Коллектив Авторов - Земля — Луна
Вогнутая чаша — это зеркало, собирающее солнечную энергию. В центре его — котлы солнечной электростанции, на противоположной стороне — купол обсерватории. Здесь нет воздуха, нет облаков и удобно вести астрономические наблюдения. Нет и веса, приходится искусственно создавать его, вращая круг. Внутри круга — жилые и служебные помещения, оранжерея, топливные баки. Топливо подвозят с Земли ракеты-танкеры. Вот одна из них мчится снизу, откуда виднеется одетый туманной дымкой покатый край Земли. Другая ракета заправляется топливом, вскоре она полетит на Луну.
Все это изображено на картине, висящей на стене в нашем конструкторском бюро. К сожалению, в межпланетном пространстве еще нет таких станций. И, глядя на картину, я вспоминаю горячие споры, которые велись много лет, вплоть до проектирования корабля «Луна-1».
Суть этих опоров можно свести к одному вопросу — со спутником или без него? Иначе говоря можно организовать полет без помощи искусственного спутника Земли или нельзя?
Два возможных метода осуществления межпланетного полета были предложены еще Циолковским. Один метод — использование искусственного спутника Земли в качестве топливозаправочной станции, другой — создание многоступенчатого ракетного поезда. Каковы же возможности, достоинства и недостатки этих методов? Какой из них избрать, если простой одноступенчатый корабль не способен решить задачу? Вот о чем велись споры. Как всегда бывает в таких случаях, были убежденные сторонники спутника и были его решительные противники — не менее убежденные поклонники идеи ракетного поезда. Находились и скептики, сулившие неудачу и тем, и другим.
Я честно признаюсь, что стоял тогда за спутник, как стою за него и сейчас. Должен сказать, что эта моя точка зрения основана на неоспоримых общеизвестных фактах.
Чтобы доказать свою силу, лучше всего показать слабость противника. В самом деле, чего можно достичь с помощью метода ступенчатых ракет? Пусть даже в нашем распоряжении имеется наилучшее из возможных в будущем химическое топливо для жидкостных ракетных двигателей. Будем считать, что это топливо обеспечит скорость истечения газов при полете в межпланетном пространстве (то есть когда газы вытекают практически в абсолютный вакуум), равную 5 километрам в секунду.
Чтобы определить запас топлива для любого межпланетного полета, нужно знать соответствующую идеальную скорость. Для полета на Луну идеальная скорость корабля должна быть не меньше 23 километров в секунду. Такая величина и принята для корабля «Луна-1». Почему именно 23? Посмотрим, из чего складывается эта скорость.
В любом межпланетном полете нужно преодолеть земное тяготение. Для этого требуется 11,2 километра в секунду. Воздушное сопротивление и потери под действием силы тяжести при взлете будут стоить не менее 1 километра в секунду, а то и все 1,5 километра. Торможение корабля при посадке на Луну потребует примерно 2,9 километра в секунду, да при взлете с Луны в обратный путь понадобится столько же. На маневрирование в межпланетном пространстве, то есть исправление курса, и на резерв, без которого нельзя пускаться в путь, — еще не менее 1 километра. Вот уже получилось 19 километров в секунду.
Все? Нет еще. Как быть теперь с посадкой на Землю? Если всю скорость корабля погашать двигателем, то для этого понадобится еще примерно 12 километров в секунду. Тогда общая идеальная скорость будет равна около 31 километра в секунду. Можно ли уменьшить эту огромную цифру? Да, можно, если затормозить корабль за счет сопротивления атмосферы. Правда, и в этом случае придется сначала включить двигатель, чтобы уменьшить скорость корабля на 4 километра в секунду. К 19 прибавим не 12, а 4. Получается идеальная скорость, равная примерно 23 километрам в секунду.
Сколько же топлива нужно запасти на корабле, чтобы обеспечить такую идеальную скорость? Ответ на это дает формула Циолковского. По этой формуле получается, что вес топлива на корабле при взлете должен составлять 99 процентов общего веса корабля! Конечно, построить такой корабль нельзя, даже если на нем нет никакого полезного груза — только стенки, двигатель и топливо. При этом в лучшем случае можно получить 90 процентов. Да и то чрезвычайно трудно У нас же, как известно, имеется большая полезная нагрузка. По заданию она должна равняться 5 тоннам — столько весит кабина с пассажирами, оборудованием, приборами, запасами и прочим.
Посмотрим же, насколько облегчает дело ракетный поезд, состоящий из четырех ступеней; увеличение числа ступеней дает малый выигрыш, но очень усложняет поезд. Вот какие результаты даст произведенный нами довольно сложный расчет, который, конечно, мы здесь опустим.
Первая ступень поезда должна весить 3500 тонн, из которых 3150 тонн — топливо и 350 тонн — вес самой ракеты. Когда при взлете все топливо на этой ступени будет израсходовано, она автоматически отделится от поезда и упадет на Землю. В то же мгновение включится двигатель второй ступени. Эта ступень весит 752 тонны, из которых 677 тонн топлива.
После выработки всего топлива второй ступени она тоже отделится от поезда. В этот момент поезд будет лететь уже с заданной скоростью отрыва. Таким образом, к Луне приблизится укороченный поезд: вместо четырех он будет состоять всего лишь из двух ступеней общим весом 218 тонн.
На торможение при посадке на Луну будет израсходовано все топливо третьей ступени. Вес этого топлива равен 138 тоннам, а вес самой ступени — 15 тоннам. Третья ступень будет отделена от последней, четвертой, уже на Луне и оставлена там — она не нужна для обратного полета.
Взлетит с Луны последняя ступень, четвертая. Общий вес этой ступени — 65 тонн, из которых 50 тонн приходится на долю топлива, 10 тонн — на ракету с крылом и 5 тонн — на пассажирскую кабину со всем содержимым. Эта последняя ступень и совершит посадку на Землю.
Как видите, расчет показывает, что такой четырехступенчатый корабль для полета на Луну должен весить при взлете с Земли 4470 тонн! Конечно, можно построить такую ракету размерами и весом с теплоход, но это очень нелегкая задача.
Судите теперь сами, насколько проще полететь на Луну, если можно воспользоваться заправкой топливом в пути, как это уже давно делается в авиации. В этом случае запас топлива при взлете можно сильно уменьшить. Значит, сильно уменьшится и взлетный вес корабля.
Насколько же?
Представим себе, что уже создан искусственный спутник Земли — космическое топливохранилище. Этот спутник обращается вокруг Земли по «суточной» орбите на высоте 35 900 километров, то есть делает один оборот вокруг Земли за сутки. На этой высоте скорость спутника равна примерно 3,1 километра в секунду.
Чтобы достичь этого спутника, идеальная скорость корабля при взлете с Земли должна равняться примерно 12 километрам в секунду; 10 километров в секунду даст топливо, залитое в баки корабля, остальная часть необходимой скорости будет получена с помощью стартовой ракеты. Когда корабль достигнет спутника, его топливные баки будут почти пустыми, их придется заново наполнять. Сколько же теперь нужно взять топлива, чтобы корабль смог продолжать свой полет на Луну? Произведем подсчет. Спутник и причаливший к нему корабль мчатся сейчас вокруг Земли со скоростью 3,1 километра в секунду. Но скорость отрыва от Земли на этой высоте равна 4,4 километра в секунду. Значит, чтобы улететь на Луну, корабль должен развить добавочную скорость, равную 1,3 километра в секунду.
Улучив нужный момент, чтобы полностью использовать скорость спутника, корабль направится к Луне. Падение на Луну нужно затормозить — на это требуется 2,9 километра в секунду. Столько же будет израсходовано при взлете. Чтобы причалить к спутнику в самый благоприятный момент на обратном пути, нужно погасить лишнюю скорость — 1,3 километра в секунду. Прибавим еще 1,6 километра в секунду — резерв для маневрирования. Получается 1,3 + 2,9 + 2,9 + 1,3 + 1,6 = 10 километров в секунду. Не больше, чем при взлете с Земли. Мы израсходовали все запасенное топливо. Но никто не мешает нам еще раз воспользоваться услугами спутника и заправиться здесь вторично, на этот раз для посадки на Землю. Спуск на Землю потребует сравнительно немного топлива. Нужно будет, отчалив от спутника, уменьшить скорость корабля, и он начнет падать на Землю. При этом разовьется скорость около 11 километров в секунду, большую часть которой мы надеемся погасить с помощью атмосферы.
Итак, вместимость наших баков должна быть рассчитана на идеальную скорость — 10 километров в секунду. Не 23, а только 10.
Но это значит, в соответствии с формулой Циолковского, что вес топлива должен составлять не 99 процентов, а лишь 87 процентов общего веса корабля. Как же будет выглядеть корабль в этом случае?
Вес корабля с пустыми топливными баками будет равен всего 28 тоннам, из которых 5 тонн — полезный груз. Полный вес топлива на корабле будет равен 182 тоннам. Поэтому общий вес корабля при взлете с Земли или старте со спутника на Луну будет равен 210 тоннам. Одноступенчатый корабль весом 210 тонн вместо сложного четырехступенчатого корабля весом 4470 тонн! Вот что значит искусственный спутник! Факты, как говорят, упрямая вещь.
