 1969 гг.) «Теория воздушно-реактивного двигателя», которую этот выдающийся ученый, ставший впоследствии видным академиком, опубликовал в 1929 году. Захват внешней среды, подвод к ней энергии и выброс реактивной массы через ускоряющее поток сопло — этот принцип одинаково справедлив для создания как двигателей, работающих в атмосферах планет, так и для межпланетных и межзвездных двигателей.
      На базе работ Б. С. Стечкина создано целое семейство авиационных реактивных двигателей. Кроме того, обширные знания и талант этого ученого распространились и на заатмосферную область. В 30-х годах он был научным консультантом ГИРДа, читал лекции по теории реактивного движения, работал в тесном контакте с С. П. Королевым, был активным пропагандистом идей об использовании внешних ресурсов массы и энергии в ракетно-космической технике.
      Итак, внешний вид космической ракеты с термоядерным прямоточным двигателем необычен: перед кораблем на большое расстояние вытянулся ярко-фиолетовый ионизирующий луч, выходящий из передней точки заостренного центрального тела геометрического конусообразного мдссозаборника. Этот луч может быть пучком ускоренных электронов, у-излучением, рентгеновским или ультрафиолетовым излучением. Предназначен он для ионизации встречного (набегающего) потока водорода, или, если применяется пучок электронов, для предварительной фокусировки (стягивания ближе к оси пучка) этого водорода за счет сил электростатического взаимодействия. Периферия электронного луча светится довольно сильно из-за ионизации в результате соударений с лучом не столько водорода, сколько немногочисленных примесей более тяжелых элементов.
      По периметру геометрического массозаборника, имеющего довольно внушительные размеры (диаметр около 40 м и длина около 60 м), проложены в один-двэ слоя витки сверхпроводниковой катушки с током. Эта катушка представляет собой сложное инженерное сооружение. При ее работе на витки действуют огромные разрывающие усилия и силы, прижимающие витки друг к другу. Материал витков должен быть весьма прочен при сверхнизких (гелиевых) температурах, иметь малую плотность и допускать высокие плотности электрического тока. Как известно, сверхпроводимость может быть нарушена не только при нагреве сверхпроводника выше так называемой критической температуры, но и при достижении критической напряженности магнитного поля. С увеличением температуры критическая напряженность резко падает, ограничивая тем самым допустимую плотность тока. Вот почему в существующих проектах сверх-проводниковых устройств используются, как правило, гелиевые температуры, хотя уже известно большое количество материалов, обладающих сверхпроводимостью (для малых плотностей тока) при температурах жидкого азота и еще более высоких температурах. В настоящее время наилучшую совокупность необходимых для сверх-проводникового устройства характеристик имеет только бериллий, но не исключено, что в дальнейшем для этой цели будут открыты новые перспективные материалы,
      например получен металлический водород или даже сплав (или соединение) металлического водорода с каким-либо из легких металлов. Конструкция витков должна предусматривать их интенсивное охлаждение жидким гелием (температура около 4 К), причем без выброса гелия в окружающее пространство. Как известно, гелий весьма текуч, он просачивается не только сквозь мельчайшие зазоры в арматуре, но и проникает буквально «сквозь стенки», даже металлические. В крайнем случае, эта неизбежная потеря должна восполняться посредством отбора части гелия, получаемого от термоядерного синтеза.
      Только что описанная катушка нужна для формирования магнитного поля, фокусирующего набегающий поток. Ионизированные частицы внешнего набегающего потока (в основном протоны и электроны) встречаются с магнитным полем и начинают двигаться вдоль магнитных силовых линий, вращаясь вокруг них по спиралям. Поскольку магнитные силовые линии сходятся у входа в геометрический массозаборник, частицы фокусируются этой своеобразной магнитной воронкой. Оказывается, что подобный способ фокусирования набегающих частиц позволяет значительно увеличить эффективную площадь входа массозаборника. Прогнозируя современные достижения в получении магнитных полей описанным выше способом, можно подсчитать эффективный диаметр подобного электромагнитного массозаборника на 2000 год. Цифра получается внушительная — около 1000 км.
      Очевидно, что такое входное устройство даже при весьма незначительной плотности межпланетной среды (р=Ю-17 кг/м3) будет весьма эффективным. Например, при полете со скоростью 100 км/с за 1 с в массозаборник поступит около 1 кг водорода. Если предположить, что 75 % поступившего водорода прореагирует в термоядерном устройстве, то выделенная энергия будет равна 5 -1011 кДж/с. Поскольку доля энергии, требуемой для обеспечения внутренних потребностей корабля (в частности, для создания магнитного фокусирующего поля и работы бортовых систем), весьма незначительна, будем считать, что вся выделяющаяся энергия идет на создание тяги.
      Тяга прямоточного межпланетного двигателя создается за счет передачи выделившейся энергии, захваченной массозаборником, внешней массе (дефект или убыль массы в результате реакции синтеза и отбор гелия на внут-ренние нужды можно считать пренебрежимо малыми). Численно тяга определяется приростом скорости захватываемого вещества, умноженным на массовый секундный расход этого вещества. Поскольку в нашем частном случае массовый секундный расход равен единице, тяга просто равна приращению скорости захватываемого потока, которое оказывается стократным. Соответственно тяга такого идеального двигателя будет огромной — около 1012 Н.
      Тяга реального устройства будет, конечно, намного меньше. Во-первых, при фокусировке встречного потока могут возникнуть различные виды неустойчивости, вследствие которых часть потока пойдет мимо геометрического массозаборника из-за диффузии частиц поперек магнитного поля. Во-вторых, не все поступившие в реактор частицы прореагируют. Наконец, в-третьих, выделяемая энергия перейдет в энергию реактивной струи не полностью. Реальная тяга космического термоядерного прямоточного двигателя окажется на уровне 106 Й. Поскольку масса корабля составляет 600 — 1200 т, получается весьма эффективное устройство, способное ускоряться за ограниченное время от орбитальных околоземных скоростей (примерно 8 км/с) до скоростей, превышающих 1000 км/с. Такой летательный аппарат будет способен совершать полеты к Марсу и Венере за 2 — 3 месяца, а к дальним планетам Солнечной системы, включая Нептун и Плутон, за несколько лет.
      Более того, продолжительность и дальность полета этой ракеты будущего зависят от ресурса бортовых систем и никак не связаны с запасами бортовой массы и энергии — и то, и другое черпаются из внешней среды. Даже начальные бортовые запасы пускового термоядерного горючего (дейтерия и трития) могут быть восполнены в процессе полета, так как эти изотопы водорода также имеются в межпланетной среде.
      В заключение главы необходимо, по-видимому, остановиться на двух принципиальных моментах. Во-первых, следует сказать несколько слов о защите корабля от микрометеоров и космической пыли, поскольку огромные скорости полета, несомненно, окажутся зависимыми от возможности организации такой защиты. И, во-вторых, следует описать процесс торможения аппарата у планеты назначения.
      Исследования показывают, что обе проблемы могут быть разрешимы наиболее естественным образом, так как выбранный принцип функционирования системы как бы сам собой позаботился об ее живучести и удобстве эксплуатации.
      Микрометеоры и космическая пыль при облучении мощным электронным ионизирующим лучом (заметим, что уже в настоящее время созданы так называемые ме-гаамперные ускорители электронов) распадаются на отдельные атомы и молекулы, т. е. нагреваются и испаряются. Эти атомы и молекулы в дальнейшем ионизируются тем же электронным лучом и ведут себя подобно остальным частицам окружающей среды. После входа в массозаборник, нейтрализации, рекомбинации и охлаждения эти частицы должны быть, по-видимому, отделены (отсепарированы) от водорода, так как по современным представлениям примеси значительно затрудняют организацию термоядерной реакции.
      Встреча с крупными (которые невозможно испарить) метеорами, например, при полетах в зоне расположенного между Марсом и Юпитером «пояса астероидов» может быть предотвращена посредством раннего обнаружения метеора по вторичному рентгеновскому излучению, вызванному облучением его электронами, установки щита на его пути и проведения маневра уклонения летательного аппарата, предотвращающего столкновение. Этот маневр упростится, если локаторы службы метеорной защиты корабля обнаружат метеор, идущий на столкновение не встречным, а боковым курсом. Чтобы избежать столкновения, достаточно затормозить корабль, переведя реактор в режим минимального энерговыделения, обеспечивающего лишь внутренние нужды. При этом основная часть захватываемой внешней массы поступит не в реактор, а выбросится наружу через специальные сопла, расположенные между витками катушки и направленные перпендикулярно оси летательного аппарата или навстречу набегающему потоку. Выбрасываемая масса ионизована, поэтому, диффундируя поперек магнитного поля, она увлечет за собой и приведет к дополнительному раскрытию «магнитной воронки», которая в данном случае работает просто как тормоз. Тормозная сила для рассматриваемого летательного аппарата при скорости полета 105 м/с равна 105 Н. Как видим, сила численно равна скорости полета, так как расход массы составляет 1 кг/с. При других скоростях полета тормозная сила равна скорости полета, умноженной на секундный расход захваченной массозаборником массы.
      Таким образом, оказывается, что обе проблемы — и защита от метеоров, и торможение — принципиально разрешимы с помощью одной и той же тяговой системы, в основе которой находится термоядерный прямоточный двигатель.
      При рассмотрении космического аппарата ничего не было сказано об его многочисленных вспомогательных системах. Системы управления, радиосистемы, системы, обеспечивающие магнитный электростатический и температурный режимы всех элементов аппарата, системы, обслуживающие сердце корабля (термоядерное устройство и движитель — ускоритель реактивного потока), представляют собой сложнейшие кибернетические устройства, рассказ о которых в нашу задачу не входит.
     
      ФОТОННАЯ РАКЕТА
      Стремительные темпы развития авиационной и ракетно-космической техники вынуждают с еще большей быстротой развивать научные дисциплины, обеспечивающие успех создания новых летательных аппаратов и их силовых установок.
      «Современное состояние двигателестроения, наряду с развитием тепловых двигателей уже известных типов, настоятельно требует расширения научно-исследовательских работ в целях выявления возможных новых типов эффективных теплосиловых установок», — эта мысль, высказанная замечательным советским ученым более трех десятилетий тому назад, сохраняет всю свою актуальность и в наши дни, когда начинаются исследования фотонных ракет. Речь идет о профессоре В. К. Кошкине — известном педагоге, воспитавшем не одно поколение советских ученых.
      В. К. Кошкин внес огромный личный вклад в развитие таких научных дисциплин, как термодинамика, теплопередача, двигателестроение. Развитие этих фундаментальных дисциплин диктовалось применением различных типов двигателей для летательных аппаратов, а двигателей
      Двигатели со свободно движущимися поршнями в теплосиловых установках/В. К. Кошкин, Б. Р. Левин, И. Н. Кутырин и др. М.: Машгиз, 1957,
      на веку профессора В. К. Кошкина сменилось немало: паровые, поршневые, бензиновые и дизельные, свободнопоршневые, воздушно-реактивные, жидкостные ракетные, комбинированные, ядерные, плазменные, ионные...
      И вот наступила очередь фотонного. Новые проблемы, новые «неразрешимые» трудности термодинамического описания, совершенно фантастические энергетические процессы.
      Большинство описаний гипотетических тяговых систем для обеспечения межзвездных полетов посвящено фотонным ракетам, тяга которых создается за счет истечения квантов электромагнитного излучения. В идеальном случае, когда вся мощность двигателя переходит в направленное излучение, тяга (в ньютонах) будет равна этой мощности (в киловаттах), умноженной на коэффициент 3,3-10_6, и не будет зависеть ни от длины волны излучения, ни от типа его источника.
      Очевидно, что даже карманный электрический фонарик может называться миниатюрным фотонным двигателем. Мощные газосветные лампы, освещающие улицы и площади, а особенно лампы типа «Сириус», развивают уже ощутимую тягу. Но подобные устройства, к сожалению, для сверхдальних полетов непригодны из-за весьма тяжелых энергетических источников. Даже идеальная реакция полной аннигиляции вещества и антивещества, которая обеспечивает наивысшее выделение энергии, так как в нее превращается вся масса исходных продуктов, и та обеспечивает массовую отдачу, равную всего 23%. Многие предпосылки и расчеты, касающиеся межзвездных полетов, делались на основе представлений, почерпнутых из ракетной техники сегодняшнего дня. Предполагалось, что космическая среда в тяговых системах использоваться не может из-за чрезвычайной разреженности, что все необходимые для создания тяги массоэнергетические ресурсы (а для идеальной фотонной тяговой системы запас массы и энергии — одно и то же) должны размещаться перед полетом на борту летательного аппарата. Такое предположение рождало массу неразрешимых по современным представлениям проблем. Получение и хранение антивещества, организация анниги-ляцнонного процесса, фокусировка фотонов — это еще далеко не полный их перечень.
      Вот почему многие исследователи проблемы межзвездных полетов стали склоняться к мысли о необходимости использования прямоточного принципа создания тяги и для этого случая.
      Рассмотренный в предыдущей главе термоядерный прямоточный двигатель принципиально пригоден и для межзвездных полетов, так как отсутствие бортовых запасов массы и энергии снимает ограничение на дальность полета. По современным данным плотность межзвездного водорода значительно меньше, чем межпланетного, и равна 2 -10-21 кг/м3 (на 1 см3 приходится только один атом!). Следовательно, при скорости полета 100 км/с тяга двигателя окажется равной всего лишь нескольким ньютонам. Не выполняется, таким образом, второе необходимое условие межзвездного полета — его продолжительность при малых ускорениях, обеспечиваемых низкой тягой, будет значительно превышать продолжительность человеческой жизни. Вот почему такой двигатель будет пригоден, пожалуй, только для автоматических межзвездных зондов.
      Еще одно обстоятельство. При постепенном ускорении летательного аппарата тяга двигателя рассматриваемого типа будет сначала возрастать из-за увеличения количества захватываемой массы, а затем по мере увеличения энергии набегающего потока начнет падать. Дело в том, что при увеличении скорости полета соответственно увеличивается энергия захватываемых частиц и требуется отдавать все большую мощность на увеличение интенсивности магнитного поля. Очевидно, что энергия реактивной струи уменьшается. Если же магнитное поле не увеличивать (допустим, катушка постоянно работает на пределе своих возможностей), то тогда энергия и тяга струи уменьшатся из-за меньшего секундного расхода захватываемого массозаборником водорода. Естественно, что уменьшение и без того низкой тяги приведет к невозможности достижения ракетой значительных — не говоря уж об околосветовых — скоростей полета.
      Вывод один — надо применять антивещество, так как только реакция аннигиляции может дать необходимый для достижения нужного эффекта энергетический выход.
      Рассмотрим прежде всего возможность использования межзвездного антивещества. Ученые подсчитали, что среди обычного водорода может находиться примерно 0,5-10-7 часть антиводорода или антигелия. Соединяясь с обычным веществом, эти частицы дадут возможность захватывать массозаборником 10~7 часть аннигиляцион-ного горючего, каждый килограмм которого выделяет предельно возможную энергию 9-1013кДж, что примерно в 1000 раз больше энергии, выделяемой при синтезе водорода. Существуют гипотезы, что в различных районах нашей Галактики, а тем более в межгалактическом пространстве имеются целые области, состоящие в основном из антивещества (предполагают даже, что имеются антизвезды и антигалактики!). Тем не менее эти гипотезы пока подтверждения не нашли, и нам остается констатировать «печальный» факт — доля антивещества во внешней среде слишком мала, чтобы дать сколько-нибудь ощутимый вклад в энергетический выход от термоядерной реакции.
      Итак, на борту ракеты необходимо запасать антивещество, которое при достижении ею скорости полета 200 — 300 км/с с помощью термоядерного прямоточного двигателя следует использовать для получения «фотонной» тяги и дальнейшего разгона.
      Рассмотрим сначала проблемы получения и хранения антивещества. Об этих проблемах мало сказать, что они далеки от разрешения. Современное состояние физики таково, что их не могут даже поставить на повестку дня. И тем не менее успехи современного физического эксперимента с каждым днем приближают нас к такой возможности. Начнем с того, что создание крупнейших ускорителей в Дубне и Серпухове позволило получить и исследовать свойства антипротона — ядра антиводорода, а затем ядер антидейтерия и антигелия. Еще пока нет установок для получения плотных пучков этих «антиядер», но, когда они будут созданы, проблема получения упомянутых антиэлементов окажется, по-видимому, разрешимой. Дело в том, что оснастить полученные «антиядра» антиэлектронами (т. е. позитронами — частицами, равными по массе электронам, но имеющими положительный заряд) значительно проще. Позитроны научились уже не только получать, но и накапливать в значительных количествах в так называемых «накопительных кольцах» — кольцевых магнитных системах, напоминающих ускорители. Смешивая «антиядра» и позитроны, можно получить нейтральную плазму антивещества. Как известно, плазма при магнитной изоляции может продолжительное (по физическим понятиям) время не вступать в контакты со стенками камер. К сожалению, такое антивещество еще не может считаться пригодным для хранения на борту ракеты. Необходимо разработать процесс охлаждения вплоть до отвердевания, скажем, антидейтерия. Твердый антидейтерий обладает достаточной плотностью для того, чтобы его можно было разместить в межзвездной ракете. Кроме того, контейнеры для его хранения не нужны. Сферические или цилиндрические глыбы антидейтерия будут удерживаться вблизи корабля с помощью электростатических полей определенной формы при постоянном (динамическом) регулировании.
      В настоящее время пока нет представления о том, каким способом подавать антивещество в зону реакции. Может быть, будет пригоден «простой» метод эрозии антивещества вследствие взаимодействия с ним потока вещества, захваченного массозаборником. Обсуждается и другой способ эрозии и разгона антивещества с помощью лазерной установки. Разгон необходим и для организации реакции аннигиляции, и для получения необходимого КПД преобразования энергии в тягу. Учеными было установлено, что доля «чистой» аннигиляции, т. е. перехода протонов и антипротонов непосредственно в излучение при энергии их взаимодействия 1,6 ГэВ, составляет 30 % и растет при дальнейшем увеличении этой энергии. При взаимодействии «покоящихся», т. е. имеющих очень небольшую энергию, частиц и античастиц «чистой», или полной, аннигиляции нет совсем. Вместо этого протоны и антипротоны последовательно рождают я-мезоны, затем р-мезоны и, наконец, электронно-позитронные пары, которые и завершают аннигиляцию, переходя в излучение. Отрицательные и положительные я-мезоны («элементарные» частицы, масса которых в 273 раза больше массы электрона) образуют при этом на короткое время нейтральные пары — мезоатомы, которые не фокусируются магнитным полем. То же самое можно сказать и о р-мезонах, и об электронно-позитронных парах.
      В целом можно отметить, что расстояние, проходимое веществом и антивеществом в процессе аннигиляции и ускорения, будет равняться нескольким километрам, поэтому изображать фотонные двигатели с короткими
      камерами аннигиляции, как это нередко делают в популярных книгах, по-видимому, бессмысленно уже сейчас. Аннигиляция и ускорение квантовой струи (а точнее, квантового потока) должны происходить вне пределов корабля и взаимодействовать с ним только лишь посредством электромагнитных сил. Образование несфокусированных квантов электромагнитного излучения на промежуточных и завершающей стадиях аннигиляции требует создания фокусирующего устройства. В настоящее время хорошо изучен вопрос о возможности фокусирования электромагнитных излучений с помощью твердых поверхностей. Оказалось, что даже самый лучший отражатель коротковолнового светового излучения (фиолетовая область) видимого спектра — полированный алюминий — поглощает при длине волны 0,2 мкм около 60 % падающего потока. Серебряные зеркала для этой области спектра не годятся, так как поглощают 90 % излучения.
      Таким образом, зеркало оказывается чрезвычайно громоздким, требует интенсивного охлаждения и, что самое главное, поглощает почти все падающее излучение. Были попытки рассмотреть лазерные кристаллические системы. Поглощаемое в кристаллах коротковолновое излучение преобразуется и высвечивается в виде 'когерентного (синхронного) излучения с большей длиной волны, благодаря чему его можно очень хорошо фокусировать. К сожалению, и эти весьма перспективные устройства непригодны из-за большой массы и сложности конструкции.
      Наиболее перспективным (по современным представлениям) считается предложение о фокусировании квантов с помощью дискообразного электронного облака, удерживаемого тем же магнитным полем, которое обеспечивает работу электромагнитного массозаборника. При полете межзвездной ракеты это облако под действием встречного потока изгибается и принимает форму огромной параболы, создавая тем самым более благоприятные условия для использования в создании тяги несфокусированных квантов. Заметим, наконец, что электронное облако создается устройствами, аналогичными тому, которое направляет навстречу потоку электронный луч (описанный в предыдущей главе), обеспечивающий работу электромагнитного массозаборника .
      В. П. Бурдаков, Ю. И. Данилов. Внешние ресурсы и космонавтика. М.: Атомиздат, 1976.
      Представим теперь всю процедуру межзвездного полета. На околоземной орбите собран корабль, имеющий приемлемые даже по современным представлениям геометрические размеры. Диаметр массозаборника около 40 м, длина корабля не более 160 м. Сухая масса корабля находится в пределах 600 — 1200 т. Основные его элементы: массозаборник с магнитной и электронной фокусирующими системами; термоядерная энергоустановка проточного типа с электромагнитным движителем, твердая поверхность которого выполнена в виде расширяющегося сопла; система хранения и подачи антивещества; рабочие, производственные и жилые сферические отсеки с необходимой биологической защитой от излучений; системы ускорителей электронов; комплекс вспомогательных бортовых систем.
      Старт корабля с орбиты ИСЗ происходит с помощью прямоточного термоядерного двигателя. На границе планетной системы — где-нибудь вблизи Нептуна или Плутона — корабль принимает на борт, т. е. подвешивает с помощью электростатических сил, необходимые запасы твердого антиводорода или антидейтерия, подготовленного расположенным там заводом по производству антивещества. После тщательной и всесторонней проверки корабля состоится его передача экипажу. Количество членов экипажа 20 — 50 человек, отобранных из группы людей, которые с момента рождения проходили специальную подготовку и наблюдались врачами. Возраст, знания и навыки экипажа должны обеспечить возвращение через 60 — 70 лет ракетного времени, как минимум, трех звездоплавателей. По земным часам это время будет соответствовать десяткам тысяч лет из-за эффектов, предсказываемых теорией относительности.
      Старт корабля происходит за счет тяги термоядерного устройства. Сначала из сопла появляется бледно-фиолетовое свечение — это включается малый термоядерный реактор, потребляющий бортовые запасы дейтерия и трития. Корабль медленно разгоняется. При достижении скорости 50 км/с навстречу набегающему потоку начинает вытягиваться ярко-фиолетовое копье электронного луча. Через некоторое время вокруг раструба массозаборника появляется едва заметное свечение, и из сопла, постепенно удлиняясь, начинает истекать ослепительнофиолетовая струя. Это включилось магнитное поле, и начал работать прямоточный термоядерный двигатель.
      Скорость возрастает. Впереди корабля ярко вспыхивают редкие зеленоватые звездочки — гибнут встречные микрометеоры. Значительно реже такие же звездочки вспыхивают по бокам корабля — это работает автоматическая круговая противометеорная лазерная защита. Корабль прощается с Солнечной системой.
      Прошло уже несколько месяцев полета. Скорость достигла 200 км/с. Солнце уже трудно отличить от других ярких звезд .Еще и еще раз проверяются системы корабля и уточняется курс. Пора включать фотонный двигатель. Появляется все усиливающееся свечение в плоскости, пересекающей магнитную систему массоза-борника перпендикулярно оси корабля, — заработали тангенциальные инжекторы электронов, формирующие электронное зеркало. По мере увеличения яркости свечения становится заметной огромная светящаяся чаша параболы, вершина которой совпадает с началом массо-заборника, а изогнутые образующие простираются на многие десятки километров, как бы охватывая реактивную струю. Но вот струя стала удлиняться, на ней появились светящиеся пульсирующие узлы, а окружающая струю парабола вспыхнула ярко-фиолетовым пламенем. Это с помощью специального электростатического манипулятора один из многочисленных «ледовых» зарядов антивещества, хранящихся «в тени» сбоку летательного аппарата, переместился в центр массозаборного устройства и с помощью тех же электростатических сил стал прочно удерживаться в заданном положении. Форма и размеры этого заряда обеспечивают нужный режим работы тягового устройства. Поступающее в массозаборное устройство вещество окружающей среды обтекает заряд антивещества, соприкасается с ним, вызывает эрозию антивещества в результате местных аннигиляционных, электромагнитных и тепловых процессов и тем самым вовлекает антивещество в движущийся поток рабочего тела. В соответствии с эффектами теории относительности время, необходимое для полной аннигиляции вещества и антивещества, таково, что все процессы в реактивной струе занимают по протяженности несколько километров. Более того, эти процессы идут в несколько этапов, о которых уже говорилось ранее, поэтому сама реактивная струя напоминает сильно вытянутую струю работающего в атмосфере ракетного двигателя с характерными светящимися пережатиями, обусловленными
      структурой ударных волн. В случае же фотонного двигателя природа светящихся узлов другая — они обусловлены последовательными процессами аннигиляции, а их зелено-голубой свет в первом узле постепенно меняется до бледно-фиолетового в последнем. Таким образом, прямоточный межзвездный фотонный двигатель вышел на режим. Заметно возросла тяга. У экипажа пропало ощущение невесомости.
      Прошло несколько суток, и околоземные службы наблюдения обнаружили вышедшие из давно намеченной точки безбрежного космоса долгожданные рентгеновские лучи-свидетели состоявшегося запуска фотонного двигателя и начала первого межзвездного полета.
      Возникает вопрос — насколько реально создание описанного выше аппарата с фотонным двигателем. Чтобы ответить на него, необходимо сказать о потребности человечества в межзвездных полетах. Такая потребность есть. О ней в настоящее время много пишут не только в популярной, но и в научной литературе. «Погоня за светом и пространством» всегда сопровождала и будет сопровождать развитие человечества. Возникновение сначала идей, затем проектов и, наконец, реальных конструкций фотонных ракет следует рассматривать как следствие этой потребности в межзвездных перелетах. Возможности же создания таких ракет будут находиться в тесной зависимости от успехов фундаментальных и прикладных исследований по термоядерному синтезу, высокотемпературной сверхпроводимости, методов получения и хранения антивещества и т. п. Особое место в этих прогнозах будут иметь результаты фундаментальных работ по теории поля, элементарных частиц, особенно кварков и лептонов, а также по теории возникновения и развития Вселенной, поскольку оказывается, что изучение процессов, имевших место при рождении нашей Вселенной, может ответить на многие вопросы о строении мира, начиная от элементарных частиц и полей и кончая возможностью существования антимиров.
     
      ВОЗМОЖНА ЛИ АНТИГРАВИТАЦИЯ?
      Гравитационное притяжение тел — одно из наиболее загадочных и непознанных явлений природы. Вообще говоря, все известные физикам силы дальнодействия (гравитационная, электростатическая и магнитная) до сих пор загадочны и ничем не объяснимы. Что такое электрический заряд? Каковы его природа и протяженность в пространстве? Почему одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются? На все эти вопросы наука еще должна получить ответы. Решение этих загадок, по-видимому, станет началом новой эры в науке и технике, а возможно, и произведет настоящую революцию в понимании законов природы.
      В настоящее время силы дальнодействия широко используются в практической деятельности людей, в том числе и в космонавтике. Они хорошо изучены количественно. В частности, теория притяжения Ньютона одинаково хорошо описывает как электростатическое, так и магнитное и гравитационное взаимодействие тел на расстоянии. Более точные выражения даются общей теорией относительности Эйнштейна.
      Если рассмотреть силу притяжения в рамках теории Ньютона, то, сравнивая напряженности и удельные объемные энергии гравитационного и электростатического полей, можно обнаружить в космосе огромные «запасы»
      гравитационной энергии. Даже у поверхности Земли плотность гравитационной энергии чрезвычайно велика. Она равна 1,6-Ю11 Дж/м3, что намного превышает известный суммарный энергетический запас атмосферы (термоядерная энергия водяных паров, энергия конденсации и кристаллизации воздуха, тепловая, механическая и химическая энергии и т. п.), равный у поверхности Земли 106 Дж/м3. Заметим для сравнения, что удельный энергетический эквивалент массы атмосферы на этой высоте равен 1017 Дж/м3, что, естественно, является физическим пределом, а удельная объемная энергия топлива существующих ракет (кислород + керосин) равна «всего лишь» 1010Дж/м3. Иначе говоря, если приведенные выше рассуждения о гравитационной аналогии правильны, то открываются огромные возможности в использовании энергии нового типа — гравитационной. Собственно говоря, эта энергия уже и сейчас широко используется. Так, при организации полета к планетам или мимо планет учитывается их гравитационное притяжение, которое в ряде случаев позволяет снизить количество взятого на борт ракеты топлива. Но, к сожалению, сила гравитации всегда имеет один знак — массы всегда притягиваются. Это обстоятельство не только ограничивает возможности полезного использования энергии гравитации, но и приводит к так называемым гравитационным потерям при старте ракет с поверхности Земли.
      А возможна ли отрицательная гравитация? Возможно ли такое состояние, когда тела отталкиваются, подобно двум одноименным зарядам? Этот вопрос и является основным в процессе исследования антигравитации, или, в более общей постановке, в процессе исследования возможностей искусственного регулирования гравитации. Очевидно, что регулировать можно только такое явление, закономерности которого в той или иной мере известны, поэтому прежде всего стали появляться теории гравитации.
      По-видимому, первым ученым, который задумался над этим явлением, был Ньютон (вспомним легенду о «яблоке Ньютона»), но подходящего объяснения он дать не смог.
      «Не знаю, — писал Ньютон, — каким представляет себе меня мир, но самому себе я кажусь просто ребенком, который играет на морском берегу и забавляется, отыскивая лучше обкатанные камешки или более красивые, чем обычно, ракушки, в то время как великий океан истины лежит передо мной, еще девственно непознанный».
      Первое правдоподобное физическое объяснение причины гравитации дал М. В. Ломоносов, который полагал, что притяжение тел является результатом их взаимодействия с огромным числом очень мелких частиц, пронизывающих Вселенную. Два тела притягиваются, воспринимая при поглощении импульс этих частиц и взаимно экранируя от них друг друга. В тех или иных вариантах эта теория гравитации сохраняется и до наших дней. В качестве «виновников» гравитационного притяжения рассматриваются у-кванты, нейтрино, гипотетические кварки — мельчайшие частицы с дробным зарядом, гравитоны, а иногда и другие «элементарные» частицы.
      С появлением в начале века общей теории относительности Эйнштейна, которая иногда носит название теории гравитации, многое изменилось. Эйнштейн писал: «Только гений Римана, одинокий и непостижимый, уже в середине прошлого века достиг нового понимания пространства, и это была концепция пространства, лишенного жесткости, способность которого участвовать в физических явлениях была признана возможной». Иначе говоря, Эйнштейн рассматривал пространство не просто как арену, на которой происходят физические явления, но как равноправный физический фактор, способный изменяться под воздействием других физических факторов. Утверждалось мнение, что гравитация — это не что иное, как искривление пространства. Таким образом, материальное гравитационное поле отождествляется с геометрической структурой пространства — времени. Эйнштейн ошибался в одном. Этот новый подход к фундаментальной физической науке был предсказан не Риманом, а великим русским ученым Н. И. Лобачевским в 1829 — 1830 годах. Н. И. Лобачевский писал: «Итак, все прочие понятия, например геометрические, произведены нашим умом искусственно, будучи взяты в свойствах движения, а потому пространство само собою, отдельно, для нас не существует». И далее: «...в том, однако же, нельзя сомневаться, что силы все производят одни: движение, время, массу, даже расстояние и углы». Идеи Лобачевского прошли длинный путь, ведущий через работы великих немецких ученых Гаусса, Римана и Эйнштейна и глубоко проникли в современную физику.
      Эти идеи всколыхнули многие физические (как теоретические, так и экспериментальные) исследования, подняли на новую высоту математические исследования в области высшей геометрии и надолго оставили след в других, более поздних теориях гравитации.
      Как известно, еще Эйнштейн был недоволен своей теорией по двум причинам. Он не мог исключить понятие массы и не мог найти решение проблемы создания «единой теории», описывающей поведение как полей, так и элементарных частиц.
      Новые теории многочисленны. Многие из них предусматривают квантование гравитационного поля, утверждая, что гравитационные кванты — гравитоны — могут переносить энергию гравитации подобно радиоволнам, которые переносят электромагнитную энергию, что в гравитоны при определенных обстоятельствах могут превращаться пары частиц — античастиц при аннигиляции (возможен и обратный процесс), что гравитоны, излучаемые элементарными частицами, являются физической причиной всемирного тяготения. Определены (конечно, только теоретически) и свойства гравитонов. Масса гравитона чрезвычайно мала — всего лишь 10~66 — 10 — 64 г, а энергия 5 10-52 Дж. Утверждается, что размеры гравитонов непостоянны — при излучении радиус гравитона равен радиусу испускающей его элементарной частицы, но затем радиус гравитона, якобы, увеличивается, достигая в пределе размеров Вселенной.
      Если все сказанное подтвердится экспериментально, то окажется возможным и создание гравитационных двигателей, использующих импульс гравитационного излучения. Естественно, что обсуждать конструкцию таких двигателей сейчас преждевременно.
      Теория гравитации не избежала и обычного для физики дуализма «частица — волна». Наряду с частицами (гравитонами) изучаются гравитационные волны — скорость их распространения, условия генерации и поглощения, переносимая энергия, экранирование, интерференция и т. п. В этом направлении ведутся и экспериментальные работы.
      В заключение остановимся на одной из оригинальных, на наш взгляд, попыток сформулировать единую релятивистскую квантовую теорию фундаментального поля, объединяющую структуру и свойства всех известных полей, элементарных частиц, химических элементов и кристаллов. В теории утверждается, что космос (или, точнее, космический вакуум) это не пустота, а пространство, сплошь заполненное элементарными частицами вакуума, т. е. проаннигилировавшими (исчезнувшими) протонами и антипротонами. Плотность элементарных частиц вакуума огромна: в 1 см3 содержится 1039 частиц! Однако наблюдать их принципиально невозможно. Элементарные частицы вакуума образуются при аннигиляции протонов и антипротонов, которые мгновенно становятся ненаблюдаемыми, как бы исчезая в физическом вакууме и оставляя на его «поверхности» доступные для наблюдения два фотона. Фотоны или вообще электромагнитные волны рассматриваются в этой теории просто как возмущения физического сверхплотного вакуума, переносимые в нем со скоростью света.
      Все наблюдаемые элементарные частицы, атомы, молекулы и тела образуют вещество, т. е. физические объекты, обладающие массой, которая, в свою очередь, является мерой наблюдаемой инерции, а также мерой наблюдаемой энергии и энергии связи.
      Вакуум на много порядков плотнее вещества, но его массу, как, впрочем, и другие свойства, наблюдать невозможно. Считается, что элементарные частицы вакуума массы не имеют.
      Гравитационное взаимодействие между элементарными частицами объясняется всесторонним давлением вакуума, ослабленным небольшим экранированием. Это экранирование и создает эффект гравитационного притяжения.
      Пока еще рано говорить о справедливости и жизненности предложенной теории, хотя она и объединяет многие идеи, высказывавшиеся ведущими физиками нашего времени, не противоречит в основных своих результатах теориям относительности Эйнштейна, а главное, очень удачно объясняет многочисленные экспериментальные факты. Пожалуй, менее всего в этой теории разработана проблема гравитации, в частности вопросы экранирования воздействий вакуума на элементарные частицы, са-моэкранирования вакуума при прохождении через него волн возмущения, т. е. электромагнитных волн, однородности вакуума во Вселенной, уничтожения частиц вакуума с выходом частиц — античастиц в наблюдаемое пространство, взаимодействия релятивистских частиц с вакуумом и т.д. Очень важен вопрос о стационарности вакуума, граничащий с вопросом о стационарности и происхождении Вселенной. Меняется ли плотность вакуума в связи с доказанным в настоящее время ее расширением?
      И наконец, об антигравитации. Согласно представлениям упомянутой теории антигравитация возможна, если между двумя тяготеющими массами происходит более интенсивная генерация вакуума, чем его экранирование этими массами. В этом случае две соседние массы будут не притягиваться, а отталкиваться. По-видимому, и рассмотренный в предыдущей главе фотонный прямоточный двигатель может оказаться значительно эффективнее из-за того, что аннигиляция создаст большую плотность вакуума за летящим кораблем. Если повышенная сила упругости вакуума за летательным аппаратом приведет к возникновению тягового усилия, то последнее, по-видимому, будет суммироваться с тяговым усилием классического фотонного двигателя.
      Можно без преувеличения сказать, что наступление ученых на проблему гравитации идет в настоящее время широким фронтом, включая всесторонние теоретические исследования и уникальные экспериментальные наблюдения. Создаются высокочувствительные установки для обнаружения гравитационных волн, проводятся эксперименты на гигантских ускорителях элементарных частиц в целях выявления гравитационных свойств, античастиц, планируются уникальные эксперименты на космических аппаратах. В теоретическом плане очень важны усилия ученых, направленные на создание единых теорий поля и элементарных частиц, на раскрытие пока еще не известных свойств кварков и лептонов. Эти же работы связаны с изучением нашей Вселенной как целого, ее образования и развития. Можно отметить, что к настоящему времени накоплен обширный материал о Вселенной. Установлен факт ее расширения, обнаружено реликтовое радиоизлучение, на пределе возможностей оптических и радиотелескопов найдены необычные объекты гигантской светимости — квазары. Свет от квазаров до нас идет миллиарды лет, следовательно, мы видим свидетелей очень далекого прошлого нашей Вселенной. Обобщая данные наблюдений и расчетов, ученые делают вывод, что Вселенная не вечна, не бесконечна и не стационарна, как думали еще несколько десятков лет тому назад. В то же время подтверждаются предположения об однородности и изотропности Вселенной. Наиболее распространена следующая модель ее эволюции: примерно 13 — 20 млрд. лет тому назад было «начало», когда все пространство Вселенной занимало объем 2,5-10-37 см3. Плотность начальной материи была огромна — 4-1093 г/см3. Уже через 10-4 с после «начала» плотность Вселенной составляла 1014 г/см3, что равно плотности атомных ядер. Экспериментальным подтверждением этого периода могло бы стать обнаружение реликтового (остаточного) гравитационного излучения. Через 0,3 с после «начала» плотность составляла уже 107 г/см3, а температура 3-1010 К. Нейтрино и антинейтрино при этих условиях веществом не поглощаются и могут существовать независимо, а следовательно, могут дойти до нас в виде реликтовых нейтрино. Образование протонов, нейтронов, электронов и других элементарных частиц, а также первичного водорода и гелия произошло на сотой секунде при плотности 100г/см3 и температуре 199К. Отрыв от вещества излучения, дошедшего до нас в виде реликтового фона, произошел на 3-105 с жизни Вселенной при плотности 10_20г/см3 и температуре (3 — 4) 103 К. Сейчас температура этого излучения 3 К, а плотность Вселенной 1(-29 г/см3. Зная общую массу Вселенной (1056 — 1057 г), а также ее плотность в различные периоды времени, можно обнаружить, что скорость ее расширения в начальный период превышала световую. Чтобы не вступать в противоречие с общей теорией относительности, ученые предполагают, что вместе со Вселенной расширяется и само пространство. Таким образом, пространство вовлекается в физический процесс и уже не считается неизменной формой существования материи. Это дает основание предположить, что вслед за фотонными и гравитационными ракетами могут появиться летательные аппараты или устройства, изменяющие пространство, и позволяющие перемещаться со сверхсветовыми скоростями и достигать границ нашей Вселенной.
     
      ЗАКЛЮЧЕНИЕ
      Перечень новых возможностей для создания удивительных летательных аппаратов будущего, открываемых современной наукой, можно было бы продолжить. Не обсуждался, например, вопрос о термодинамических проблемах обратимости, о возможных перспективах создания «машин времени». Не затронуты вопросы о возможном развитии цивилизации и изменении «целей звездоплавания».
      В небольшой книге трудно описать и многочисленные проекты будущих ракет. Наша задача состояла в другом — показать безграничность технических возможностей, большое количество идей и актуальность целей будущего изучения и освоения космического пространства.
      Все большее число государств тяготеет к космическим исследованиям. В тех странах, которые уже имеют необходимые технику и возможности, а особенно это касается родины космонавтики — СССР и другой космической страны — США, все шире обсуждаются вопросы практического использования космонавтики, повышения ее рентабельности и эффективности. С каждым днем ширится международное сотрудничество в деле исследования и освоения космоса. Народы мира против использования космоса в военных целях, против программы СОИ в США.
      Теперь уже, пожалуй, не так просто отыскать людей,
      которые не понимали бы значения космонавтики для будущего развития человечества. Интерес к космонавтике перешагнул этап сенсаций и принял обычный деловой характер. Теперь даже о фотонных ракетах и межзвездных путешествиях говорят не как о каком-то сверхфан-тастическом парадоксе, а как об одной из более или менее обычных научно-технических задач завтрашнего дня.
      Проектированием космических ракет, причем ракет не стандартных, не обычных, а ракет, обладающих новым свойством — универсальностью, одноступенчатых или, наоборот, многоблочных многоступенчатых, с повышенной эффективностью при эксплуатации, ракет-самолетов и т. п., в настоящее время заняты не только государственные организации Великобритании, Индии, Франции, ФРГ, СССР, США, Японии, но и частные фирмы и даже отдельные энтузиасты во многих странах.
      Нам кажется, что для начинающих конструкторов будущих ракет (независимо от уровня их знаний и подготовки) предлагаемая научно-популярная книга может быть неплохим пособием для расширения их кругозора.
      Эта книга может сыграть определенную роль в жизни молодых людей, размышляющих о своей будущей специальности, и просто быть интересной любознательным читателям.
      Нам представляется, что именно такая задача — задача популяризации новой и перспективной техники в самых широких массах читающей аудитории, наиболее отвечает интересам будущего развития космонавтики. Вместе с тем авторы сознают, что в книге могут быть и упущения, узнать о которых они были бы весьма рады.



        _____________________

        Распознавание и форматирование — БК-МТГК, 2017 г.


 

 

ТРУДИМСЯ ДЛЯ ВАС, НЕ ПОКЛАДАЯ РУК!
ПОМОЖИТЕ ПРОЕКТУ МАЛОЙ ДЕНЕЖКОЙ >>>>

 

На главную Тексты книг БК Аудиокниги БК Полит-инфо Советские учебники За страницами учебника Фото-Питер Настрои Сытина Радиоспектакли Детская библиотека

 




Борис Карлов 2001—3001 гг. = БК-МТГК = karlov@bk.ru