2.1. Туннель в небе

2.1. Туннель в небе

Популяризаторы, рассказывая о стратегии космонавтики, привычно цитируют Циолковского: «Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчет, и уже в конце концов исполнение венчает мысль». Но так можно говорить только о теоретической космонавтике. Продолжая этот ряд с переходом к практике, можно добавить, что первое «исполнение, венчающее мысль» – это научная разведка; за разведкой следует осознание возможностей и границ; за осознанием – конструкторские решения, позволяющие расширить возможности и преодолеть границы.

Для пояснения нового ряда приведу напрашивающийся пример, развеяв еще одну иллюзию. «Летающие острова» придумали задолго до основоположников теоретической космонавтики – это, по определению Циолковского, была мысль/фантазия/сказка. Основоположники, прикинув на логарифмических линейках, доказали, что межпланетные сообщения можно сделать куда более легкими, если организовать на околоземных орбитах промежуточную базу (т. е. орбитальную станцию) для заправки, ремонта, научных экспериментов и смены экипажей космических кораблей. Причем каждый из основоположников по-своему понимал главное назначение станции. Константин Циолковский лелеял утопическую надежду, что на орбитальных станциях будут жить лучшие из лучших – гениальная элита человечества, которая построит более совершенное общество. Герман Оберт смотрел на будущее более прагматично, полагая, что станции можно использовать для проведения научных экспериментов в условиях невесомости, для разведки и картографирования, для воздействия на климат или в качестве стратегического оружия массового поражения. Герман Ноордунг соглашался с Обертом и добавлял к списку, что на станции можно разместить большой телескоп, который кардинально расширит возможности астрономии. Ари Штернфельд в принципе разделял мнения предшественников о возможных применениях орбитальных станций, но во главу угла ставил обеспечение полетов на Луну и к другим планетам.

Возник первый практический вопрос: на какой высоте разместить станцию? Основоположники ракетостроения знали, что влияние даже очень разреженной атмосферы будет тормозить станцию, но точных данных о том, как высоко распространяется воздух, не было. Опираясь на наблюдения метеоров, был сделан вывод, что на высоте порядка 1000 км влияние будет близко к нулю, а значит, орбитальная станция, выведенная на такую орбиту, сможет оставаться там неограниченное время. Это, по определению Циолковского, был научный расчет.

Однако оставалась загадкой физическая природа среды на такой высоте. Понятно, что там вакуум. Но почему в таком случае этот вакуум не пропускает радиосигналы? Эффект отражения небом радиоволн был открыт в начале XX века, а в 1902 году выдающийся английский физик-самоучка Оливер Хевисайд выдвинул гипотезу, что в высших слоях атмосферы существует электропроводящий слой. Впоследствии существование такого слоя подтвердили – он получил название «ионосфера», поскольку наполнен ионами газов, заряженными солнечными и космическими лучами. Наличие ионосферы беспокоило основоположников космонавтики – получалось, что этот слой фактически блокирует радиосвязь Земли с орбитальной станцией и межпланетными кораблями. Сразу возникла идея установить на космические аппараты оптический телеграф, но такая форма связи заметно утяжелила бы конструкцию. К счастью, в первой половине 1930-х годов были запатентованы радиопередатчики на ультракоротких волнах, для которых ионосфера – не помеха. Проблема решилась сама собой, но главное и, пожалуй, самое неприятное для космонавтики открытие было впереди.

Всерьез структурой земной атмосферы занялись после Второй мировой войны, когда осознали стратегическое значение больших высот. Запускались тысячи воздушных шаров, аэростатов и специальных змеев, в небо поднимались летающие лаборатории. Тогда же бурное развитие переживало ракетное зондирование атмосферы. Собственно, первые робкие попытки в этом направлении предприняла еще команда Вернера фон Брауна, однако баллистические ракеты А-4АУ-2 предназначались прежде всего для войны, поэтому большую научно-исследовательскую работу с ними развернуть не удалось. Зато такими исследованиями занялись бывшие союзники по антигитлеровской коалиции. Весной и летом 1946 года американцы запускали с полигона Уайт-Сэндз (штат Нью-Мексико) собранные из готовых немецких узлов ракеты А-4 с доработанными под научные цели головными частями. В Советском Союзе аналогичные запуски начались через год, осенью 1947 года, на полигоне Капустин Яр. И там, и там удалось получить довольно большой объем материала по химическому составу, давлению и температурам на высотах от 70 до 100 км. Каких-то особых природных аномалий ученые не выявили, что внушало оптимизм. Однако ракеты на основе А-4 не могли подняться высоко: «потолок» самой глубокой ее модификации Р-5А, сконструированной в бюро Сергея Королёва, не превышал 500 км. Поэтому открытие радиационных поясов стало полной неожиданностью.

Сегодня известны два главных радиационных пояса: внутренний и внешний. Внутренний был открыт в феврале 1958 года с помощью первого американского спутника «Экплорер-1» (“Explorer-1”). Он начинается на высоте 500 км и простирается до высоты 10 тыс. км. Внешний радиационный пояс, открытый позднее советскими научными спутниками, занимает высоты от 13 до 60 тыс. км. Пояса представляют собой потоки заряженных высокоэнергетических частиц (в основном протонов и электронов), которые оказались захвачены магнитным полем Земли. При этом уровень радиации во внутреннем поясе почти не меняется с течением времени, а во внешнем – зависит от солнечной активности и других космических факторов.

Что это открытие означало для космонавтики? То, что более или менее высокие орбиты закрыты для размещения обитаемой орбитальной станции – даже под прикрытием мощной защиты космонавт все время будет подвергаться опасности схватить опасную для здоровья дозу радиации. Кстати, проблемы на орбитах выше 500 км испытывает не только пилотируемая, но и беспилотная космонавтика: панели солнечных батарей и полупроводниковые микросхемы деградируют (разрушаются на молекулярном уровне) под бомбардировкой заряженными частицами, и во время вспышек на Солнце старые спутники выходят из строя.

Первый американский искусственный спутник «Explorer-1» и его создатели: Уильям Пикеринг, Джеймс Ван Аллен и Вернер фон Браун

Запуски первых спутников, которые должны были дать ответы на тревожащие вопросы о состоянии околоземного пространства, можно назвать научной разведкой. Открытие радиационных поясов в ходе этой разведки привело к осознанию новых границ, которые установила природа. От амбициозных планов основоположников космонавтики пришлось отказаться, но стоит ли отказываться от самой идеи орбитальной станции? На этот счет у теоретиков в начале космической эры не было единого мнения. И тут определяющим фактором стала технология, а точнее – ее выражение в грузоподъемности ракет. Прошу вас запомнить словосочетание «грузоподъемность ракет», ведь от него напрямую зависят наши возможности по освоению космоса.

Мы знаем (обсуждали в предыдущей главе), что первые тяжелые баллистические ракеты были созданы в нацистской Германии командой молодого талантливого конструктора Вернера фон Брауна. Если быть скрупулезным в деталях, то следует отметить, что инженеры Третьего рейха создали целую линейку ракет, но в серийное производство пошла только одна из них – А-4, известная ныне как V-2 (Фау-2). Именно этими ракетами немцы обстреливали в конце войны Лондон, Антверпен и другие города. Именно эти ракеты достались союзникам по антигитлеровской коалиции (СССР, США и Великобритании) в качестве наиболее «прорывного» научно-технического трофея. Именно их существование побудило руководство СССР и США пересмотреть свое отношение к перспективам развития баллистических ракет и фактически спровоцировало ракетно-космическую гонку. Однако грузоподъемность А-4 не превышала одной тонны – т. е. она могла доставить полезную нагрузку (в данном случае боеголовку с химической взрывчаткой) на заданное расстояние в 260 км. В качестве космической она не годилась, потому что в принципе не могла развить космическую скорость даже без полезной нагрузки. Дело в том, что в качестве компонентов топлива в ней использовались этиловый спирт и кислород. Такой выбор был сделан не от хорошей жизни – конструкторы столкнулись с массой технических проблем, а решать их приходилось быстро. Спирт менее калориен, чем нефтепродукты, а скорость истечения продуктов его сгорания меньше, чем у керосина. Но у спирта имеется и серьезное достоинство по сравнению с керосином – более низкая температура факела, что упрощает систему охлаждения камеры сгорания. Кроме того, можно снизить вес ракеты – спирт требует при горении меньшее количество окислителя (чтобы полностью сжечь 1 кг бензина, необходимо иметь 3,5 кг кислорода, а для того, чтобы сжечь 1 кг спирта, понадобится около 2 кг кислорода). Если бы перед инженерами Третьего рейха была поставлена задача сконструировать космическую ракету, то, возможно, они все-таки остановились бы на керосине, но для боевой оказалось достаточно спирта.

Команда Сергея Королёва тоже делала боевые ракеты – вот только главная цель для советских ракет находилась не в соседнем государстве, а на другом континенте. И груз, который требовалось доставить, вырос до 5,5 т – именно столько, по прикидкам советских физиков, должен был весить термоядерный заряд. Так появилась ракета Р-7 («семерка»), которая и стала в 1957 году первым космическим носителем в истории, выведя «Спутник-1» на орбиту.

Наличие ракеты с грузоподъемностью пять тонн оказалось решающим. У американцев к тому моменту были лишь две ракеты, которые могли быть использованы для космических запусков: «Авангард» (“Vanguard”) с грузоподъемностью 10 кг и «Юпитер Си» (“Jupiter C”, “Juno I”) с грузоподъемностью до 30 кг. Благодаря этим ракетам, были запущены первые американские спутники: «Авангард-1» (“Vanguard-1”) весом 1,5 кг и «Эксплорер-1» (“Explorer-1”) весом 13,9 кг. Достаточно просто сравнить с массой советских спутников, чтобы увидеть разницу: простейший «Спутник-1» весил 83,6 кг (причем в техзадании фигурировал лимит 100 кг); биологический «Спутник-2» с собакой Лайкой весил 508,3 кг; космическая лаборатория «Спутник-3» весила 1327 кг.

Старт межконтинентальной баллистической ракеты «Р-7»

При этом на орбиту выходили не только спутники, но и центральные блоки ракет-носителей Р-7 (блок «А», вторая ступень), «сухая» масса которых превышала 7 т! Имея такой запас грузоподъемности по сравнению с американцами, команда

Королёва без особого напряжения брала один приоритет за другим. В сущности советские конструкторы могли не мучиться с начинкой спутников, а запускать в космос простые болванки – даже в этом случае их достижения имели бы не только спортивный, но и научный смысл: наблюдение за изменением траектории таких болванок само по себе давало ученым гораздо больше информации об околоземном пространстве, чем все теоретические соображения вместе взятые.

Американские специалисты прекрасно сознавали главную причину своего отставания. В публикациях конца 1950-х годов они прямо сообщают о превосходстве Советов в области ракетостроения, как бы оправдываясь перед налогоплательщиками за то, что не могут воспроизвести достижения конкурентов. Разница в грузоподъемности сказалась и на следующем этапе ракетно-космической «гонки». Команда Сергея Королёва модернизировала «семерку», облегчив ее и повысив тягу двигателей за счет конструкторских решений. Затем к ракете добавили еще одну ступень, и запуск пилотируемого корабля «Восток» стал вопросом ближайшего времени. Причем его создатели из королёвского ОКБ-1 располагали гарантированной грузоподъемностью в 5 т, что по тем временам казалось чем-то безграничным. Они могли позволить себе дублировать основные системы и даже отказаться от ручного или дистанционного управления: «Восток» выглядел настоящим космическим роботом-трансформером, способным выполнить всю программу миссии от начала и до конца без участия пилота или наземных служб, что наглядно продемонстрировали первые же испытательные запуски.

В американской программе «Меркурий» (“Mercury”) все было сложнее. Когда президент Дуайт Эйзенхауэр поставил перед космическим агентством НАСА задачу перехватить стратегическую инициативу у Советов и завоевать приоритеты в пилотируемой космонавтике, ракеты стали главным камнем преткновения. Как и в случае со спутниками, рассматривались два варианта: суборбитальный полет с использованием спиртовой ракеты «Рэдстоун» (“Redstone”) и короткий орбитальный полет с использованием боевой керосиновой ракеты «Атлас-Д» (“Atlas-D”). При этом расчетная масса корабля составляла всего лишь 1118 кг – почти в пять раз меньше «Востока». Конструкторам было не развернуться, и они буквально «нашпиговали» кабину оборудованием. В итоге американский пилот не садился в корабль, а «надевал» его на себя. Дело доходило до курьезов – зная, что суборбитальный прыжок астронавта займет всего пятнадцать минут, разработчики решили, что ассенизационное устройство не пригодится, и не стали проектировать его. Однако ближе к запускам выяснилось, что пилоты после «надевания» корабля проводят часами на старте, поэтому их пришлось снабдить специальными впитывающими подгузниками – прототипами современных «памперсов». На орбитальную версию корабля устанавливался мочеприемник, а специальная диета исключала более серьезную потребность.

Все эти выкладки могут показаться вам скучными, однако именно возможность доставить на орбиту лишний килограмм определила развитие космонавтики на десятилетия вперед. Разумеется, конструкторы корабля «Меркурий» с удовольствием подождали бы, пока американская армия сделает им большую и красивую ракету с грузоподъемностью десяток тонн, но времени им на такое ожидание не дали. А поскольку попытка догнать и перегнать не удалась, вся программа «Меркурий» в сущности оказалась холостым выстрелом. Пожалуй, главным ее итогом можно назвать только возникновение агентства НАСА, которое благодаря поддержке правительства сумело сконцентрировать усилия в космической сфере и приступить к реализации более масштабных проектов.

Президент Джон Ф. Кеннеди, пришедший на смену Дуайту Эйзенхауэру, оказался в сложном положении. На его глазах США потеряли три исторических приоритета, имевших помимо спортивного еще и огромное политическое значение: первый спутник, первое попадание в Луну, первый космонавт. Следующим, столь же значимым, приоритетом могла быть только высадка человека на соседнем небесном теле. Но можно ли взять этот приоритет, имея столь значимое отставание по мощности ракет? Кеннеди обратился за советом к директору НАСА Джеймсу Уэббу. Тот заверил, что технически высадка на Луну реализуема до начала 1970-х годов, однако требуется значительное финансирование (33 млрд долларов), львиная доля которого пойдет на конструирование и изготовление огромных сверхтяжелых ракет. И решение было принято. С этого момента НАСА больше не гналось за приоритетами, сосредоточившись на главном – пилотируемой лунной экспедиции.

Расчеты показывали, что корабль, способный долететь до Луны и вернуться обратно, должен весить не менее 180 т. Для того чтобы вытащить такой груз на орбиту требовалась поистине колоссальная ракета, и ее даже начали проектировать в рамках проекта «Нова» (“Nova”). Получилось настоящее чудовище: высотой 110 м и со стартовой массой свыше 4500 т. А ведь таких ракет нужно было построить как минимум пять штук, не считая экземпляров для наземных испытаний. Создание ракеты «Нова» с учетом того, что имеющиеся тянули не более полутора тонн, уходило далеко за 1970 год, поэтому проект отвергли. Казалось, что адекватного решения нет. И тут вспомнили о концепции орбитальных станций. Она и оказалась спасительной.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.