Последний космический шанс - Антон Первушин

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.