Все выше и все дальше… А нельзя ли так размахнуться камнем, чтобы забросить его… на Луну? Принципиально можно, только очень уж сильно надо будет его для этого бросить.
Чем больше сила, с которой мы бросаем камень, тем больше его начальная скорость, а чем больше эта скорость, тем выше залетает камень. Брошенный вверх с определенной начальной скоростью, камень летит постепенно все медленнее и медленнее, пока не останавливается на мгновение совсем и затем начинает все быстрее падать обратно на Землю. Что замедляет полет камня вверх и снова ускоряет его при падении? Сила тяжести. Если бы воздух, в котором совершает свой полет камень, не оказывал ему сопротивления, уменьшая скорость, то при ударе о Землю камень обладал бы как раз той же скоростью, которая была ему сообщена при броске.
Это позволяет найти скорость, которая должна быть сообщена камню, чтобы он достиг, допустим, орбиты Луны или Марса. Брошенный с этой скоростью камень достигнет заданной орбиты, а затем все быстрее начнет падать обратно на Землю.
А можно ли сообщить камню такую скорость, чтобы он вовсе не возвратился на Землю, продолжая бесконечно долго удаляться от нее в мировое пространство? Оказывается, можно, по крайней мере теоретически. Эта скорость должна равняться той скорости, которую камень имел бы при падении на Землю «из бесконечности», как говорят математики.[8] Бесконечность здесь означает просто «очень-очень далеко», настолько далеко, что даже значительное увеличение расстояния уже не меняет скорости, с которой камень падает на Землю. Так, если один камень падает на Землю с высоты 10 миллионов километров, а другой — с высоты 20 миллионов километров, то разница в скоростях обоих камней будет совершенно ничтожной.
Скорость, которая должна быть сообщена камню (или любому другому телу), чтобы он улетел вовсе от Земли и не возвратился обратно, продолжая удаляться от нее, называется обычно скоростью отрыва.
Когда мы сообщаем камню такую скорость, это не значит, конечно, как иногда считают, что камень улетает так далеко от Земли, что сила ее притяжения перестает сказываться и камень перестает притягиваться Землей. Такой точки в мировом пространстве, в которой перестала бы действовать сила тяжести, в том числе и сила притяжения к Земле, конечно, не существует. Сила притяжения к Земле действует всюду, только величина ее может стать ничтожно малой, если камень находится далеко от Земли. Эта величина изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли: когда расстояние увеличивается вдвое, сила притяжения уменьшается в 4 раза; когда оно увеличивается в 3 раза, то сила уменьшается в 9 раз, и т. д.
Собственно говоря, именно эта особенность закона всемирного тяготения и делает возможным межпланетный полет. Если бы сила притяжения к Земле оставалась с высотой постоянной, а не уменьшалась так быстро, то мы не могли бы даже надеяться совершить путешествие в мировое пространство, разве только уж в очень отдаленном будущем.
В этом легко убедиться. Чтобы порвать цепи земного тяготения, нужно, естественно, совершить определенную работу. Как найти величину этой работы? Когда мы поднимаем какой-нибудь груз, скажем, в 1 килограмм на высоту 1 метра, то при этом совершаем работу, равную, как известно, 1 килограммометру. Если же мы решили поднять этот груз на высоту 384 миллионов метров, то есть забросить его на Луну, то нам пришлось бы при неизменной силе тяжести и работу совершить в 384 миллиона раз большую. Это такая работа, которую производит за час двигатель мощностью около 1500 лошадиных сил. Но самый легкий межпланетный корабль должен весить десятки, если не сотни тонн. Поэтому потребная мощность двигателя корабля и расход топлива на полет должны быть в этом случае такими огромными, что решить эту задачу не под силу современной технике. Но так было бы, к счастью, только при постоянной, не меняющейся с высотой силе тяжести. В действительности же сила тяжести, как указывалось выше, быстро уменьшается по мере удаления от Земли. Чем дальше от Земли, тем легче преодолевать притяжение к ней. Поэтому работа, которую нужно совершить, чтобы забросить килограммовую гирю на Луну, на самом деле оказывается примерно в 60 раз меньшей — она равна приблизительно 6,3 миллиона килограммометров. Такую работу совершит подъемный кран, переместив 630 тонн кирпича на высоту 10 метров. И эта работа очень велика, но современная техника в состоянии решить задачу осуществления межпланетного полета, как об этом будет рассказано позже. Вот что означает уменьшение силы тяжести с высотой.
Скорость отрыва — это та наименьшая скорость, при которой камень, улетая от Земли, уже не возвратится на нее, а будет все время удаляться. Если скорость камня меньше, то он рано или поздно обязательно упадет снова на Землю.[9] При большей скорости, чем скорость отрыва, камень, конечно, на Землю не вернется, но эта избыточная скорость будет уже излишней.
Чему же равна скорость отрыва?
Определить величину этой скорости удается только с помощью высшей математики. Ее величина определяется тем, что кинетическая энергия, которую приобретает камень, когда ему сообщают такую скорость, должна быть равной указанной выше работе преодоления земного тяготения. Она оказывается равной примерно 11,2 километра в секунду, или 40 тысячам километров в час. Вот какую скорость мы должны сообщить межпланетному кораблю, чтобы он смог пробить невидимый «панцирь тяготения», по образному выражению Циолковского, и совершить полет на Луну или планеты солнечной системы.
Глава 3
РОЖДЕНИЕ НАУКИ
Когда тяжести противопоставили скорость, то этим был сделан первый шаг на пути перехода от фантазии к науке, но все же наука о межпланетном полете еще создана не была. Для создания такой науки требовалось еще ответить на вопрос о том, как достичь нужной огромной скорости.
Вообще говоря, эта задача может быть решена различными способами. Принципиально возможно, например, построить гигантский лук или такую же гигантскую рогатку, чтобы использовать для посылки межпланетного снаряда силу упругости. Можно воспользоваться также пращой или метательной машиной, подобной применявшимся в средние века для осады крепостей. Но одно дело — принципиальная возможность, а другое — техническая осуществимость. Практически, конечно, ни одно из этих средств не годится: подобные сооружения нельзя будет сделать достаточно прочными.
Нельзя ли воспользоваться для посылки межпланетного снаряда пушкой? Эта мысль, естественно, приходит в голову, ибо известно, что снаряд, вылетающий из дальнобойного артиллерийского орудия, обладает скоростью в 1,5–2,0 километра в секунду. Это еще, конечно, гораздо меньше, чем нужные нам 11 километров, но все же получающиеся величины достаточно близки, чтобы заинтересоваться пушкой как средством осуществления межпланетного путешествия.
Вероятно, все помнят, что именно эта идея положена в основу научно-фантастического романа Жюля Верна «Из пушки на Луну». Жюль Верн описывает гигантскую пушку, отлитую прямо в земле в виде глубокого, более 270 метров глубиной, вертикального колодца. Снаряд, выстреленный из этой пушки, по расчетам Жюля Верна, должен был достичь Луны. Внутрь же снаряда Жюль Верн поместил своих путешественников.
Однако совершить межпланетное путешествие по способу Жюля Верна не удастся. Причем главное здесь не в том, что Жюль Верн сильно ошибся в своих расчетах и снаряд, выстреленный из его пушки, не только не достиг бы Луны, но не вылетел бы даже за пределы земной атмосферы: он описал бы в ней сравнительно небольшую дугу и шлепнулся на Землю. Это можно было бы поправить и если не построить, то хоть рассчитать пушку так, чтобы ее снаряд достиг Луны; впрочем, с помощью тех порохов, которыми сейчас пользуется артиллерия, этого добиться нельзя. Можно было бы, может быть, простить Жюлю Верну и принципиальный недостаток его предложения, заключающийся в том, что такое путешествие было бы односторонним, безвозвратным — ведь на Луне-то нет другой пушки для посылки снаряда обратно на Землю!
Главное, что мешает послать человека на Луну в снаряде, заключается в другом. И здесь мы впервые сталкиваемся с обстоятельством, которое наряду со скоростью играет исключительно большую роль в проблеме межпланетного полета. Это обстоятельство — ускорения, возникающие в таком полете.
Величина ускорения показывает, как быстро изменяется скорость полета, то есть как быстро она увеличивается при разгоне и уменьшается при торможении корабля. Необходимую скорость отрыва можно сообщить межпланетному кораблю постепенно, в течение длительного времени — тогда разгон корабля будет плавным, ускорение будет небольшим. Но можно разогнать корабль до необходимой скорости за короткое время, резко — тогда ускорение будет большим. То же самое относится и к посадке корабля — его торможение при этом может быть резким или плавным, вследствие чего ускорение будет соответственно большим или малым.
Легко понять, что это вовсе не безразлично для пассажиров корабля, да и для самого корабля тоже. Каждый по своему опыту знает, как неприятны большие ускорения. Стоит вспомнить наши ощущения в те моменты, когда трамвай или автомобиль, в котором мы едем, вдруг резко трогает с места, резко тормозит или круто поворачивает. Особенно знакомы подобные ощущения летчикам, совершающим на самолете фигуры высшего пилотажа: петлю Нестерова, бочку, вираж. Какая-то могучая сила вжимает их при этом в сиденье или, наоборот, отрывает от него. Откуда появляется эта сила?
Пока скорость остается постоянной — как бы велика она ни была, мы ее вовсе не ощущаем и можем даже не догадываться, что находимся в движении. Разве люди думают о том, что мы все непрерывно мчимся вместе с Землей вокруг Солнца, пролетая каждую секунду в мировом пространстве по 30 километров? Нет, конечно. Другое дело, если бы эта скорость движения Земли вдруг резко изменилась — увеличилась или уменьшилась. Впрочем, лучше не будем расписывать всех неприятностей, которые постигли бы в этом случае обитателей Земли в результате появления все той же могучей силы.
Эта сила, появляющаяся всегда, когда возникает ускорение, называется силой инерции.
Когда лифт начинает свой подъем, приобретая ускорение, пассажиры в лифте чувствуют, как какая-то тяжесть прижимает их к полу, как бы увеличивая их вес. Это пол лифта давит на пассажиров, преодолевает их инерцию, их стремление сохранить состояние покоя. Чем больше ускорение лифта, чем быстрее он набирает скорость, тем больше сила инерции, тем больше этот увеличенный вес пассажиров. Сила инерции прямо пропорциональна ускорению. Когда лифт неподвижен, пассажиров прижимает к полу лифта только сила притяжения к Земле, то есть их собственный вес. Как известно, эта сила при падении в пустоте вызывает ускорение, равное примерно 10 метрам в секунду за каждую секунду падения, точнее — 9,81 метра, то есть скорость падающего тела увеличивается при этом каждую секунду на 10 метров в секунду. Это так называемое ускорение свободного падения, или ускорение земного тяготения. Если же лифт тронется вверх, причем так, что ему будет сообщено как раз такое же ускорение, то есть его скорость будет увеличиваться каждую секунду на 10 метров в секунду, то пассажиров будет прижимать к полу лифта не только сила их веса, но еще как раз такая же по величине сила инерции — вес пассажиров как бы удвоится. Конечно, такая «поправка в весе» мало приятна.
В жюль-верновском снаряде на пассажиров, заключенных в этом своеобразном лифте, будут действовать огромные силы инерции. Ведь скорость снаряда должна возрасти за время его движения в стволе пушки от нуля в начале движения до скорости 16 километров в секунду[10] в конце его. Ускорение движения при этом будет огромным. Расчет показывает, что оно будет примерно в 60 тысяч раз больше, чем ускорение земного тяготения. Но это значит, что и вес пассажиров в снаряде будет при этом во столько же раз больше их обычного веса — пассажиры будут весить по 3–4 тысячи тонн! Этот многократно увеличенный вес мгновенно раздавил бы горе-путешественников, и они буквально расплылись бы тонкой пленкой по дну снаряда. С точки зрения здоровья пассажиров, по существу дела, все равно, где поместить их при выстреле — внутри снаряда или непосредственно перед ним.
Инерционные перегрузки, связанные с ускорениями в полете, вредно действуют, конечно, не только на пассажиров корабля, но и на сам корабль. Бывали ведь случаи, когда при выходе самолета из крутого пикирования дело заканчивалось катастрофой. Если летчик после стремительного снижения слишком резко направлял самолет снова вверх, то крылья самолета не выдерживали и ломались под действием перегрузки, вызванной силой инерции. Уже давно прошло время, когда о самолете говорили, что он «не машина, рассчитать его нельзя». Наука расчета самолетов на прочность достигла в настоящее время высокого совершенства. Естественно, что расчет ведется на строго определенные инерционные перегрузки. Конечно, так будут рассчитываться и межпланетные корабли.
Итак, мы видим, что мало сообщить межпланетному кораблю нужную огромную скорость, ее надо еще при этом сообщить постепенно, плавно, не допуская больших ускорений. Мы скажем ниже (в главе 17} о том, каковы могут быть эти ускорения. Сейчас нам ясно лишь, что пушка Жюля Верна не отвечает этому требованию. Впрочем, и любая другая пушка будет страдать тем же недостатком.
Использовать пушки или какие-нибудь другие метательные машины для отправки межпланетных кораблей нецелесообразно не только из-за недопустимых ускорений, которые при этом развиваются. Даже если бы удалось обойти как-нибудь эту главную трудность, что мало вероятно, то сохранились бы другие недостатки этого метода. Один недостаток совершенно очевиден — снаряд летит по заранее заданному пути, и возможности управления им в полете весьма ограниченны. Это вряд ли будет по душе командиру межпланетного корабля. Ведь вот и у Жюля Верна снаряд не попал в цель, что, впрочем, на этот раз оказалось спасительным, иначе как могли бы узнать читатели книги о приключениях ее героев?
Еще более серьезная проблема — посадка такого корабля на планету. Вряд ли эту посадку можно мыслить себе, как столкновение снаряда с мишенью.
Наконец, хоть и менее очевиден, но тоже весьма существен недостаток подобного корабля, связанный с особенностями атмосферы, окружающей нашу Землю. Эти особенности мы ниже (в главе 9) рассмотрим подробнее, ибо, кроме «панциря тяготения», как говорил Циолковский, межпланетному кораблю придется пробить и «панцирь атмосферы», отделяющий нас от мирового пространства. Все же одна такая особенность совершенно очевидна — с увеличением высоты над Землей плотность атмосферы быстро уменьшается.
Наиболее плотные слои атмосферы непосредственно прилегают к земной поверхности. В таком наиболее плотном воздухе корабль пролетит первые десятки километров своего длинного пути. И вот это начало пути кораблю следовало бы пролететь с малой скоростью, что значительно уменьшило бы потери скорости корабля из-за сопротивления воздуха, то есть, иными словами, уменьшило бы затрату энергии на преодоление сопротивления атмосферы. Кроме того, это устранило бы опасность сильного разогрева поверхности корабля, который неизбежен при полете с большой скоростью в плотной атмосфере. И о сопротивлении воздуха и о нагреве корабля нам, конечно, придется потом (в главе 17) говорить подробнее, но сразу ясно, что целесообразно так организовать полет межпланетного корабля, чтобы его скорость стала космической лишь на почтительном расстоянии от Земли, в разреженной атмосфере.
Вот, оказывается, как не просто организовать полет межпланетного корабля: необходимая скорость такого полета должна во много раз превышать максимальную скорость, когда-либо достигнутую человеком; при разгоне корабля до этой скорости ускорения должны быть очень небольшими, разгон должен быть плавным; на малых высотах в плотном воздухе, скорость полета должна быть относительно небольшой; корабль должен обладать способностью управления в полете; должна быть обеспечена возможность плавной посадки корабля у места назначения.