Недавно человечество отметило 64-ю годовщину начала космической эры. Мы уже давно воспринимаем космос как нечто само собой разумеющееся, что-то, что было у нас всегда. Большинство людей активно пользуются технологиями, появившимися благодаря освоению космоса, практически не задумываясь об их происхождении, а запуски ракет обычно привлекают внимание лишь в случае какой-либо громкой аварии.
Но это обманчивая обыденность. В реальности космос был, остается, и еще долго будет оставаться весьма сложной и опасной средой, не прощающей никаких ошибок. И мы бы хотели рассказать историю о том, как человечеству все же удалось покорить его. Первая часть будет посвящена зарождению космонавтики — от экзотических идей далекого прошлого до первых удачных запусков ракет-носителей.
Ранние проекты космических путешествий
Вряд ли мы когда-либо узнаем, кто же был первым человеком, задумавшимся о космических путешествиях. Но считается, что эта концепция начала обретать популярность в XVII веке — после ряда эпохальных изменений в представлениях человечества об устройстве Вселенной, вызванных изобретением телескопа, открытием законов движения планет и постепенным распространением гелиоцентрической системы.
Первым опубликованным произведением, посвященным пребыванию человека на Луне, стала фантастическая повесть Иоганна Кеплера Somnium. Вскоре фантастические путешествия на иные небесные тела начали описывать и другие авторы, вроде Фрэнсиса Годвина, Сирано де Бержерака и прочих.
Важной вехой стал опубликованный в 1687 году эпохальный труд Исаака Ньютона “Математические начала натуральной философии”. В нем он не только сформулировал знаменитый закон всемирного тяготения и три закона движения, но и заложил теоретические основы современной баллистики. Ньютон предложил мысленный эксперимент, в ходе которого на гору, вершина которой находится за пределами атмосферы, устанавливается пушка. Чем мощнее заряд используется при выстреле, тем дальше от горы будет улетать снаряд. Наконец при достижении определенной мощности заряда снаряд разовьет такую скорость, что не упадет вообще, выйдя на постоянную орбиту вокруг нашей планеты. Эта скорость называется первой космической. Для орбиты, расположенной вблизи поверхности Земли, ее значение составляет 7,91 км/с.
Именно эта концепция и легла в основу знаменитого романа Жюля Верна “С Земли на Луну”, описывающего полет на Луну внутри полого цилиндра, которым выстрелили из гигантской пушки. Интересно, что писатель выбрал в качестве места для ее размещения Флориду, откуда спустя столетие люди на самом деле отправились в путешествие к спутнику нашей планеты.
Вряд ли стоит объяснять, почему в реальности описанная Верном схема космического полета была бы нереализуемой. И как мы уже упомянули, французский писатель был далеко не первым, кто “отправил” людей в космос. Но это не главное. Главным было то, что “С Земли на Луну” стал первым романом, автор которого решил подойти к описанию путешествия с позиции научных представлений своего времени и провел ряд расчетов для его обоснования. Именно поэтому работа Жюля Верна в буквальном смысле захватила воображение современников, и даже спустя 150 лет мы прекрасно помним его имя, в отличие от множества других писателей и изобретателей той эпохи, тоже придумывавших различные варианты космического полета.
А в них не было недостатка. Для путешествия в космос предлагались разные способы: использование водяных и электрических двигателей, специальные воздушные шары и дирижабли, запуск корабля с помощью вулкана и даже гигантские катапульты, которые должны были забросить капсулу с путешественниками прямо в космос. С позиции современных знаний эти проекты вызывают лишь улыбку. Но не стоит забывать, что на тот момент теории космического полета фактически еще не существовало. Так что изобретателей и фантастов ограничивала лишь трактовка открытых на тот момент законов физики и собственная фантазия.
Коренной перелом в понимании того, что в действительности необходимо для полета в космос, произошел уже в XX веке. В первую очередь он связан с именами таких людей, как Константин Циолковский, Роберт Годдард и Герман Оберт.
Теоретические основы космического полета
Разумеется, ни Циолковский, ни Оберт, ни Годдард не являлись создателями ракеты. Считается, что первые ракеты появились в Китае еще в ІІІ веке до н. э. Изначально они использовались для фейерверков и развлечений, но со временем их начали применять и в военном деле. В Средние века представления о ракетах попали в Европу. Уже в XVI веке инженер Конрад Хаас описал конструкцию многоступенчатой ракеты. А в начале XIX столетия британская армия приняла на вооружение боевые ракеты конструкции Конгрива, некоторое время активно использовавшиеся наравне с обычной артиллерией.
Однако до поры до времени никто не видел в ракете средства, позволявшего достигнуть космоса. Ситуация изменилась в начале XX века, когда Константин Циолковский сумел теоретически обосновать возможность осуществления космических полетов с помощью летательных аппаратов, использующих тягу ракетного двигателя. Опубликованные в 1920-е годы работы Германа Оберта дополнили теоретическую основу межпланетных полетов, доказав, что уже при существовавшем тогда уровне техники можно было построить ракету, способную выйти за пределы земной атмосферы и стать спутником нашей планеты или же отправиться в путешествие к другим небесным телам.
В крайне упрощенном виде суть теории космического полета заключается в следующем. Во время запуска ракетный двигатель выбрасывает некоторую массу (рабочее тело), создавая тягу, приводящую ракету в движение. По мере набора скорости масса ракеты уменьшается, что при неизменной тяге приводит к увеличению ускорения. Однако ракета состоит не исключительно из топлива, но и из других компонентов, которые со временем становятся лишним грузом. Поэтому, для улучшения характеристик ракеты и увеличения ее грузоподъемности, по достижении некоторых этапов полета эти части необходимо сбрасывать. А это значит, что предназначенная для космического полета ракета должна состоять из нескольких ступеней.
Другим важным открытием пионеров ракетной индустрии стало то, что наиболее эффективным топливом для ракеты является не традиционный порох (или какое-то другое твердое вещество), а двухкомпонентная жидкая смесь, состоящая из окислителя (например, кислорода) и топлива (водорода, керосина, этилового спирта, бензина и т. д.). В 1926 году Роберт Годдард сумел доказать работоспособность этой концепции, запустив первую в истории жидкостную ракету.
Если соединить воедино основные открытия пионеров ракетной эры, то они сводились к следующему: ракета с достаточно легкой и прочной конструкцией, работающая на правильном топливе и имеющая нужное число ступеней, будет способна развить первую космическую скорость и выйти на орбиту вокруг Земли.
Концепция ракеты как средства для космического путешествия очень быстро вошла в массовый обиход. Этому в немалой степени способствовал кинематограф. Уже в 1929 году на экраны вышел немецкий фильм “Женщина на Луне”, в котором был показан полет на Луну при помощи жидкостной многоступенчатой ракеты. Интересно, что консультантом картины выступал Герман Оберт.
Примерно в те же годы в ведущих странах мира начали появляться различные объединения энтузиастов аэронавтики и ракетостроения, мечтавших о покорении космоса. Их участники обменивались идеями, размышляли над решением различных проблем, которые могли возникнуть во время межпланетного полета, а также проводили испытания прототипов ракет и ракетопланов.
В 1937-1939 годах участники Британского Межпланетного Общества спроектировали “Лунную ракету” — первый в истории детально проработанный и потенциально реализуемый проект аэрокосмической системы, предназначавшейся для полета на Луну. Она состояла из шестиступенчатой твердотопливной ракеты и рассчитанного на трех человек космического аппарата. Участники общества даже успели изготовить прототипы некоторых компонентов “Лунной ракеты”, но дальнейшему развитию проекта помешало начало Второй мировой войны.
“Фау-2”, первый спутник и NASA
Вторая мировая стала поистине переломным моментом в истории развития ракетостроения. Армии всех воюющих держав достаточно активно использовали ракетное вооружение. Их запускали с установок залпового огня и самолетов, использовали для борьбы с танками и кораблями. Но все же главной “звездой” конфликта можно назвать немецкую A-4 (“Фау-2”) — первую в истории баллистическую ракету дальнего радиуса действия. Именно A-4 стала первым искусственным объектом, поднявшимся выше отметки в 100 км, принятой в качестве условной границы между земной атмосферой и космическим пространством. Это произошло в 1944 году.
A-4 не сыграла какой-либо особой роли в войне. Германия вложила огромные средства в ее разработку, однако боевая эффективность ракеты оказалась крайне невелика. Тем не менее, она наглядно продемонстрировала перспективы, открываемые подобным типом оружия. Так что нет ничего удивительного, что после завершения войны страны-победительницы вывезли для изучения техническую документацию, уцелевшие экземпляры А-4, и занимавшихся их созданием специалистов.
В дальнейшем США и СССР провели множество запусков трофейных немецких ракет в исследовательских целях. Именно благодаря A-4 были получены первые в истории снимки нашей планеты из космоса. Они были сделаны камерой, установленной на борту ракеты, запущенной с полигона Уайт-Сэндс 24 октября 1946 года.
Примечательно, что в том же 1946 году участники Британского Межпланетного Общества предложили переделать A-4, установив внутрь ее головной части капсулу с пилотом. По оценкам современных экспертов, для тех лет проект был неплохо проработан и в случае реализации дал бы возможность начать суборбитальные полеты в космос примерно на десять лет раньше, чем это произошло в действительности. Однако власти Великобритании не заинтересовались предложением, и оно так и осталось на бумаге.
В последующие годы сверхдержавы продолжили развитие ракет, постепенно создавая образцы, обладавшие все большей дальностью полета и грузоподъемностью. Разумеется, их основными “заказчиками” были военные, желавшие заполучить средство доставки ядерного оружия на другие континенты.
Впрочем, в середине 1950-х начали появляться и различные гражданские проекты, предлагавшие использовать ракеты для вывода на орбиту искусственных спутников, а впоследствии и людей. В 1955 году США сделали официальное заявление о намерении запустить первый спутник между 1 июля 1957-го и 31 декабря 1958 года в качестве вклада в международный геофизический год. Спустя всего несколько дней Советский Союз заявил о том, что уже в ближайшем будущем тоже запустит свой спутник. Но это сообщение было практически не замечено западной публикой, в то время как большинство специалистов восприняли его с большой долей скепсиса, а то и попросту сочли обычной пропагандой.
Действительно, в теории США должны были стать безоговорочным лидером космической гонки и выиграть соревнование еще до его начала. Страна имела в своем распоряжении большие ресурсы и определенное технологическое преимущество. Но это лишь на первый взгляд. На то время наличие ракет не считалось критическим фактором для национальной безопасности, поскольку у США уже имелся большой флот стратегических бомбардировщиков. Поэтому американцы могли позволить себе не торопиться. У СССР же не было сопоставимой бомбардировочной авиации, и Страна Советов сделала ставку на межконтинентальные баллистические ракеты, сосредоточив на их развитии почти все имеющиеся средства.
Кроме того, американское преимущество в ресурсах нивелировалось наличием сразу нескольких параллельных ракетных проектов. Они имелись у американской армии, ВВС и даже у флота. И конкуренция между ними скорее вредила общему делу, нежели помогала.
Так, в сентябре 1956 года запущенная командой Вернера фон Брауна ракета Jupiter-C развила скорость 7 км/c, лишь немного не дотянув до орбиты. При этом вместо топлива в баках ее четвертой ступени находился песок. Это было сделано намеренно, чтобы ракета “случайно” не набрала первую космическую скорость и не опередила проект Vanguard, который к тому моменту был официально выбран для запуска первого американского спутника. Важную роль тут сыграли соображения национального престижа. Американское руководство не хотело, чтобы первый спутник был выведен командой, возглавляемой немецким ученым. Если бы не это обстоятельство, то, скорее всего, космическая эра началась бы еще в 1956 году.
Но когда 4 октября 1957 года Советский Союз сообщил о запуске Спутника, это произвело эффект разорвавшейся бомбы. Многие американцы были откровенно напуганы маленькой звездочкой в ночном небе. Ведь она служила наглядным подтверждением, что Советский Союз обладает ракетой, способной достичь территории США.
Чтобы успокоить общественность, американское правительство решило ускорить ход работ по проекту Vanguard. Однако состоявшаяся в декабре 1957 года попытка запуска завершилась громкой неудачей. За это время Советский Союз отправил в космос еще один спутник с собакой Лайкой. После этого у руководства США не осталось иного выбора, кроме как дать зеленый свет команде Вернера фон Брауна. 1 февраля 1958 года ракета Jupiter-C успешно вывела на орбиту первый американский спутник Explorer-1, что несколько успокоило американскую публику.
“Спутниковый кризис” имел еще одно важное долгосрочное последствие. С целью избежать повторения ситуации, когда наличие сразу нескольких независимых проектов привело к отставанию от СССР, американское руководство приняло решение поручить реализацию всех гражданских космических программ и осуществление исследований в аэрокосмической сфере единой организации. Акт о ее создании был подписан 29 июля 1958 года. Эта организация получила название NASA.