История космического соперничества СССР и США
Шрифт:
Мы иногда думаем, что «космос» — это то же самое, что и высота. Если подняться очень высоко, вы окажетесь в космосе. Однако на практике самое главное для ракеты — выйти на орбиту, и это зависит от скорости, а не от высоты. Некоторые из экспериментальных ракет ФАУ-2, запущенные с ракетного полигона Уайт Сэндз, достигали кромки космоса — поднимались достаточно высоко, чтобы сфотографировать кривизну Земли — но они падали назад на Землю. Давайте перестанем вспоминать фантастику, в реальности вы не начнете парить в космосе, как только достигнете «космической высоты». Даже если космический корабль набрал необходимую скорость, он все еще падает, как это было с ракетой ФАУ-2, но достигнув орбитальной скорости, он движется вперед так быстро, что «падает» по кривой к Земле и продолжает свое падение по замкнутой траектории. Вот почему астронавты, находясь на орбите, испытывают чувство свободного падения, похожее на чувство, которое вы испытываете, когда совершаете прыжок с высоты: они буквально все время падают. Вот почему ракету сразу после взлета начинают отклонять в сторону: она должна выйти на свою орбитальную траекторию.
Поэтому механика выхода на орбиту прежде всего должна обеспечить достижение очень высокой скорости, а не очень большой высоты. Космос, по международному соглашению, начинается на высоте всего лишь 100 км. Гагарин облетел Землю на высоте 300 км, близкой к обычной высоте полетов космических «Шаттлов», а космический корабль «Аполлон» пользовался на своем пути к Луне «парковочной орбитой» на высоте всего 185 км. Орбитальная скорость большинства
Выше орбитальной скорости скорость, необходимая для преодоления гравитационного поля Земли. И для крошечного спутника, и для огромного пилотируемого корабля она одинакова — около 40 225 км/ч. На временной орбите космический корабль «Аполлон» использовал двигатели третьей ступени, чтобы перейти от орбитальной, первой космической скорости, к скорости ухода от Земли, второй космической — чтобы преодолеть притяжение Земли и начать свое путешествие к Луне.
Скорость пули, выпущенной из самой мощной винтовки — 4344 км/ч. Этот факт поможет нам оценить силу, необходимую для ускорения всего космического корабля до 28 160 км/ч. В таком случае необходима вся возможная помощь. Даже выбор места для стартовой площадки значительно влияет на то, сколько энергии потребуется ракете, чтобы выйти на орбиту, потому что ракета может «занять» скорость у самого вращения Земли. Земля вращается на восток со скоростью, которая изменяется в зависимости от высоты. В нескольких метрах от Северного полюса скорость вращения крайне мала, но на экваторе поверхность планеты движется со скоростью, равной приблизительно 1670 км/ч. Двигатели ракеты только выигрывают от того, что могут воспользоваться любой возможной помощью, поэтому ракеты обычно запускают на восток, чтобы добавить планетарную скорость вращения. Ракетчики также просят строить их стартовые площадки по возможности ближе к экватору, чтобы максимально воспользоваться свободной скоростью. В 1952 году Вернер фон Браун признался, что фактор помощи вращения будет столь важным, что потребует от США расположить свой главный ракетный полигон на острове Джонстон в Тихом океане. Огромная стоимость транспортировки грузов на эту удаленную точку будет, как он представлял, компенсироваться выигрышем кинетической энергии, обеспечиваемой расположением ближе к экватору. Принцип использования скорости вращения заставил писателя-фантаста Жюля Верна в 1865 году разместить его воображаемый американский космический полигон во Флориде, самом южном континентальном штате США. Очень высокая стоимость доставки материальной базы на остров в Тихом океане заставила создать космический центр НАСА имени Кеннеди в штате, который предсказал Жюль Верн, естественно на Атлантическом побережье, так как запуски будут осуществляться в восточном направлении.
У русских было менее выгодное географическое расположение, так как в СССР не было территорий, расположенных особенно близко к югу. Для максимального использования скорости вращения они были вынуждены обосноваться в удаленном местечке в Казахстане. Расположенный на широте 45°57' космодром на Байконуре имеет ту же широту что и Северная Дакота. А расположенный еще ближе к северу космодром в Плесецке (на той же широте, что и Аляска) был построен для обслуживания спутников, запускаемых на полярные орбиты, которые не могут использовать скорость вращения Земли, а также для советских МКБР. Соединенные Штаты построили соответствующую стартовую площадку для полярных орбитальных запусков на побережье Калифорнии, к северу от Лос-Анджелеса, на базе военно-воздушных сил Ванденберг.
Физики XIX столетия прекрасно умели решать уравнения для расчета силы тяги и вычислять величину тяги, заключенной в данном количестве жидкого ракетного топлива. Они думали, что доказали невозможность создания орбитальной ракеты. Они обнаружили парадокс, заключавшийся в том, что любая ракета, достаточно большая, чтобы нести в себе необходимое количество топлива, будет слишком тяжелой для этого топлива и не сможет выйти на орбиту. Делайте ракету больше или меньше — любая реальная конструкция, достаточно прочная, чтобы содержать в себе это топливо, будет слишком тяжелой для этого топлива, чтобы с его помощью можно было придать ей орбитальную скорость. Физики и инженеры подходили к решению этой задачи с разных сторон, но она казалась неразрешимой.
Спустя годы, когда Вернер фон Браун и его команда разработали в Германии ракету ФАУ-2, они совершили столько инженерных открытий, что британская разведка сочла первые сообщения о ракете фикцией, все еще доверяясь старым парадоксальным уравнениям. Хотя модифицированная ФАУ-2 смогла достичь космоса, после этого она снова падала на Землю. Но фон Браун знал, что делать дальше.
Русский теоретик Константин Циолковский в начале XX века разрешил этот парадокс, выдвинув идею ступеней. Ракета, построенная с сегментарными топливными баками, по мере того как они пустели, могла сбрасывать их, сокращая общий вес оставшегося на ракете топлива. К тому времени, когда останется последняя ступень, топливо будет необходимо лишь для небольшого космического корабля, и у него будет возможность вывести корабль на орбиту. Но конструирование такого достаточного легкого космического корабля все еще было сложной, но уже выполнимой задачей. Многоступенчатая ракета давала реальный шанс выйти на орбиту.
Полуостров Флорида с борта «Аполлона-7», 7 апреля 1968 года
Это и было решением, которым воспользовались участники космической гонки: первые спутники были выведены на орбиту многоступенчатыми ракетами. Советская Р-7 состояла из основной части ракеты со спутником в носовом конусе, четыре «пристегнутых» дополнительных ускорителя обеспечивали тягу при запуске и сбрасывались, когда топливо сгорало, оставляя центральный ракетный двигатель маршевой ступени, который и вел ракету, которая стала легче, ввысь. Первый американский спутник «Эксплорер-1» был выведен в космос с помощью вертикальной связки из четырех ступеней, если считать и ракету, куда был встроен спутник. Вначале для запуска таких ракет нужно было учитывать буквально последние граммы тяги.
Для размещения более тяжелой полезной нагрузки требовались большие по размеру ракеты, которые и США, и СССР продолжали выпускать в последующие несколько лет. С обеих сторон инженеры искали творческие решения для улучшения полетных характеристик своих ракетных конструкций. Конечно, чтобы ракета поднялась, требовалась минимальная конструкция. Американские конструкторы ракеты «Атлас» решили для экономии веса сделать топливные баки более тонкими не толще монеты в 10 центов. Осуществление такого проекта привело к созданию, по сути гигантского воздушного шара из нержавеющей стали. Этот сверхтонкий бак не мог выдержать даже собственный вес, и консервативные немецкие инженеры команды фон Брауна сомневались в таком радикальном решении. Фокус заключался в том, что построенная таким образом ракета будет прекрасно стоять, пока в ней находится закачанный под давлением воздух или топливо. Подобно воздушному шару, бак, когда заполнился сжатым топливом, становится достаточно жестким, чтобы выдержать даже нагрузки, возникающие при запуске. «Атлас» действительно взлетел, в конце концов, достаточно успешно, чтобы Джон Гленн полетел в своей капсуле «Меркурий» на борту такой ракеты.
С тех пор инженеры ищут все новые ракетные характеристики, создавая легкое топливо, такое как жидкий водород, и более мощные ракетные двигатели разных типов. Однако за последние 50 лет основные принципы ракетостроения не изменились, и чтобы достичь орбиты, ракеты все еще должны быть многоступенчатыми и максимально использовать силу вращения Земли.
Джон Гленн позирует рядом с капсулой «Фрэндшип-7», с которой он вышел на орбиту, февраль 1962 года
6. Оживление космической гонки
Двадцатого февраля 1962 года глаза нации с пристальным вниманием были обращены на мыс Канаверал. В этот день первый американец должен был оказаться на околоземной орбите. Астронавт «Меркурия»
В качестве носителя была выбрана модернизированная ракета «Атлас», приспособленная НАСА для пилотируемых полетов. В носовой части Гленн занимал крошечное место в корабле «Фрэндшип-7», маленьком конусообразном командном модуле. Полчища репортеров со всех основных средств массовой информации прибыли на мыс, передавая непрерывные телерепортажи от рассвета до заката. Комфортная температура — около 22 °C — привлекла огромные толпы зевак, которые собрались на близлежащих пляжах, чтобы наблюдать за запуском. Мыс Канаверал приобрел новую славу как плацдарм для американской, все еще неблагополучной космической программы. За четыре года после запуска советского спутника НАСА оставило свой след на мысе в виде монтажно-испытательных корпусов, ангаров, стартовых площадок и вспомогательных полигонов. Большинство американцев смотрели на успешный запуск корабля «Фрэндшип» в рамках проекта «Меркурий» как на возможность восстановить национальный престиж и сократить имеющийся разрыв с русскими.
Долгожданный полет Гленна откладывался не менее десяти раз. Первый раз НАСА объявило датой запуска 16 января 1962 года. Столкнувшись с техническими трудностями, связанными с топливными баками «Атласа», НАСА отменило назначенную дату. Время запуска назначалось с ошеломляющей непредсказуемостью, а затем в последнюю минуту все отменялось — и так день за днем. Техники НАСА сражались с постоянной технической неразберихой и плохой погодой. Для Гленна и огромной армии зрителей напряжение достигло высшего уровня 27 января, когда обратный отсчет дошел до отметки «осталось 20 минут» — и старт был отложен — на этот раз по велению Господа Бога, так как тяжелые тучи внезапно повисли над полигоном мыса Канаверал.
Январь сменился февралем, а техники НАСА теперь пытались устранить утечку топлива в ускорителе «Атласа». Решив эту проблему, НАСА назначило запуск на 15 февраля — и опять безуспешно, из-за наступившей ненастной погоды. Наконец наступило многообещающее 20 февраля — не было явных технических отказов, и была великолепная погода. Отсрочки, которые назначались при полном стечении народа, усилили общее понимание того, что Соединенные Штаты действительно отстают от русских. Годом раньше русские совершили два орбитальных полета. Первый полет, совершенный Юрием Гагариным, стал поразительным событием — человек впервые полетел в открытый космос. Герман Титов во время своего полета 17 раз облетел Землю. Но даже опережаемое русскими НАСА настойчиво шло по намеченному пути, уверенное в гарантированности конечного успеха, и стремилось убедить в этом же общественность.
Гленн сочетал в себе самоотверженность и пыл летчика-испытателя. Многим он казался настоящим олицетворением героической ауры, окружавшей астронавтов проекта «Меркурий». Гленн знал о риске, связанном с запуском 20 февраля. В то время он не упоминал об этом преследовавшем его призраке, но спустя десятилетия признался в донимавших его сомнениях, которые он и другие испытывали относительно ракеты-ускорителя «Атлас». Это общее дурное предчувствие возникло в связи с инцидентом во время первого месяца их подготовки, когда вся команда астронавтов «Меркурия» прибыла на мыс для наблюдения за запуском ракеты «Атлас». В то время «Атлас» претерпел ряд модификаций, приспосабливающих его для использования в качестве ракеты-носителя будущих полетов по проекту «Меркурий». Этот процесс подгонки для пилотируемых полетов казался завершенным или почти завершенным.
Для запуска «Атласа» астронавтов поместили на операторскую площадку всего лишь в 365 м от стартового стола. Ясная и безоблачная ночь прекрасно подходила для наблюдения за запуском с этого идеального наблюдательного пункта. В момент зажигания яростная сила ракетных двигателей с могучим ревом вытолкнула «Атлас» в небо. Ослепительный свет от ракетной струи осветил огромную территорию стартовой площадки, и «Атлас» безукоризненно последовал по запланированной траектории вверх, в ночное небо. Затем на высоте около 11 км в точке максимального скоростного напора, или максимального аэродинамического давления, ракета внезапно взорвалась. Со слов Гленна, это выглядело, будто взорвалась атомная бомба. Попытка вселить уверенность в астронавтов и упрочить доверие к программе «Меркурий» провалилась. НАСА продолжало совершенствовать «Атлас», в итоге удалось добиться успеха и превратить ее в надежную ракету. Однако, как позже признался Гленн, воспоминания об этом злополучном ночном запуске засело в его памяти, когда в то февральское утро он вступил на борт корабля «Фрэндшип-7».
Гленн терпеливо переждал 2 часа 17 минут предстартовых задержек, но когда двигатели «Атласа» с ревом ожили, «Фрэндшип-7» медленно поднялся со стартового стола на мысе Канаверал в мощном облаке огня и дыма и всего лишь за 13 секунд достиг околозвуковой скорости. Через 2 минуты 14 секунд полета двигатели ускорителя отключились и были сброшены. По расписанию система аварийного спасения тоже была сброшена. Когда космический корабль слегка наклонился в плоскости тангажа, Гленн впервые увидел Землю с орбиты. Даже когда он следил за контрольными приборами и совершал необходимые проверки систем, он находил время, чтобы выглядывать в иллюминатор своей пилотской кабины и фотографировать с орбиты разворачивающиеся перед ним картины. Когда «Фрэндшип-7» приблизился к Атлантике, стали видны Канарские острова и далекие берега Африки. Небо над ним стало черным, его необъятный купол обрамлял далекий горизонт со своими постоянно меняющимися оттенками синего цвета. Когда он посмотрел вниз, то увидел плотные формирования облаков. В это время, находясь в невесомости, он двигался по орбите со скоростью около 28 000 км/ч на высоте 200 км над поверхностью планеты. Взлет и первые этапы полета прошли благополучно. Отделившаяся ракета «Атлас» теперь следовала позади корабля «Фрэндшип-7», хаотически кувыркаясь и медленно исчезая из поля зрения. Сообщение Гленна в Центр управления полетом, что вид «потрясающий» было слишком лаконичным и никоим образом не соответствовало волнующему событию полета вокруг Земли.
Первые три витка прошли большей частью спокойно. «Фрэндшип-7» пересек Африку над Нигерией, где НАСА установило одну из своих станций слежения, позволяющей осуществлять регулярную связь и точное управление орбитальной капсулой. После пересечения Африки Гленн полетел через Индийский океан по направлению к Австралии. Отсюда он смог увидеть свой первый закат Солнца. После прохода через ночную фазу последовал потрясающий восход. При такой скорости полета ночь длилась всего 45 минут. Каждые пять минут Гленн перенастраивал радиосвязь со все новыми лицами, ведущими переговоры со станций слежения, которые были расположены вдоль орбитальной траектории. Во время этого первого витка Гленн доложил об одном странном явлении — появлении «светлячков» или сверкающих световых пятен с внешней стороны капсулы. Это особенное и непредвиденное событие, повторившееся в дальнейшем во время полета Скотта Карпентера, озадачило Гленна. Позднее оно получило объяснение: это были ледяные кристаллы, образовавшиеся из жидкости, которая осталась на стенках капсулы.
Однако полет «Фрэндшип-7» вскоре столкнулся с рядом настоящих проблем: одна была незначительной, другая представляла угрозу для жизни. Уже до окончания первого витка Гленн заметил, что автоматическая система управления положением корабля неисправна и создает постоянный крен вправо. Чтобы исправить эту ситуацию, он перешел на ручное управление и вернул корабль на заданную траекторию. Вторая проблема заключалась в том, что представители НАСА, ведущие переговоры с астронавтом, не успели сообщить Гленну о тревожной телеметрии, согласно которой тепловая защита корабля «Фрэндшип-7» и сжатый посадочный амортизатор не установились в заданном положении. Если эти данные были точны, крайне важная тепловая защита удерживалась на месте только креплениями тормозных ракет. Повторные данные, поступавшие из центра управления НАСА относительно этой проблемы, были весьма неопределенными. Только со временем Гленн осознал всю сложность проблемы и позже выразил резкое недовольство тем, что от него это скрыли. Гленна, летчика-испытателя с большим стажем, возмутило такое нарушение установленного порядка. Он как-то заметил: если руководители полета из НАСА считают, что от пилота следует скрывать информацию, то пилот не должен находиться в кабине корабля.