Карл Гильзин - Путешествие к далеким мирам

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.

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.[66] 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 будет направлена не к центру Земли, а куда-то между Землей и Луной.[67]

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, например, на полпути между Землей и Луной сила притяжения к Земле будет все еще в 81 раз больше, чем к Луне. Очевидно, что обе силы сравняются, когда расстояния корабля до центров Земли и Луны будут относиться, как √81:1, 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, лежащая на прямой, соединяющей центры Земли и Луны; она 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 (то есть скоростью относительно системы Земля — Луна), 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.[68]

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 деле 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 притяжения к Луне сказывается в этом случае двояко. Прежде всего ракета должна теперь достичь за счет скорости, полученной при взлете с Земли, уже не лунной орбиты, а той нейтральной поверхности между Землей и Луной, на которой притяжение к ним уравнивается.[69] Дальнейшее движение ракеты к Луне будет происходить благодаря притяжению к ней — ракета просто упадет на Луну. Правда, при этом скорость ракеты в момент столкновения с поверхностью Луны достигнет примерно 2⅓ километра в секунду; она будет больше скорости артиллерийского снаряда, вылетевшего из ствола самого дальнобойного орудия. Такое «прилунение» ракеты будет напоминать скорее обстрел Луны прямой наводкой. Однако, как мы условились, в данном случае это нас не беспокоит. Так как высота, которой должна достичь ракета за счет толчка с Земли, теперь меньше примерно на 40 тысяч километров, то должна быть меньше и начальная скорость ракеты. 40 тысяч километров — это около одной десятой всего пути, но поле тяготения Земли с расстоянием быстро ослабевает, и потому уменьшение начальной скорости ракеты из-за этих 40 тысяч оказывается ничтожным: оно меньше 0,1 процента.

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. Следовательно, 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 2⅓ 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.

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 2⅓ 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, при этом 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.[70] 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. Вероятно, скорость в нейтральной точке будет близка к 1 километру 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.[71]