Тройной прыжок... Одно из самых красивых легкоатлетических упражнений, в котором сочетаются сила, ловкость, изящество, точный расчет.

Вот прыгун разбегается по сорокаметровой дорожке. Толчок от деревянного бруска — и спортсмен уже в воздухе. Но это не просто прыжок в длину. Коснувшись земли, прыгун снова отталкивается от нее. Используя накопленную скорость, он как бы летит в воздухе, перебирая ногами, взмахивая руками, весь вытянувшись вперед, как птица. И снова, уже в третий раз, взвивается спортсмен в воздух. Третий, заключительный прыжок — рекорд поставлен! По крайней мере, так установил европейский и всесоюзный рекорд заслуженный мастер спорта Леонид Щербаков, прыгнув во время спортивных игр на V Всемирном фестивале молодежи и студентов в Варшаве в 1955 году на 16 метров 35 сантиметров.

Но какое все это имеет отношение к астронавтике? Уж не является ли тройной прыжок, чего доброго, лучшим видом спортивной тренировки для будущих астронавтов в соответствии с новейшими достижениями науки о межпланетном полете?

Нет, дело совсем в другом. Мысль о тройном прыжке действительно приходит в голову в связи с некоторыми последними достижениями астронавтики, но речь здесь идет совсем не о спортивной подготовке будущих экипажей межпланетных кораблей.

Выше уже не раз указывалось, что наиболее выгодный межпланетный полет — это полет ступенчатый, с пополнением запаса топлива в пути, для чего могут быть использованы естественные или искусственные спутники планет. Легко понять, почему это так. Ведь если сразу взять на корабль все необходимое топливо, то большую часть его придется израсходовать на само это топливо, на его разгон или торможение. Другое дело, если «лишнего» топлива на корабле не будет.

Выгодность такого ступенчатого метода полета можно оценить на примере полета все на тот же Марс.

Пусть сначала наш корабль, стартующий с Земли в далекий путь к Марсу, имеет на борту весь запас топлива, необходимый для осуществления этого полета. Примем, что идеальная скорость для полета с Земли на Марс, посадки на нем и возвращения на Землю составляет 45 километров в секунду. При скорости истечения газов из двигателя 4 километра в секунду, которую можно рассчитывать получить в течение ближайшего десятилетия, необходимое отношение масс корабля (взлетной массы к массе корабля после выработки всего топлива) должно равняться в соответствии с формулой Циолковского примерно 76 тысячам. Это значит, что на тонну веса самого корабля при взлете должно приходиться примерно 76 тысяч тонн топлива. Конечно, построить такой корабль нельзя. Максимально возможное значение отношения масс для многоступенчатого корабля можно принять, вероятно, не больше 150. Значит, такой полет на Марс неосуществим.

Облегчим теперь задачу, допустив, что на Марсе имеется поселение людей и организовано производство ракетного топлива. Это значит, что идеальная скорость корабля при взлете с Земли должна теперь быть примерно вдвое меньшей. При этом отношение масс корабля при взлете с Земли будет уже равным только 275, да при взлете с Марса в обратный путь на Землю столько же, то-есть всего 550. Вместо 76 тысяч тонн топлива на тонну веса корабля — всего 550. Вот какой огромный скачок!

А теперь попробуем использовать для заправки топливом не только Землю и Марс, но и их спутники — Луну и Деймос. Наш корабль совершит при этом как бы тройной прыжок в мировое пространство — с Земли на Луну, потом на Деймос и только затем уже на Марс.

Можно принять для расчета следующие значения идеальной скорости: для полета с Земли на Луну и обратно — по 16 километров в секунду; для полета с Луны на Деймос и обратно — по 9 километров в секунду; для полета с Деймоса на Марс и обратно — по 6 километров в секунду. При все той же скорости истечения, равной 4 километрам в секунду, это потребует следующих значений отношения масс корабля: для полета с Земли на Луну — 55; для полета с Луны на Деймос — 9,5; для полета с Деймоса на Марс — 4,5; или всего на весь полет

2 х 55 + 2 х 9,5 + 2 х 4,5 = 138.

Это значит, что всего будет израсходовано на полет 137 тонн топлива на 1 тонну веса корабля, причем одновременно на корабле должно быть запасено не более 54 тонн из этих 137.

Такой полет осуществим, хотя он и не прост, причем если бы иметь вместо массивной Луны небольшой искусственный спутник Земли, то эффект был бы еще более разительным. Вот какое преимущество дает тройной прыжок в космос! Но это еще не все.

Вся космическая трасса разбивается при таком полете на три участка: полет в поле тяготения Земли, полет в поле тяготения Марса и связывающий эти два участка полет в поле солнечного тяготения — основной по продолжительности и дальности.

Условия полета корабля на каждом из этих участков оказываются различными. И легко видеть, из-за чего. Конечно, все дело в силе тяжести.

Корабль, летящий на обоих крайних участках трассы, то-есть совершающий взлет или посадку на Земле или другой планете, вынужден преодолевать мощное притяжение к ней. Другое дело — корабль, летящий на основном, среднем участке трассы, в поле одного только солнечного тяготения. На такой корабль действует только притяжение к Солнцу. Но вследствие большого расстояния от Солнца притяжение к нему гораздо меньше, чем притяжение к любой планете вблизи ее поверхности. Вблизи Земли, например, притяжение к Солнцу меньше, чем притяжение к Земле, в 1650 раз.

Однако кораблю далеко не безразлично, какую силу тяжести ему приходится преодолевать, — от этого зависит и то, какой двигатель должен быть установлен на корабле, и сама конструкция корабля, и даже его внешний вид. Корабль, летящий на крайних участках космической трассы, должен был бы сильно отличаться от корабля, совершающего полеты на среднем участке этой трассы.

Но возможно ли, чтобы межпланетный корабль в полете менял свой вид, становился совершенно другим?

Нет, конечно, сделать это вряд ли возможно. Но зато можно заставить летать на разных участках трассы не один и тот же, а разные корабли. В этом случае межпланетные путешественники должны будут совершать в пути две пересадки, причем для этих пересадок наиболее целесообразно использовать межпланетные станции — искусственные спутники Земли и планет, как это и предлагал Циолковский.

На одном корабле пассажиры взлетят с Земли, затем на спутнике пересядут на другой корабль, совершающий рейсы между этим спутником и спутником Марса, например, а оттуда уже третий корабль доставит их на самый Марс. Не правда ли, такое путешествие будет еще более походить на тройной прыжок, совершаемый межпланетными путешественниками в мировом пространстве?
 

Тройной прыжок.

Такой метод осуществления межпланетного полета открывает совершенно новые и замечательные возможности, помимо уже отмечавшихся выше преимуществ использования искусственных спутников. Эти возможности таятся в особенностях полета на среднем участке космической трассы, в поле одного только солнечного тяготения.

Если корабль, взлетающий с Земли, должен иметь мощный двигатель и быть очень прочным и, значит, тяжелым, то корабль, совершающий рейсы между искусственными спутниками, может быть легким и иметь двигатель, развивающий очень небольшую тягу.

Понятно, почему это так. Ведь двигатель корабля, взлетающего с Земли, должен развивать такую тягу, чтобы ускорение корабля по крайней мере в 3—4 раза превышало ускорение силы тяжести на Земле. Но это значит, что тяга двигателя должна по крайней мере настолько же превосходить вес корабля. Если корабль весит при взлете, например, 500 тонн, что для межпланетного корабля вовсе не так много, то его двигатель при взлете должен развивать тягу более 2000 тонн. Естественно, что двигатели такой огромной тяги должны иметь большие размеры и вес.

Чем больше и тяжелее двигатель, тем больше и тяжелее сам корабль. Но не только поэтому корабль, взлетающий с Земли, неизбежно получается очень тяжелым. Результатом огромных ускорений при взлете корабля с Земли являются большие силы инерции, действующие на корабль. Чтобы выдержать эти инерционные перегрузки, корабль должен быть прочным и, значит, массивным, тяжелым.

Иная судьба у корабля, совершающего хоть и длительные, но легкие «прогулки» между спутниками на среднем участке трассы. Солнце притягивает такой корабль с небольшой силой, и преодолеть ее не так уж трудно. Двигатель корабля может иметь поэтому очень небольшую тягу, а сам корабль, не нагруженный большими силами инерции, может быть очень легким. Форма такого корабля, не совершающего полет в земной атмосфере, может быть избрана любой. Это, в частности, значительно упростит задачу создания искусственной тяжести на корабле, которая, вероятно, окажется необходимой именно на среднем участке трассы, как самом продолжительном.

Но если двигатель корабля, совершающего рейсы между орбитами искусственных спутников — такой корабль можно назвать межорбитным, — должен иметь очень небольшую тягу и работать в течение длительного времени (чтобы значительно увеличить скорость корабля при малом ускорении), то невольно напрашивается мысль о том, нельзя ли в этом случае применить какой-нибудь другой реактивный двигатель вместо жидкостного ракетного. Ведь жидкостный ракетный двигатель тем именно и характерен, что способен развивать огромную тягу в течение сравнительно короткого времени, что и делает его особенно подходящим для кораблей, совершающих полет вблизи планет. Здесь же условия совсем иные, поэтому и свойства двигателя должны быть другими.

Еще Циолковский рассматривал различные возможные двигатели для этой цели. Ряд предложений появился и после Циолковского, но обычно все они отвергались, так как такие двигатели не годились для полета вблизи Земли. Тройной прыжок, как мы видим, открывает широкие возможности в этом направлении.

Прежде всего возникает мысль о том, нельзя ли использовать для полета межорбитного корабля силу давления солнечных лучей? Как известно, существование этого давления было установлено впервые в мире замечательным русским физиком П. Н. Лебедевым еще в 1900 году. Для того чтобы установить наличие такого давления и измерить его величину, Лебедеву пришлось осуществить тончайший эксперимент, поразивший даже тех, кто знал выдающиеся способности Лебедева как блестящего экспериментатора. Тонкость этого эксперимента связана с очень малой силой светового давления. Солнечные лучи давят, например, на пластинку, поставленную поперек их распространения на таком расстоянии от Солнца, как и Земля, с силой, равной примерно полкилограмма на квадратный... километр! Это очень небольшая сила*, но все же она играет большую роль в природе. Световое давление отворачивает от Солнца хвосты комет; оно же, как предполагают, играет большую роль в жизни звезд, в частности ограничивая их максимальный размер.
 

Расчеты, связанные с использованием давления солнечных лучей для передвижения межпланетных кораблей в поле солнечного тяготения, были произведены Цандером. Используя тончайшие пластинки металла, можно снабдить корабли зеркалами огромной поверхности, отражающими солнечные лучи. Толщина этих листов металла может составлять тысячные доли миллиметра. Зеркало из тончайших, допустим алюминиевых, пластинок, укрепленных на проволочном каркасе, может быть очень легким. По расчетам Цандера, при поверхности в 0,1 квадратного километра вес такого зеркала составит примерно 300 килограммов. Однако такое зеркало создаст силу всего в 50 граммов. Под действием этой силы скорость корабля весом 50 тонн (на Земле) будет увеличиваться каждую секунду всего на одну сотую миллиметра в секунду. Нет, очевидно, давление солнечных лучей неспособно разогнать межпланетный корабль даже в поле одного только солнечного тяготения.

Но если солнечные лучи, падающие на корабль извне, неспособны решить эту задачу, то, может быть, ее можно решить, используя давление световых лучей, которые будет испускать сам корабль? Если установить, скажем, на корабле мощный прожектор, то пучок света, отбрасываемый им, создаст реакцию точно так же, как оказывает давление пучок солнечных лучей, падающий на зеркало. Однако и эта реакция слишком мала, чтобы можно было создать световую ракету. Чтобы увеличить силу реакции светового пучка, нужно нагреть поверхность, излучающую этот пучок, до температуры в миллионы градусов. А это, конечно, невозможно.

Выходит, что для создания реактивной тяги, движущей межпланетный корабль, нужно обязательно отбрасывать вещество. Излучение обладает для этого слишком малой массой.

В обычном жидкостном ракетном двигателе, как мы знаем, отбрасываемым веществом являются молекулы газов, продуктов сгорания топлива. Чтобы газы вытекали с большой скоростью, в двигателе должно быть создано высокое давление. Количество газов, вытекающих каждую секунду, должно быть большим, иначе тяга будет невелика.

Но двигатель межорбитного корабля должен развивать, как мы видели, небольшую тягу. Это позволяет использовать такой двигатель, в котором происходит отброс гораздо меньшей массы, чем в жидкостном ракетном двигателе, но зато с гораздо большей скоростью. Чтобы заставить вытекать из двигателя вещество с такой большой скоростью, можно воспользоваться вместо силы давления электрическими силами.

Можно, в частности, использовать в этом случае атомную псевдоракету, о чем уже упоминалось в главе 8, то-есть силу реакции продуктов атомного распада, вытекающих из двигателя. Ведь скорость истечения этих продуктов может равняться десяткам тысяч километров в секунду, что вряд ли может быть достигнуто каким-либо другим способом.

Другим из возможных реактивных двигателей этого рода является электронный, или ионный двигатель. В этом двигателе реактивная тяга создается в результате истечения из него частиц вещества, имеющих электрический заряд, — электронов или ионов. Эти частицы разгоняются до большой скорости с помощью действующего на них электрического поля.

Такой разгон электрически заряженных частиц под действием электрического поля широко применяется в технике. Достаточно указать на обыкновенный электрический ток, текущий по проводникам. Иногда в специальных лабораторных установках удается разгонять таким образом электрически заряженные частицы до огромных скоростей — в десятки и даже сотни тысяч километров в секунду.
 

Межпланетный ионный корабль для полетов в слабом поле тяготения.

Идея ионного двигателя не является новой; она принадлежит Циолковскому. Устройство такого двигателя можно представить себе следующим образом. На межпланетном корабле устанавливается мощный генератор электрического тока — динамомашина. Энергия, необходимая для привода этого генератора, может быть получена с помощью атомной силовой установки или же за счет улавливаемой энергии Солнца. Электрический ток, вырабатываемый генератором, используется для зарядки пластин гигантского конденсатора, представляющих собой, например, плоские тонкие проволочные сетки. В результате этого между пластинами конденсатора создается разность электрических потенциалов, которая и разгоняет электрически заряженные частицы вещества — ионы. В специальной ионизационной камере от обычных молекул отрываются электроны, и таким образом получаются положительно заряженные частицы — ионы. Затем эти ионы пропускаются между пластинами конденсатора и вытекают наружу с большой скоростью — например, 100 километров в секунду. При таком истечении и создается реактивная тяга, необходимая для полета корабля.

Вот как может выглядеть проект экспедиции на Марс, совершаемой по методу тройного прыжка с использованием ионных ракет. Вся экспедиция совершается на 10 ионных межпланетных кораблях, которые собираются на искусственных спутниках Земли из частей, доставляемых на грузовых ракетах с Земли. Для доставки этих частей и экипажа кораблей используется целый флот из 50 грузовых трехступенчатых ракет, которым придется совершить около 1000 полетов. Каждая такая ракета весит при взлете примерно 6500 тонн; две первые ступени каждой ракеты возвращаются на Землю на парашютах, третья — в планирующем полете, для чего она делается крылатой.

Вес каждого межорбитного ионного корабля, на котором астронавты достигнут орбиты Марса, будет больше 3500 тонн. На трех небольших кораблях, весом по 200 тонн, 50 человек смогут совершить посадку на Марс. Один из этих трех кораблей останется на Марсе, а на двух остальных счастливчики, побывавшие на Марсе, возвратятся ко всей межпланетной армаде, поджидающей их на орбите у Марса. Три межпланетных ионных корабля вместе с двумя посадочными останутся на орбите у Марса, превратившись в искусственных спутников Марса, а на семи остальных кораблях участники экспедиции возвратятся на орбиту искусственного спутника Земли, откуда с помощью ракет будут доставлены на Землю.

По расчетам, вся эта экспедиция продлится около трех лет и потребует, конечно, больших средств. Так, например, на операции по снабжению, то-есть на полеты грузовых ракет, придется затратить около 5 миллионов тонн топлива, а на полет межпланетных ионных кораблей — примерно 40 тысяч тонн.

Для того чтобы можно было организовать подобную экспедицию, нужны еще годы (если не десятилетия) настойчивых исследований, нужна совместная работа многих ученых, конструкторов, инженеров, рабочих, должны быть решены сложнейшие научно-технические задачи. Но зато как велико будет значение этой победы, одержанной людьми в борьбе с природой!