Простейшие автоматы: как Вилли Лей предсказал запуск первых спутников Земли
За два года до победного «Бип! Бип! Бип!» Первого спутника американский публицист и популяризатор науки Вилли Лей в деталях описал, какими будут аппараты начала Космической эры. Маленькие, беспилотные, с минимумом приборов — он рассчитал массу, траекторию и цели первых орбитальных зондов. Эксперт Pro Космоса Игорь Афанасьев приводит предсказания Вилли Лея о простейших автоматах.
Разгребая завалы старых журналов, я неожиданно наткнулся на древний альманах научной фантастики Galaxy от июля 1955 года. Там среди рассказов и повестей о полетах в космическое пространство неожиданно обнаружилась научно-популярная статья, подписанная знакомой фамилией Вилли Лей. Текст ее показался настолько интересным даже сейчас, спустя 70 лет после публикации, что я решил поделиться переводом. По моему мнению, читателей Pro Космоса удивят предсказания писателя, которые сбылись с поразительной точностью.
Вилли Лей предвидел появление не громоздких пилотируемых кораблей, как думали тогда почти все, а простых автоматов, способных передавать телеметрические данные. И это было во времена, когда мир уже грезил космосом, но полет еще казался далекой мечтой.
Что предшествовало спутникам
«… Как я уже писал для журнала Galaxy, идея создания искусственного спутника формировалась медленно, хотя с того момента, когда ее выдвинули, прошло чуть больше одного поколения.
Пионеры ракетостроения, такие как Константин Циолковский и Герман Оберт, в начале 1920-х предполагали, что с помощью мощных ракет можно будет вывести на околоземную орбиту большой пилотируемый космический корабль. После проведения научных исследований его можно будет оставить на орбите, а пилота возвратить на Землю в корабле меньшего размера. Это предложение легло в основу концепции пилотируемой космической станции.
На протяжении многих лет идея развивалась; ее кульминацией можно считать проект орбитальной станции — «колеса», опубликованный Вернером фон Брауном на страницах журнала Collier. Удивительно: говоря о кораблях и станциях с человеком на борту, никто не задумывался о беспилотных спутниках.
Пионеры ракетной техники четко представляли «дорожную карту» будущего. Они предполагали, что все начнется с небольших ракет на жидком топливе, которые должны были доказать, что могут просто летать. Как только появятся функционирующие ракеты, будет изучаться возможность их улучшения.
Со временем возникнет первая полезная разработка: высотная исследовательская ракета с регистрирующими приборами. Она станет основой для создания ракеты дальнего действия — и как системы вооружения, и как средства доставки грузов. Предполагалось, что как только ракета дальнего действия достигнет больших размеров, она превратится в пилотируемый корабль, способный сначала подниматься за пределы атмосферы, а затем и выходить на околоземную орбиту.
Эти предсказания не только сбылись, но и реализовались. Интересно, что в ранних прогнозах не упоминались спутники без экипажа. Оглядываясь назад, можно назвать несколько причин, почему об этом не подумали.
В эпоху, когда пионеры ракетной техники говорили о создании высотных исследовательских аппаратов, предполагалось, что после запуска ракета и ее оборудование будут возвращаться на землю с помощью парашюта, если такое решение окажется практичным. После приземления регистрирующее оборудование найдут, а данные с него проанализируют.
Хотя некоторые небольшие жидкостные ракеты действительно возвращались на землю с помощью парашютов, этот метод не прижился. За время, которое потребовалось для развития высотных ракет, появилась новая технология, которая называется телеметрией. Она заключается в том, что научные приборы передают данные своих измерений на Землю через автоматический радиопередатчик.
Для каких задач нужны спутники
Кажется, что без телеметрии беспилотный искусственный спутник будет бесполезен. В чем смысл отправлять на орбиту вокруг Земли научные инструменты, если для их возвращения требуется пилотируемый корабль? Логичнее было бы ожидать, что для сбора данных будет использоваться сам такой корабль.
Однако теперь у нас есть телеметрия, и это меняет ситуацию. Комплекс приборов, вращающихся по орбите, мог бы предоставлять информацию о том, насколько сильно ракета нагревается под воздействием Солнца и как быстро остывает в тени Земли. Он мог бы подсчитывать количество космических лучей и передавать эти данные на наземную станцию. Также он мог бы фиксировать соударения с частицами космической пыли.
Предлагалось разместить в приборном отсеке спутника небольшую герметичную кабину с подопытным животным. Наблюдение за поведением и реакциями животного в условиях невесомости в течение нескольких дней полета могло бы значительно помочь в биологических исследованиях и подготовке к полету человека. В конце эксперимента животное можно было бы быстро и безболезненно усыпить, подав по команде таймера в отсек цианистую кислоту.
Зачем Россия отправляет животных в космос в 2025 году: программа «Бион»
Кроме того, искусственный спутник можно было бы использовать для решения ряда специализированных задач. Если запустить его не на экваториальную, а на наклонную орбиту, последняя постепенно смещалась бы. Это явление, известное как «движение узлов», позволило бы точно определить объем экваториальной выпуклости земного шара по скорости этого смещения.
Спутник, выведенный на орбиту, которая проходит и над северным, и над южным полюсами, можно было бы оснастить специальными приборами для изучения магнитного поля нашей планеты. Кроме того, так можно составить представление о космических лучах и их распределении у Земли.
Если бы у нас был один спутник, который двигался бы на определенной высоте над экватором и был оснащен датчиками для регистрации столкновений с космическими частицами, и другой аппарат, движущийся по орбите над обоими географическими полюсами и оснащенный таким же набором инструментов, мы бы быстро выяснили, существует ли зона более высокой концентрации космической пыли над экватором (или в плоскости эклиптики), что является теоретически возможным.
Другой и довольно очевидной задачей спутника было бы продемонстрировать, насколько сильно аэродинамическое сопротивление на такой высоте в данный момент времени. Ведь это уже не атмосфера (там ее, скорее всего, почти нет), но какие-то остатки. В настоящее время нет никого, кто мог бы точно назвать цифры остаточного лобового сопротивления, скажем, на расстоянии 250 км от поверхности. Однако многие специалисты (например, военные) готовы расстаться с месячной зарплатой, чтобы это выяснить.
Для того, чтобы сделать это, надо вывести искусственный спутник на орбиту высотой 250 км и наблюдать за его движением. Остаточное сопротивление атмосферы заставит орбиту спутника постепенно снижаться, и в конце концов он сгорит, как метеор. Скорость этого снижения покажет, насколько сильно аэродинамическое сопротивление. Когда вопрос будет решен для этой высоты, эксперимент можно будет повторить на орбите высотой 400–500 км.
Конечная цель подобных работ — пилотируемая космическая станция: инженеры хотят быть уверены, что на высоте ее полета сопротивление атмосферы не будет слишком сильным.
На какой высоте находится МКС и почему она не падает на Землю
Нужны ли спутникам приборы
Удивительно, но если подумать, можно прийти к выводу, что многие научные и прикладные задачи можно решить… без установки приборов на спутник! В некоторых случаях ответы на вопросы находятся из простого наблюдения за орбитальным движением аппарата. Это означает, что первый искусственный спутник (а, возможно, даже первые два или три) может обойтись без регистрирующих приборов. Анализ его поведения мог сам по себе помочь в фиксации некоторых явлений.
Отсюда возникла идея создать спутник совсем без научных приборов. Запустив на орбиту, например, большой пучок хлопковой ваты и пронаблюдав за ним с Земли, мы бы получили данные (например, об аэродинамическом сопротивлении на большой высоте), достать которые невозможно никаким иным способом.
Как был устроен первый искусственный спутник Земли
Такой спутник был бы значительно дешевле, чем сложный приборный комплекс, и, вероятно, для его запуска потребовалась бы более легкая ракета. Все, что действительно требуется в этом случае — это возможность визуального и фотографического наблюдения с Земли, а также отражение радиолокационного сигнала.
Какого размера спутник подойдет для этой цели? Из опыта проведения лекций я знаю: предметы, которые наблюдают на большом расстоянии, кажутся больше, чем есть на самом деле. Особенно это заметно в космосе.
Недавно один читатель прислал мне вырезку из газеты. В ней рассказывалось об астрономе-любителе. Он заявил, что открыл вторую луну Земли! По его оценкам, она находилась на расстоянии 660 км от нашей планеты. Астроном утверждал, что луна довольно маленькая, «возможно, менее ста футов (30 метров) в диаметре». Я взял это утверждение в кавычки, потому что неясно, была ли это дословная цитата или замечание репортера.
Ответ на эту историю прост: вторую луну Земли давно бы заметили. Если бы она действительно существовала на таком расстоянии и имела диаметр около 30 метров, ее можно было бы увидеть невооруженным глазом при благоприятных условиях — на рассвете или в вечерних сумерках. «Луна» могла бы быть тусклой, но ее движение было бы заметно.
И для этого не нужен 500-сантиметровый рефлектор или 122-сантиметровая камера Шмидта. Недавно Клайд Томбо, который занимается поиском малых спутников Земли и изучением рельефа Марса, заявил, что мог бы обнаружить ракету типа «Фау-2» чуть ли не у Луны (на расстоянии в 380 тысяч км от Земли) или теннисный мяч на расстоянии 1600 км. Но при условии, что оба предмета будут окрашены в белый цвет. Это относится скорее к фотографическому, чем к визуальному обнаружению, но показывает, что сделать это можно. Таким образом, беспилотный искусственный спутник, не оснащенный приборами, может не иметь больших размеров.
Одним из предложенных вариантов является использование шара из нерастягивающегося белого пластика, отражающего радиолокационные сигналы. Шар размещается в носовой части ракеты. «Носик» будет состоять из нескольких секций, скрепленных пироболтами. Их можно взорвать с помощью часового механизма или радиокоманды с Земли.
То же устройство, синхронизирующее работу механизмов, откроет клапан крошечного баллончика с газом, который надует пластиковый пузырь. Давление внешней среды равно нулю, поэтому для наполнения шара потребуется совсем немного газа. Из-за отсутствия внешнего давления сферическая форма сохранится, даже если оболочку пробьет метеорит. Именно поэтому шар должен быть неэластичным и надуваться лишь для того, чтобы принять нужную форму.
Вот еще одна идея для простого спутника без приборов: использовать баллон под давлением, заполненный пластиковой пеной, похожей на крем для бритья. Для этого понадобится только таймер, который откроет клапан, когда ракета достигнет орбиты. Вес такого спутника будет минимальным — всего 3-4 кг. Однако размера пузыря хватит, чтобы его можно было засечь с помощью несложной наземной оптики (бинокля или подзорной трубы), радиолокаторов или даже невооруженным глазом на рассвете или в сумерках, когда спутник освещен солнцем, а наблюдатель находится в тени Земли.
Запуск спутника в космос: основные сложности
Рассмотрим, насколько трудно будет отправить непилотируемый искусственный спутник в космос.
Для того, чтобы тело всегда находилось на одинаковом расстоянии от поверхности Земли, оно должно двигаться с круговой скоростью, которая также называется первой космической. Она равна квадратному корню из выражения g (r + h), где g — ускорение свободного падения, r — радиус Земли, а h — расстояние от поверхности Земли.
Если h равно нулю (соответствует уровню поверхности нашей планеты), то круговая скорость составляет 7,89 км/сек. Это скорость, с которой спутник двигался бы по орбите, если она пролегала непосредственно у поверхности Земли. Однако это невозможно из-за особенностей земного рельефа и сопротивления воздуха.
На высоте 1600 км необходимая скорость составляет 7 км/сек, а на расстоянии в четверть миллиона км — всего 1 км/сек.
Эти цифры могут ввести в заблуждение. Хотя скорость движения спутника уменьшается по мере удаления орбиты от Земли, это не означает, что запустить спутник на высоту 10000 км проще, чем на 500 км. Для достижения большей высоты орбиты требуется больше топлива. Поэтому самый экономичный спутник с точки зрения расхода топлива — тот, что летит как можно ближе к Земле, насколько позволяет атмосфера.
Предположим, что ему нужна орбитальная скорость 7,3 км/сек. Ракета должна развить эту скорость, двигаясь параллельно Земле. В процессе выведения на орбиту ей надо выйти из атмосферы, преодолев земное притяжение и сопротивление воздуха.
При вертикальном подъеме ракета преодолеет атмосферу быстрее всего, но вектор ее скорости в конце пути не совпадет с направлением движения по орбите. Поэтому ракеты дальнего действия стартуют почти вертикально, а затем постепенно наклоняются в нужном направлении. Угол наклона уменьшается, пока не достигнет примерно 45°, что обеспечивает максимальную дальность при заданной скорости. Для запуска спутника угол наклона траектории должен быть еще меньше.
Какой должна быть ракета: деление на ступени
В первой половине 1950-х ни одна из имеющихся ракет не была способна выйти на орбиту. Чтобы это сделать, соотношение стартовой массы к конечной должно быть примерно 40:1. То есть ракета при пуске должна весить в 40 раз больше того, что при выходе на орбиту. Очевидно, что создать одноступенчатую ракету с таким весовым совершенством невозможно.
Решение — использовать многоступенчатую систему. Первая ракета несет вторую, которая, в свою очередь, несет третью. Это позволяет избавиться от лишнего веса сразу после начала полета.
Общее правило для определения конечной скорости ракеты гласит: если соотношение начальной и конечной масс составляет 2,72:1, то скорость ракеты становится равной скорости истечения газов. Однако это правило не учитывает топливо, необходимое для преодоления силы тяжести и сопротивления воздуха. Для более точного расчета нужно внести дополнительные поправки.
Предположим, что скорость истечения газов из двигателя при сгорании топлива составляет 2,4 км/сек — немного больше, чем у «Фау-2» (это лишь демонстрация принципа, а не предложение особой конструкции). При массовом соотношении 2,72:1 скорость ракеты будет равна скорости истечения газов — 2,4 км/сек. Если увеличить массовое соотношение до 3,5:1, скорость ракеты составит 5/4 от скорости истечения, а это 3,01 км/сек.
Чтобы запустить искусственный спутник, ракета в конце полета должна развить скорость более 7,3 км/сек, а с учетом запаса на подъем и преодоления сопротивления воздуха (гравитационные и аэродинамические потери) — более 9 км/сек. Это означает, что для достижения орбиты нужна трехступенчатая ракета, обладающая весовым совершенством каждой ступени не менее 3,5:1.
Приблизительный расчет показывает, что для запуска полезной нагрузки (спутника без научных приборов) в 4 кг стартовая масса ракеты составит 17144 кг. Это примерно в полтора раза больше, чем у «Фау-2».
Как запускать ракету: из готовых элементов или с аэростата
Инженер-ракетчик, проектирующий трехступенчатую ракету для вывода на орбиту искусственного спутника, не начал бы работу с чистого листа. Он бы проанализировал существующие ракеты и попытался адаптировать их для создания трехступенчатой конструкции с минимальными изменениями.
В процессе строительства двухступенчатых ракет для рекордного проекта «Бампер» были использованы уже существующие и доступные на тот момент модели. Для первых ступеней применялась «Фау-2», а для вторых — ракета WAC Corporal. Хотя все, включая разработчика, понимали, что специально созданная вторая ступень показала бы гораздо лучшие результаты.
Для трехступенчатой ракеты, которая должна была вывести на орбиту спутник, инженер мог выбрать три разных доступных ракеты, которые в совокупности обеспечили бы необходимую скорость. Однако в некоторых случаях ему пришлось бы ограничиться двумя ступенями и разработать промежуточную ступень для достижения требуемой скорости.
В докладе, который был представлен на девятом ежегодном собрании Американского ракетного общества в декабре 1954 года, был предложен интересный подход с дополнительной идеей.
Доктор Ван Аллен за последние несколько лет достиг значительных успехов, запуская твердотопливные ракеты Deacon с высотных воздушных шаров. Благодаря тому, что шар доставлял ракету туда, где сопротивление воздуха минимально, ракета работала в идеальных условиях, позволяя достичь высокого ускорения.
Курт Штелинг из Bell Aircraft Co. и Раймонд Миссерт из Университета Айовы, предложили вывести на орбиту искусственный спутник массой 13,6 кг с помощью ракеты стартовой массой 6140 кг, запускаемой с воздушного шара. Характеристики комбинированного аппарата (первая ступень — твердотопливная, вторая и третья ступени — жидкостные) выглядят разумными, и ракеты с такими параметрами, скорее всего, существуют. Но вот воздушный шар (или, скорее, стратостат) с подобными характеристиками кажется фантастикой…»
Пророчества Вилли Лея актуальны до сих пор
Книга Вилли Лея «Ракеты, управляемые снаряды и путешествия в космос» (Rockets, Missiles, and Space Travel) впервые увидела свет в мае 1944 года. В 1947-м вышло расширенное издание, а окончательное название появилось в 1951 году. С тех пор книга переиздавалась многократно, в том числе выходила и на русском языке. С каждым выпуском Лей дополнял и обновлял ее, включая в издание собственные актуальные материалы из СМИ.
Статья Вилли Лея, опубликованная в альманахе научной фантастики Galaxy 1952 года, удивительно точно предсказала облик пилотируемого космического корабля почти за десятилетие до первого полета человека в космос. А статья, вышедшая в 1955 году (ее краткий перевод представлен выше), с поразительной точностью описала, какими будут первые искусственные спутники.
Последнее издание «Ракет», опубликованное в 1957 году, всего за несколько месяцев до запуска Первого советского спутника, представляет собой всеобъемлющую историю космических путешествий с древних времен до современности. В книге также есть краткий обзор развития ракет начиная с 1920-х. Я рекомендую эту книгу всем молодым людям, интересующимся космонавтикой. Она актуальна и сегодня.
Советский Союз запустил первый в мире искусственный спутник Земли 4 октября 1957 года. Какие страны вслед за СССР смогли самостоятельно запустить свои спутники в космос — подготовили подборку.
