...человечество не останется вечно на Земле, но, в погоне за светом  и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы,  а затем завоюет себе все околосолнечное пространство.  К. Э. Циолковский

Глава 13
ПЕРВАЯ ЦЕЛЬ — ЛУНА

Можно не сомневаться в том, к какой цели прежде всего направят свой путь межпланетные корабли, — этой целью будет второе светило неба, красавица Луна. И не потому, конечно, что она воспета поэтами, что к ней прикована фантазия людей уже с незапамятных времен. Выбор маршрута первого межпланетного полета определяется гораздо более прозаическими соображениями: Луна — ближайшее к Земле небесное тело, полет на Луну — самый простой из всех межпланетных полетов. 

Луна движется вокруг Земли по эллиптической орбите, близкой к кругу. Расстояние от центра Земли до апогея лунной орбиты, то-есть до точки этой орбиты, наиболее удаленной от Земли, равно 407 тысячам километров, а до перигея, то-есть наиболее близкой точки лунной орбиты, — примерно 356 тысячам километров. Среднее расстояние между центрами Земли и Луны равно примерно 384 тысячам километров*. Когда Луна ближе всего к Земле, то между ними по прямой может уместиться всего 27 земных шаров. Полет самолета по прямой от Земли к Луне соответствовал бы по протяженности примерно девяти кругосветным перелетам. 
 

Расстояние от Земли до Луны ничтожно по космическим масштабам — оно в сотни раз меньше, чем до других, даже ближайших к Земле небесных тел. Это обстоятельство и является решающим при выборе Луны в качестве первого пункта назначения полета в мировое пространство. 

Меньшее расстояние от Земли — это прежде всего меньшая продолжительность межпланетного полета, а значит, и многим меньшие трудности и опасности, связанные с таким полетом. Это преимущество будет особенно важным в первое время, когда все «рифы» и «подводные течения» океана мирового пространства еще будут недостаточно хорошо знакомы капитанам и штурманам межпланетных кораблей. 
 

Впервые на Марсе

Второе преимущество небольшого расстояния до Луны не является столь очевидным, но в действительности играет очень большую роль. Полет на Луну — это единственный пример полета с Земли, когда расстояние межпланетного корабля от Солнца меняется в полете столь незначительно, что этим изменением можно пренебречь. Но это значит, что притяжение к Солнцу практически не будет оказывать никакого влияния на полет корабля**, влияния, которое оказывается решающим в случае более дальних полетов на планеты. В частности, это значит, что любой корабль, подготовленный к полету на Луну, может стартовать практически в любое время, в любую минуту, не дожидаясь особо выгодного взаимного расположения станций отправления и назначения, как это оказывается необходимым в случае полета на планеты. Это же относится и к обратному полету на Землю. Поэтому в будущем, когда межпланетные полеты станут заурядным явлением, будут такими же будничными, как и полеты самолетов на земных авиалиниях, пассажирские корабли, скажем, Москва — Луна, будут курсировать с такой же регулярностью, как скорые поезда Москва — Сочи. Полеты же на Марс или Венеру будут скорее напоминать проход кораблей по Северному морскому пути, в котором участвует сразу целый караван судов, используя для этого наивыгоднейшее время года.

На первый взгляд может показаться, судя по обычным земным представлениям, что сравнительно небольшое расстояние, которое должно быть пройдено межпланетным кораблем в полете на Луну, в сотни раз меньшее, чем в любом другом межпланетном полете, дает еще одно очень важное, если не решающее, преимущество — оно требует меньшего расхода топлива. Может показаться, что в связи с необходимостью большого расхода топлива в настоящее время возможны лишь межпланетные полеты на сравнительно небольшие расстояния — в частности, полет на Луну, — а более дальние полеты на планеты пока невозможны. 

Однако такое впечатление было бы ошибочным. В любом земном путешествии, все равно — по суше, воде или воздуху, чем больше расстояние, которое мы должны проехать, тем больше количество расходуемого топлива, потому что двигатель автомобиля, парохода или самолета работает в течение всего времени путешествия. Иначе получается в межпланетном путешествии. Здесь во много раз более дальний полет может потребовать во много раз меньшего количества топлива — в этом заключается одна из особенностей полета в мировом пространстве. В межпланетном полете двигатель корабля работает, расходуя топливо, лишь ничтожную часть общего времени полета. Во все остальное время двигатель остановлен, и корабль летит за счет накопленной при работе двигателя кинетической энергии. Примерно так поступают шоферы, когда они ездят «с накатом» — сначала автомобиль разгоняют, а потом двигатель выключают, и машина идет за счет приобретенной скорости. Только в случае межпланетного полета такой «накат» осуществляется обычно всего 1—2 раза, в начале пути и при необходимости изменить направление или скорость движения корабля. 

Расход топлива в межпланетном полете определяется поэтому не проходимым расстоянием, а другими факторами, главным образом тем, какие поля тяготения приходится преодолевать кораблю в полете, и, значит, тем, какой массой обладает небесное тело, к которому совершается полет. А в этом отношении Луна — далеко не идеальная цель из-за своей сравнительно большой массы. Неудивительно, что путешествие на Луну потребует большего расхода топлива, чем некоторые другие межпланетные полеты на расстояния, в десятки и сотни раз большие, — например, полет на многие астероиды. 

Луна является совершенно своеобразным небесным телом, исключением в семье спутников планет солнечной системы — семье, насчитывающей, кроме Луны, 30 известных членов***. Это отличие заключается в том, что Луна — спутник-гигант, она гораздо ближе по размерам и по массе к своей планете — Земле, чем какой-либо другой спутник****. Диаметр Луны меньше земного всего примерно в 3 3/4 раза, он равен 3476 километрам. В этом отношении другие спутники сильно уступают Луне. Спутник Нептуна — Тритон меньше своей планеты в 10 с лишним раз*****, первый спутник Урана, Титания, — примерно в 30 раз, спутники Марса, Юпитера и Сатурна меньше своих планет в сотни раз. Примерно такое же соотношение и в величинах масс спутников. Масса Луны меньше массы Земли примерно в 81,5 раза, масса Тритона меньше массы Нептуна в 290 раз; массы спутников Юпитера и Сатурна меньше массы своих планет в десятки и сотни тысяч раз. 
 

Мы можем, если угодно, гордиться такой «исключительностью» пары Земля — Луна и той редкой по красоте картиной, которая предстанет перед глазами будущих межпланетных путешественников, наблюдающих эту «двойную звезду» с борта космического корабля где-нибудь на трассе Земля — Венера. Однако, с точки зрения интересов астронавтики, мы не можем не пожалеть о том, что Земля так велика и что мы живем, например, не на Марсе, масса которого в 10 раз меньше земной. Точно так же мы не можем не пожалеть и о том, что Луна так велика и что мы не имеем крохотного, недалеко расположенного спутника, подобного, например, марсианским Фобосу и Деймосу, диаметр которых равен всего 15 и 8 километрам и которые находятся от Марса на расстоянии всего 9380 и 23 500 километров. Если бы мы жили на Марсе, не говоря уже о Меркурии, то, пожалуй, межпланетные корабли уже бороздили бы безбрежные дали мирового пространства: скорость отрыва от Марса, равная всего 5 километрам в секунду, без особого труда может быть достигнута современной реактивной техникой. Если бы Земля поменялась с Марсом спутниками, мы получили бы замечательные межпланетные базы, и в этом случае не было бы необходимости в сооружении искусственных маленьких «лун» только потому, что настоящая Луна «плоха» с точки зрения астронавтики. 

Астронавтику не устраивает ни значительная масса Луны, из-за которой она обладает собственным полем тяготения (с ним приходится серьезно считаться), ни сравнительно большое расстояние ее от Земли. 

В поле тяготения Земли и Луны. Показаны поверхности, в любой точке которых отношение сил притяжения к Земле и Луне одинаково (указано цифрами).

Поле тяготения Луны как бы накладывается на земное. Если двигатель межпланетного корабля уже выключен, а сопротивление воздуха отсутствует (или мы им пренебрегаем), причем полет совершается так близко от Земли, что мы считаемся лишь с земным тяготением, то на корабль действует только одна сила тяжести, направленная к центру Земли******. Чем ближе к Луне, тем притяжение к ней больше, и, наконец, мы вынуждены начать с ним считаться. Теперь уже на корабль действуют две силы: одна — направленная к центру Земли, другая — к центру Луны. Равнодействующая сила должна быть найдена, очевидно, по правилу параллелограмма; она уже не будет больше направлена к центру Земли, а куда-то между Землей и Луной*******. 
 

Наконец в своем полете к Луне корабль, по какому бы маршруту он ни летел, обязательно достигнет такой точки, в которой обе силы притяжения, к Земле и Луне, уравняются. Конечно, это будет гораздо ближе к Луне, чем к Земле, ибо масса Земли больше. Так как сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, а отношение масс Земли и Луны равно примерно 81, то, очевидно, обе силы сравняются, когда расстояния корабля до центров Земли и Луны будут относиться, как V81 : 1, то-есть когда расстояние до центра Земли будет примерно в 9 раз больше, чем расстояние до центра Луны. 

Очевидно, что точек, отвечающих этому условию, существует в пространстве между Землей и Луной бесконечно много, так что эти точки образуют целую поверхность. Эта поверхность обладает замечательной особенностью. Она является как бы своеобразной границей: по одну сторону от этой поверхности корабль будет падать на Землю, а по другую — на Луну. 

Особенный интерес представляет одна точка этой поверхности, именно лежащая на прямой, соединяющей центры Земли и Луны: эта точка находится на расстоянии всего 38 тысяч километров от центра Луны. Очевидно, в этой точке на корабль не действуют вообще никакие силы: две равные и противоположно направленные силы не дают равнодействующей. Значит, в этой точке, которую называют критической или нейтральной, корабль, если он не обладает собственной скоростью, теоретически должен был бы находиться бесконечно долго. В критической точке вес тела равен нулю, но уже не потому, что тело не давит на опору, свободно падающую вместе с ним, как на искусственном спутнике, а потому, что на него на самом деле не действует сила притяжения. 

Путешественник, который решил бы добраться до Луны по лестнице, как это рассказывается в сказках, до критической точки поднимался бы вверх головой, в самой этой точке мог бы отдохнуть, не пользуясь лестницей, а дальше должен был бы повернуться головой к Земле: теперь для него «низ» был бы уже на Луне********.
 

"Путешествие" с Земли на Луну.

Главный вопрос, который возникает при организации любого межпланетного полета, в том числе и полета на Луну, — это сколько понадобится израсходовать топлива. От этого, как уже было отмечено выше, зависит, возможен ли вообще данный полет и каким должен быть межпланетный корабль.  В случае простейших космических полетов вблизи Земли, например полетов орбитальных ракет, эта задача решается, как мы видели в предыдущей главе, сравнительно просто. Если бы Луна не обладала собственным полем тяготения, то полет на Луну был бы таким же обычным полетом, но на большую высоту, соответствующую расстоянию Луны от Земли. Для достижения какой-нибудь точки лунной орбиты кораблю при отлете с Земли нужно было бы сообщить такую начальную скорость, чтобы его скорость в заданной точке лунной орбиты стала как раз равной нулю. Очевидно, эта скорость несколько меньше скорости отрыва, при которой скорость корабля становится равной нулю, как известно, только в бесконечности. На первый взгляд может показаться, что эта разница должна быть значительной, ведь от лунной орбиты до бесконечности еще такой длинный путь. Однако на самом доле это не так, и разница оказывается меньше 1 процента.  Притяжение к Луне меняет дело, причем в лучшую сторону, если только характер встречи ракеты с поверхностью Луны не имеет значения, как, например, будет с первыми автоматическими ракетами, которые должны будут лишь сообщить о своем столкновении с Луной, допустим, с помощью какой-нибудь яркой вспышки или столба дыма.

Положительное влияние поля тяготения Луны сказывается и в том, что оно, накладываясь на земное поле, ослабляет его, уменьшая силу, с которой ракета притягивается к Земле в полете от Земли до нейтральной поверхности. Это дополнительно уменьшает необходимую начальную скорость ракеты, но тоже очень ненамного, примерно на 0,2 процента. Таким образом, положительное влияние притяжения к Луне очень невелико, и им можно пренебречь. 

Зато гораздо больше трудности, с которыми связано это притяжение в тех случаях, когда нужно обеспечить плавную посадку межпланетного корабля на Луну. Чтобы корабль не разбился при посадке, его нужно затормозить таким образом, чтобы к моменту встречи с поверхностью Луны скорость корабля равнялась нулю. В этом случае недопустима даже та небольшая скорость, с которой совершает посадку самолет на аэродроме, — ведь на Луне-то посадочных площадок нет! 

Так как Луна не обладает атмосферой, то торможение может быть достигнуто только с помощью двигателя самого корабля. Для этого либо корабль должен повернуться на 180°, кормой к Луне, либо спереди на нем должны быть установлены специальные двигатели для торможения. Так или иначе, реактивная тяга двигателя должна быть в этом случае направлена в сторону, обратную направлению полета, и постепенно уменьшать его скорость. Такое торможение двигателем было предложено Циолковским. Затрата энергии топлива на это торможение будет не меньше той, которая необходима для сообщения кораблю скорости отрыва от Луны, равной примерно 2 1/3 километра в секунду. В действительности же она будет больше, так как в общем случае корабль и Луна при встрече будут обладать различными скоростями и эта разность скоростей тоже должна будет погашаться двигателем. 

График полета Земля - Луна.

Если мы имеем в виду полет на Луну с последующим возвращением на Землю, то это же влияние поля тяготения Луны скажется второй раз при отрыве от нее. Снова придется сообщать кораблю скорость 2 1/3 километра в секунду, чтобы он достиг точки, с которой может начаться его падение на Землю. 

Теперь мы можем примерно оценить полную величину идеальной скорости, по которой должен быть определен минимальный запас топлива на межпланетном корабле, совершающем полет на Луну и обратно: 
 

Однако в действительности запас топлива на корабле должен быть гораздо больше этого минимального. 

Прежде всего, скорость корабля у нейтральной точки не должна равняться нулю. Конечно, при равенстве этой скорости нулю затрата топлива будет минимальной, но зато чрезмерно возрастет длительность полета. Так, например, если скорость корабля на высоте 1600 километров будет равна 9,9 километра в секунду, то корабль пересечет нейтральную точку со скоростью, близкой к нулю*********. Если же увеличить скорость при взлете всего на 100 метров в секунду, то-есть довести ее до 10 километров в секунду, то скорость корабля в нейтральной точке будет равна примерно 1,4 километра в секунду, а общая продолжительность полета сократится при этом вдвое — со 100 до 50 часов. Вероятнее всего, корабль будет пересекать нейтральную точку со скоростью около 1 километра в секунду. Но это значит, что должны быть увеличены начальная скорость при взлете корабля с Земли, затрата энергии на торможение при посадке на Луну и начальная скорость при взлете с Луны. Общее увеличение идеальной скорости при этом можно оценить примерно в 1,5 километра в секунду. Если учесть еще неизбежные потери скорости в полете, а также необходимый резерв топлива на корабле для компенсации ошибок управления и проч., то величина идеальной скорости получается не меньше 20 километров в секунду**********. 
 

Трехступенчатая ракета для отправки на Луну груза в 10 килограммов.. Справа - дальняя ракета, описанная в главе 6.

При скорости истечения газов из двигателя 3 километра в секунду формула Циолковского дает в этом случае для отношения начальной и конечной масс корабля величину около 800. Это соотношение является практически неосуществимым, и поэтому совершить такой полет на Луну при современном уровне развития реактивной техники невозможно. Увеличение скорости истечения до 4 километров в секунду, вполне возможное в будущем, уменьшило бы потребное соотношение масс корабля до 150, что уже принципиально может быть осуществлено с помощью многоступенчатого поезда, но его вес при взлете с Земли даже с ничтожной полезной нагрузкой составлял бы десятки тысяч тонн, то-есть равнялся бы весу гигантских океанских теплоходов. Вот какое пагубное влияние оказывает массивность спутника Земли, если мы хотим совершить посадку на него. Поэтому «взятие» Луны таким прямым штурмом, лобовой атакой, вряд ли удастся. Здесь будет уместнее планомерная осада, тщательная подготовка к решающему штурму.

Сначала, вероятно, на Луну будет послана ракета, задачей которой будет просто просигнализировать о своем благополучном прибытии — для этого будет достаточно нескольких килограммов пороха на ракете***********. Такую ракету можно было бы послать уже сейчас. В частности, по одному из проектов, такая ракета с полезной нагрузкой 10 килограммов должна весить при взлете 50 тонн. Эта трехступенчатая ракета будет не очень многим превышать по размерам описанную в главе 6 дальнюю ракету (на рисунке, помещенном на стр. 145, эти ракеты показаны для сравнения рядом). 
 

Затем на Луну будет послана автоматическая радиоустановка с рядом измерительных приборов. Эта установка расскажет о своих лунных «впечатлениях». Потом, возможно, к этой установке будет добавлен телевизионный передатчик — мы сможем видеть поверхность Луны в непосредственной близости. 

Одним из этапов подготовки к полету на Луну будет, несомненно, облет Луны межпланетным кораблем на сравнительно небольшом расстоянии от нее, сначала опять-таки без людей, а затем и с людьми. Такой полет имел бы разностороннее значение и, в частности, позволил бы наконец заглянуть на недоступную нам до сих пор «заднюю» сторону Луны, которая никогда не видна с Земли. Для совершения такого облета придется затратить лишь немногим большую энергию, чем для простого полета к лунной орбите. Идеальная скорость в этом случае равнялась бы 13—14 километрам в секунду, что при современном значении скорости истечения около 3 километров в секунду может быть достигнуто с помощью поезда из пяти-шести ракет. 

Уже на примере полета на Луну можно видеть все значение искусственных спутников Земли для межпланетных сообщений, если использовать эти спутники для заправки топливом межпланетных кораблей. 

Пусть, например, на высоте 500 километров над Землей создана такая заправочная станция — топливохранилище, мчащееся вокруг Земли по круговой или слегка эллиптической орбите со скоростью 7,6—7,7 километра в секунду. В цистернах этого хранилища могут быть постепенно накоплены сотни и тысячи тонн топлива, перебрасываемого с помощью грузовых ракет-«танкеров» с Земли. 

Межпланетный корабль Москва — Луна подлетает к заправочной станции и выравнивает свою скорость со скоростью этого искусственного спутника. Теперь они мчатся рядом вокруг Земли. Для разработки техники заправки топливом в мировом пространстве можно использовать значительный опыт, накопленный авиацией по заправке в полете реактивных самолетов топливом с летающих «танкеров» — тяжелых и более тихоходных самолетов. Уже сейчас имеются случаи, когда небольшие быстроходные реактивные самолеты при совершении дальних перелетов пополняют таким образом свои баки в полете, и даже не раз и не два. Для этого им приходится лишь несколько снизить скорость своего полета до скорости «танкера», а затем — снова в путь. 

Для полета к такой заправочной станции межпланетный корабль должен обладать, как было указано в прошлой главе, идеальной скоростью порядка 10—12 километров в секунду. После заправки двигатель корабля надо будет снова включить, чтобы увеличить скорость от круговой до скорости отрыва. Для этого, вообще говоря, надо будет улучить наиболее выгодный момент в отношении положения спутника на его орбите************. Скорость отрыва со спутника меньше, чем с Земли; в данном случае будем считать ее равной 11 километрам в секунду. Чтобы увеличить скорость корабля от круговой скорости 7,6 километра в секунду до скорости отрыва 11 километров в секунду, нужна добавочная скорость 3,4 километра в секунду. Идеальная скорость корабля, на которую приходится рассчитывать его запас топлива, уменьшится при этом на 8,1 километра в секунду, так как вместо непосредственного взлета с Земли, требующего скорости 11,5 километра в секунду, теперь нужна скорость 3,4 километра в секунду. Следовательно, идеальная скорость теперь будет равна не 20, а примерно 12 километрам в секунду. При скорости истечения 3 километра в секунду необходимое отношение масс корабля уменьшится соответственно с 800, как ранее, до 40—50. Как видно, заправка в пути не только позволит уменьшить необходимый запас топлива на корабле, но и вообще сделает данный полет практически осуществимым. 
 

Можно предложить и такую схему полета на Луну с использованием заправки в воздухе, пока не созданы специальные искусственные спутники-топливохранилища. Вместо одного корабля весом, скажем, 20 тысяч тонн одновременно взлетают три ракеты весом по 600 тонн. На высоте 500 километров ракеты превращаются в спутников Земли, причем две из них заправляют третью, которая отправляется в дальнейший полет. На небольшом расстоянии от Луны этот корабль оставляет на орбите запасные баки с топливом, которые становятся на какое-то время спутниками Луны, а сам совершает на нее посадку. На обратном пути он «прихватывает» баки. Такие операции сводят к минимуму непроизводительную затрату топлива на разгон и торможение самого же топлива, что является, вообще говоря, главной бедой астронавтики. 

Продолжительность полета до Луны будет зависеть от избранного маршрута и главным образом — скорости полета. Как и при путешествии по Земле, чем быстрее будет совершаться полет на Луну, тем дороже он обойдется, так как потребует большего расхода топлива. 

Наименьшая скорость, которую корабль должен иметь у Земли, чтобы достичь Луны, равна 11,1 километра в секунду. При скорости 11,2 километра в секунду корабль умчится в бесконечность, так как эта скорость есть скорость отрыва. Поэтому все орбиты корабля, целью которого является облет вокруг Луны, должны иметь начальную скорость между 11,1 и 11,2 километра в секунду. При минимальной скорости 11,1 километра в секунду корабль долетит до Луны примерно за 115 часов. Это, значит, вообще наибольшая возможная продолжительность такого полета. При скорости 11,2 километра в секунду полет будет длиться примерно 50 часов. Дальнейшее увеличение скорости будет сильно уменьшать продолжитель-ность полета. При начальной скорости 15,2 километра в секунду она будет равна 10 часам, при скорости 21,2 километра в секунду — 6 часам. Таким образом, удвоение начальной скорости сокращает продолжительность полета почти в 20 раз. Это уже явная особенность астронавтики: на Земле так не бывает. 

Экспресс Москва — Луна будет совершать свой полет за сутки или даже за одну ночь, как сейчас идут поезда из Москвы в Ленинград. Конечно, организация таких курьерских перелетов станет возможной только тогда, когда будут найдены более калорийные топлива, да и то, очевидно, только при заправке в пути. Наиболее вероятной будет продолжительность полета порядка двух-трех суток. За все это время двигатель корабля будет работать не более 10 минут — при взлете с Земли и посадке на Луну. Весь остальной путь корабль пролетит, не расходуя ни капли топлива. Иначе ни о каком межпланетном полете нельзя было бы и мечтать.