ает, что скорость ракеты, отсылаемой с Земли в бесконечность, уменьшается сопротивлением атмосферы всего на 200 м/с. Для ракет земного назначения, пролетающих в атмосфере значительную часть пути, величина сопротивления больше, чем для космических. В случае отсылки, например, ракеты на Луну (при выборе наиболее экономного проекта) максимальная скорость достигается на высоте 1700 км – далеко за пределами атмосферы. Плотный же слой атмосферы, толщиной 50 км, прорезается этой ракетой с довольно умеренной скоростью, которая лишь на уровне 50 км достигает 1,7 км/с – величины порядка скорости снаряда сверхдальнобойной артиллерии. Следовательно, нет места тем опасениям, которые нередко высказываются противниками звездоплавания, – что ракета не в силах пробить воздушный панцирь нашей планеты. Точно так же и при возвращении из космического перелета снова на Землю ракета вступит в плотную часть нашей атмосферы вовсе не со скоростью, близкой к скорости метеоров.
Присутствие атмосферы – отметим кстати – не только не является препятствием к осуществлению межпланетных перелетов, но, напротив, должно быть рассматриваемо как фактор, без которого они едва ли могли бы быть когда-нибудь реализованы. В самом деле: если атмосфера несколько увеличивает расход горючего при отлете с Земли, то зато она же создает огромную экономию горючего при возвращении ракеты из межпланетного рейса, давая возможность затормозить ракету почти без расхода горючего (подробнее об этом будет сказано в главе 15).
Часто задают вопрос: может ли ракета в мировом пространстве изменить направление своего полета? Безусловно, может. Для этого нужно лишь изменить направление газовой струи. Тогда с ракетой произойдет то же, что происходит с свободным телом, получившим удар вне центра его массы: ракета получит вращательное движение. Пользуясь этим, пилот будет иметь возможность менять по желанию курс своего ракетного корабля и даже повертывать его в безвоздушном пространстве на 180°.Глава 14. Звездная навигация. Скорости, пути, сроки
Первое, что надо разрешить, обсуждая условия звездоплавания, – это вопрос скорости: какою скоростью необходимо снабдить отправляемый с Земли звездолет, чтобы он мог выполнить тот или иной межпланетный рейс? Некоторые из относящихся сюда числовых данных уже приводились ранее. Мы знаем, что круговой облет земного шара осуществляется при скорости (за пределами атмосферы) в 7,9 км/с, а при затрате энергии, отвечающей скорости 11,2 км/с, звездолет совершенно освобождается от цепей земного тяготения. Земного, – но не солнечного. Ракета, которая ринется с Земли с такою скоростью в направлении годового движения нашей планеты, превратится как бы в самостоятельную планету, кружащуюся не около Земли, а около Солнца со скоростью 30 км/с. Она сможет беспрепятственно удаляться от Земли по ее орбите, но не сможет еще уйти от власти Солнца, могучее притяжение которого будет удерживать ее на определенном расстоянии. Чтобы заставить ракету удалиться от Солнца, т. е. описывать более обширную орбиту, нужно увеличить ее скорость либо же с самого начала бросить ее в пространство с увеличенной скоростью. Если мы желаем, чтобы звездолет мог свободно перемещаться по всей планетной системе и даже вовсе покинуть царство нашего Солнца, мы должны снабдить его энергией, соответствующей скорости 16,7 км/с. При скорости промежуточной между 11,2 км/с и 16,7 км/с ракета сможет долететь до орбиты любой из планет нашей системы. Какая же минимальная скорость нужна для достижения с Земли той или иной планеты? Расчет дает следующие цифры (подобные расчеты см. в Приложении 4):
Здесь надо сделать два пояснения. Во-первых, слово «скорость» в этих случаях есть не столько мера быстроты передвижения, сколько мера запаса энергии звездолета. Во-вторых, не следует думать, что, покинув Землю с некоторою скоростью, звездолет сохраняет ее во все время перелета; нет, скорость в пути изменяется согласно второму закону Кеплера: звездолет движется тем медленнее, чем дальше уходит он от центра притяжения.
Будущему звездоплавателю придется отчаливать не только с Земли. В далеких странствованиях, посетив другие планеты, он должен будет взлетать на своем корабле с их поверхности. Какие понадобятся скорости для освобождения от их притяжения? Это можно вычислить, зная радиус планеты и напряжение тяжести на ее поверхности (см. Приложение 4).
Результаты вычислений даны в следующей табличке:
Труднее всего было бы подняться с поверхности (фотосферы) Солнца, если бы это могло понадобиться: нужна скорость в 618 км/с. Зато с лунной поверхности можно отлететь при скорости всего в 2,4 км/с, не слишком далекой от той, с какой снаряды покидали жерло пушки «Колоссаль» при бомбардировке Парижа с расстояния 120 км.
Небесные тела, от которых всего легче отчаливать космическому кораблю, – это астероиды и мелкие планетные спутники. Чтобы покинуть, например, поверхность одного из спутников Марса – самых крошечных из известных нам планетных лун, – достаточно было бы сообщить ракете начальную скорость всего лишь в 20 м/с. Отсюда ясно, какое важное значение приобретут в будущем подобные миниатюрные небесные тела в качестве удобных пристаней для временных стоянок космических кораблей.
Зато высадка на Юпитер (и обратный взлет с него) совершенно неосуществимы при тех средствах, которые мы можем предвидеть. Действительно, для подъема с Юпитера нужна начальная скорость 60 км/с – в 12 раз большая, чем скорость вытекания газа в водородной ракете. Но если v/c = 12, то Мt/Мk = около 160 000 (см. уравнение ракеты). Устроить ракету в 160 тысяч раз более легкую, чем заключенный в ней запас горючего, – конечно, немыслимо. Вообще, посещение больших планет – Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна – вопрос, не разрешенный современной теорией звездоплавания.
От скоростей перейдем к маршрутам путешествий и к их продолжительности. С путями следования космических кораблей дело обстоит довольно своеобразно. Казалось бы, в просторе межпланетных пустынь самый естественный и выгодный путь – прямая линия. Где, как не в мировом пространстве, целесообразен был бы тот примитивный способ решения дорожного вопроса, с помощью которого Николай I наметил некогда направление Октябрьской дороги – прокладывать пути по линейке? Между тем именно прямые направления явятся в звездной навигации редким исключением, правилом же будут пути кривые. Кратчайший в геометрическом смысле путь окажется в практике звездоплавания настолько невыгодным в смысле расходования горючего, что им совершенно невозможно будет воспользоваться.
Мы поймем происхождение этого парадокса, если вспомним, что ракета, покидающая земной шар по направлению радиуса земной орбиты, сохраняет и ту скорость, какую имеет земной шар, т. е. 30 км/с по направлению, перпендикулярному к радиусу. Если бы мы пожелали направить звездолет по кратчайшему пути на Марс в момент противостояния, то должны были бы прежде всего свести к нулю 30-километровую скорость звездолета по касательной к земной орбите. Для уничтожения этой скорости нет другого средства, как сообщить ракете такую же скорость в противоположном направлении. Значит, еще до начала собственно полета на Марс звездолет должен развить скорость 30 км/с, для чего при нефтяном горючем потребовался бы запас его в 1500 раз тяжелее самой ракеты. Уже и это совершенно неисполнимо, – а ведь нужно еще иметь запас горючего для сообщения ракете значительной скорости по направлению к орбите Марса; и наконец, понадобится весьма много горючего для безопасного спуска на Марс, так как, приблизившись под прямым углом к его движению, звездолет должен приобрести ту скорость, с какою Марс движется по орбите (24 км/с). Общий итог так огромен, что неосуществимость подобного полета становится совершенно бесспорной.
Сходные затруднения представятся при полете по прямому пути и к другим планетам, безразлично – внешним или внутренним. Приходится поэтому отказаться от прямолинейных маршрутов и избрать иные пути. Как мореплаватели для передвижения парусных судов пользуются морскими и воздушными течениями, так звездоплаватели будут пользоваться притяжением Солнца, направляя корабли по путям, определенным законами небесной механики. А эти дороги – не прямые: естественный путь космического корабля – дуга эллипса, более или менее вытянутого. Как и всякое небесное тело, звездолет должен двигаться по коническому сечению.
Рассмотрим сначала путешествие на соседние с нами планеты – Марс и Венеру. Лунные маршруты сложнее, и о них мы поговорим особо.
Полет на Марс с наименьшим расходом энергии может быть осуществлен по эллиптическому пути, который охватывает земную орбиту и лежит внутри орбиты Марса, касаясь обеих орбит в начальной и конечной точках путешествия. Рисунок 27 поясняет сказанное: Т — положение Земли, М — положение Марса; эллипс ТМ — путь перелета. Ракета должна покинуть земной шар с такой скоростью, какая необходима, чтобы, подчиняясь законам небесной механики, направиться по эллипсу ТМ. Первоначальный запас скорости донесет ракету до точки М, где (если надлежащим образом выбрать момент отправления) будет находиться Марс; обозрев Марс, не снижаясь на него, пассажиры умчатся в ракете по другой половине эллиптического пути к исходной точке Т. Но найдут ли они здесь в момент прибытия родную планету? Нет, потому что все путешествие по такому маршруту займет 519 суток и Земля окажется далеко от своего прежнего положения.
Рис. 27. Маршрут наивыгоднейшего перелета с Земли (7) на Марс ( М)
Отсюда возникает необходимость выждать некоторый срок, пребывая в состоянии спутника Марса, прежде чем пуститься в обратный путь. По расчетам германского теоретика звездоплавания В. Го манн а, период выжидания при полете на Марс должен длиться 450 суток, так что все путешествие в оба конца отнимет 970 суток. Таков самый экономный, в смысле расхода горючего, маршрут. Сократить продолжительность возможно лишь за счет увеличения скорости, т. е. расхода горючего.