Пол Парсонс

Всё о космических путешествиях за 60 минут

Paul Parsons

10 Short Lessons in Space Travel

© Michael O'Mara Boob 2020

© Ивашечкин А. А., пер. с англ., 2021

© ООО «Издательство ACT», 2021

* * *

Предисловие

Среди моих самых ранних детских воспоминаний – яркие образы волшебного мира. Не Нарнии[1] или Чудесного Леса[2], а красно-коричневой планеты под названием Марс. Это был 1976 год. Год, когда «Конкорд»[3] поднялся в небо, 29 стран бойкотировали Олимпийские игры в знак протеста против апартеида в Южной Африке и в продаже впервые появились видеокассеты VHS. Также в этом году, 20 июля, чуть более чем за месяц до моего пятого дня рождения, «Викинг-1» в рамках миссии NASA совершил посадку на Марс и отправил первые снимки, сделанные с его поверхности. Я помню, как смотрел новости, где сообщали, что посадочный модуль космического аппарата сел на усыпанную камнями марсианскую поверхность. А потом показали удивительные панорамы ржаво-красного мира с бледно-лососевым небом. Я был в восторге!

Фотографии «Викинга-1» позволили ощутить реальность космоса. Его осязаемость. Уже были снимки, сделанные космонавтами с околоземной орбиты и с поверхности Луны, и изображения далеких планет, подобных Юпитеру, полученные астрономами с помощью телескопов. Совершенно невероятные кадры! Но все, что на них было запечатлено, казалось далеким и абстрактным – настолько, что с трудом удавалось связать это с реальным миром. Фотографии же, сделанные «Викингом-1», а затем и «Викингом-2», приземлившимся на Марсе два месяца спустя, показали нам мир, который вполне можно было принять за Землю. Не составляло труда даже представить себя там, на этой Красной планете.

Сегодня мы стоим на пороге величайших открытий в сфере освоения космоса. Впервые за почти 50 лет астронавты готовы вернуться на Луну, ожидаются новые полеты на Марс и дальше. В последний раз люди ступали на поверхность Луны в 1972 году и с тех пор не выходили за пределы низкой околоземной орбиты. Новый всплеск активности, который мы наблюдаем сегодня, связан с возобновлением интереса к исследованию и научному изучению Луны американским космическим агентством NASA, в планах которого создание и вывод космической станции на окололунную орбиту, а также быстрое увеличение числа частных космических запусков и развитие индустрии космического туризма.

И все же речь идет не только о флагах и отпечатках ног. В следующем десятилетии мы станем свидетелями того, как новые роботизированные космические аппараты исследуют планеты и спутники в нашей Солнечной системе; как спускаемые аппараты пытаются обнаружить на Марсе химические и геологические следы жизни, а дроны-разведчики обозревают Красную планету с «воздуха». Огромный космический телескоп «Джеймс Уэбб» – преемник телескопа «Хаббл» – начнет выполнять свою основную миссию: изучать процесс рождения планет, звезд и первого поколения галактик (скопления множества звезд, таких как наш Млечный Путь), которые образовались миллиарды лет назад из горячего «первичного бульона» ранней Вселенной. Нас ждут новые миссии, в рамках которых космические аппараты отправятся на окраины Солнечной системы, чтобы исследовать газовых гигантов, Юпитер и Сатурн, и их спутники, где могут быть океаны с жидкой водой, скрытые подо льдом. Данные, полученные в ходе этих миссий, как в свое время результаты полетов «Викингов», наверняка вдохновят следующее поколение астрономов и других ученых, занимающихся исследованием и изучением космоса.

Эта книга представляет собой краткий обзор всего, что мы знаем о космических путешествиях начиная с XIX века: с размышлений российского пионера космонавтики Константина Циолковского и космической гонки СССР и США до программы «Спейс шаттл», строительства Международной космической станции (МКС) и удивительных концепций о путешествиях к другим звездным системам или колонизации других планет в будущем.

Исследование космоса необходимо для понимания Вселенной и нашего места в ней и однажды может оказаться невероятно важным для выживания нашего вида. Так что забирайтесь в капсулу, пристегивайтесь и наслаждайтесь полетом. Мы собираемся сделать следующий огромный скачок[4]!

Пол Парсонс

01. Как далеко мы продвинулись

Быть первым в космосе, вступить один на один в небывалый поединок с природой – можно ли мечтать о большем?

Юрий Гагарин (1961)

Чувство тревоги превратилось в тошноту, во рту пересохло. Но кто может обвинить вас? Вы оказались в капсуле на самом верху космической ракеты. Она уже готова к запуску, заправленная достаточным количеством топлива, чтобы взорваться с силой ядерного взрыва малой мощности.

Вы пробыли в кресле почти три часа, терпеливо ожидая, пока сотрудники центра управления полетами одну за другой проверят все системы космического аппарата. Все это время вы повторяли стоящую перед вами задачу. Прокручивая в уме различные непредвиденные обстоятельства. Иногда молясь. Но сейчас обратный отсчет подходит к концу.

Вы чувствуете толчок, сопровождаемый сильным грохотом. Кабина качается из стороны в сторону, а затем начинает сильно трястись – значит, запустились главные двигатели. Когда они достигают максимальной мощности, гравитация прижимает вас, словно неподъемный груз, вдавливая в кресло, в то время как тысячи тонн тяги уносят ракету с вами на борту прямо в небо.

Прошло чуть больше минуты, и вы уже летите со скоростью, превышающей скорость звука. Вы продолжаете ускоряться, завывания ветра снаружи становятся устрашающими, когда он пытается пробраться сквозь тонкую внешнюю оболочку капсулы. Вскоре раздается громкий хлопок, и вы чувствуете сильный удар в спину: первая ступень ракеты отбрасывается, запускаются двигатели второй ступени. Вы на высоте 60 км и летите со скоростью почти 10 000 км/ч, продолжая ускоряться. Постепенно небо чернеет, и, когда атмосфера становится тоньше, ветер и грохочущие вибрации исчезают.

Теперь вы достигли орбиты вокруг Земли. Вы находитесь в 300 км над поверхностью нашей планеты и движетесь со скоростью около 28 000 км/ч – это 7,8 км/с, более чем в 20 раз быстрее скорости звука.

Внезапно двигатель отключается, и вы впервые чувствуете невесомость, плавно поднимаясь со своего места до тех пор, пока вас не остановят ремни безопасности. Взглянув в окно, вы видите, что внизу вращается Земля – окруженная облаками жемчужно-голубая сфера на фоне чернильной тьмы. Поздравляю: вы только что отправились исследовать заманчивое космическое царство!

Удивительнее вымысла

Научная фантастика – жанр, который отлично подходит для изложения невероятных историй, однако именно с таких историй и начался долгий путь человечества в космос.

Возможно, первый рассказ о путешествии за пределы Земли был написан сирийским писателем Лукианом из Самосаты в 160 году наглей эры. В «Правдивой истории» он рассказывает о группе моряков, чей корабль сбился с курса во время шторма. Ужасный вихрь подхватил судно и перенес его на Луну. Здесь команда обнаруживает странные формы жизни: некоторые из них преданы царю Луны, тогда как другие – царю Солнца, и они борются друг с другом за колонизацию Венеры. Но в конечном итоге воцаряется мир.

Не говорите мне, что там не место для человека. Место человека там, куда он пожелает пойти, – и он сделает все как надо, когда доберется туда.

Вернер фон Браун (1958)

Немецкий астроном Иоганн Кеплер известен своими формулировками законов движения планет в нашей Солнечной системе. Однако в начале XVII века он также написал научно-фантастическую историю под названием «Сомниум» («Сон»). В ней описывается путешествие на Луну и то, как могут выглядеть небеса с этой совершенно другой точки для наблюдения в соответствии с гелиоцентрическим взглядом Кеплера на Солнечную систему (революционным в то время).

В обеих этих историях для транспортировки бесстрашных исследователей сквозь космическое пространство используется магия. Лишь в конце XIX века авторы подобных произведений начали сокращать разрыв между причудливыми представлениями о космических путешествиях и реальными технологиями. В классическом романе Жюля Верна «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут» (1865) и его продолжении – «Вокруг Луны» – команда из трех путешественников буквально выстреливается в космос с помощью гигантской пушки. Как ни странно, пушка располагалась во Флориде, где потом появится мыс Канаверал. Позднее в романе «Первые люди на Луне» Герберт Джордж Уэллс описал космонавтов, которые отправляются на Луну, используя антигравитационное вещество под названием «кейворит».

Все цивилизации становятся космическими или вымершими.

Карл Саган (1994)

Примерно в это же время предпринимались первые шаги для превращения космических путешествий в научный факт. В 1903 году русский ученый Константин Циолковский опубликовал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в которой подробно рассказал, как использовать ракеты, чтобы покинуть Землю и летать между планетами.

17 декабря того же года в городе Китти-Хоук в США Уилбур и Орвилл Райт совершили первый полет на аппарате тяжелее воздуха. «Флайер» братьев Райт представлял собой биплан с размахом крыльев 12 метров и бензиновым двигателем мощностью в 12 лошадиных сил, запускавшим два винта. В тот день он взлетел четыре раза, и самый продолжительный полет длился 59 секунд. За это время «Флайер» преодолел расстояние в 260 метров. Не так уж и далеко, конечно, но это стало началом. Люди больше не были привязаны к поверхности планеты.

С этого момента самолетостроение развивалось уже поразительными темпами. В 1908 году французский авиатор Луи Блерио перелетел через Ла-Манш. А к началу Первой мировой войны, чуть более десяти лет спустя после первого полета братьев Райт, самолеты уже можно было использовать в качестве грозного оружия.

В ракетостроении тоже удалось достигнуть определенных успехов. Идеи Циолковского воплотил американский инженер и изобретатель Роберт Годдард. В 1926 году он запустил первую в мире ракету с жидкостным двигателем с площадки в Оберне в штате Массачусетс. Ракета под названием «Нелл» с двигателем, работавшим на бензине и жидком кислороде, поднялась в воздух на 12,5 метра за 2,5 секунды. В 1930-х годах Годдард разработал управляемые ракеты, которые могли преодолевать звуковой барьер и достигать высоты почти в 3 км.

Но Годдард был не единственным, кто проявил интерес к работам Циолковского. В Европе к числу таковых принадлежал молодой ученый-энтузиаст Вернер фон Браун, ставший техническим директором Группы ракетных исследований немецкой армии. К 1934 году характеристики их ракеты Л-2 почти сравнялись с теми, которых достиг Годдард. Но фон Браун и его команда уже работали над другим проектом – более амбициозным. В 1942 году они испытали новую ракету, получившую название Л-4. Длиной 14 метров, в десять раз длиннее Л-2, уже в свой первый полет она достигла высоты 189 км, что сделало ее первым искусственным объектом, достигшим космоса.

Хьюстон, говорит База Спокойствия. «Орел» сел.

Нил Армстронг (1969)

Позже Л-4 была оснащена взрывной боеголовкой и переименована в V-2 (V от Vergeltungswaffe – «Оружие возмездия»). Обладая дальностью полета свыше 300 км, она стала первой в мире баллистической ракетой большой дальности. В конце Второй мировой войны эти ракеты дождем обрушились на города союзников.

Холодная война

Когда война закончилась, СССР и США стали господствующими мировыми державами. И между ними началась холодная война – война на истощение, которая продолжалась до начала 1990-х годов.

Для доминирования в этот период необходимо было овладевать новыми технологиями того времени – ядерной энергией, разрушительное воздействие которой продемонстрировали США в Хиросиме и Нагасаки, и космическими полетами, чей потенциал, без сомнения, доказали ракеты V-2.

Соперничество между США и СССР по освоению космоса известно как космическая гонка. Обе стороны заполучили немецкие ракеты V-2 и запустили проекты по созданию похожих аппаратов, когда война подходила к концу. В рамках американской операции «Скрепка» нацистским ученым предоставили американское гражданство и сняли с них обвинения в совершении военных преступлений. Пенемюнде и Дора-Миттельбау, где разрабатывались и строились V-2, были концентрационными лагерями, в которых погибло свыше 10 000 человек – больше, чем от оружия, созданного заключенными.

Вернер фон Браун принадлежал к числу тех, кто был завербован в ходе операции «Скрепка». Его талант быстро признали и назначили молодого ученого директором американского ракетного проекта сначала в армии, а затем в National Aeronautics and Space Administration («Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства»), или NASA.

Советский Союз придерживался более жесткой политики по отношению к нацистским ученым: их заставляли работать над программой по разработке ракет. Ее руководителем был советский инженер Сергей Королев.

Оба государства потратили первые годы на разработку межконтинентальных баллистических ракет (МБР) – таких как V-2, но достаточно мощных для транспортировки громоздкого ядерного оружия из одного полушария в другое. Советский Союз построил «Р-7», на базе которой создали целое семейство ракет-носителей. Впоследствии на них запустили в космос аппараты «Спутник» и «Восток», а затем и «Союз» – корабли этой серии до сих пор доставляют космонавтов на МКС.

Команда фон Брауна начала работать на испытательном полигоне армии США Уайт-Сэндс в Нью-Мексико. Они построили первые в истории двухступенчатые ракеты, соединив небольшую исследовательскую ракету WAC Corporal с верхней частью V-2. В 1950 году Bumper-WAC стала первой ракетой, запущенной с недавно созданного мыса Канаверал.

Лишь в конце 1950-х годов акцент сместился с военной техники и началась собственно космическая гонка. К 1957 году обе страны объявили о намерении отправить на околоземную орбиту искусственный спутник. Первым это сделал СССР, 4 октября того же года запустив «Спутник-1», а 3 ноября – «Спутник-2» с собакой Лайкой на борту. Она стала первым животным, выведенным на орбиту вокруг Земли.

В декабре 1957 года у США дела шли все хуже и хуже: во время первой попытки запуска спутник Vanguard-TV3 эффектно взорвался на стартовой площадке на глазах представителей крупнейших мировых СМИ. Тем не менее американцы довольно быстро пришли в себя, и запущенный 31 января 1958 года с мыса Канаверал Explorer 1 вскоре достиг орбиты, где и оставался до 1970 года.

Когда я впервые посмотрел на Землю, стоя на Луне, я заплакал.

Алан Шепард (1988)

NASA было создано чуть позднее в 1958 году, и уже в следующем году оно запустило программу «Меркурий», в рамках которой планировалось отправить человека в космос с помощью ракеты «Редстоун» – одной из баллистических ракет, разработанных фон Брауном и его командой, которая базировалась в городе Хантсвилл в штате Алабама.

Но Советы вновь оказались первыми: 12 апреля 1961 года Юрий Гагарин на корабле «Восток-1» сделал один оборот вокруг Земли и вскоре совершил успешную посадку. За этим полетом последовало еще пять запусков кораблей «Восток».

США пытались наверстать упущенное. 5 мая 1961 года астронавт Алан Шепард стал первым американцем в космосе, когда космический корабль «Меркурий-Редстоун» с ним на борту совершил 15-минутный полет и достиг высоты 187 км.

Полет Шепарда был суборбитальным – короткий прыжок в космос и обратно. После этого инженеры NASA заменили «Редстоун» более мощным ускорителем «Атлас», и 20 февраля 1962 года Джон Гленн первым из астронавтов США достиг околоземной орбиты, сделав три полных оборота вокруг Земли, прежде чем капсула «Меркурия» приводнилась в Атлантическом океане 4 часа 55 минут спустя.

Первой женщиной, побывавшей в космосе, стала Валентина Терешкова, которая 16 июня 1963 года на советском корабле «Восток-6» совершила 48 оборотов вокруг Земли. Американская женщина оказалась в космосе намного позже: Салли Райд отправилась туда на борту космического челнока «Челленджер» лишь в июне 1983 года. Тем не менее женщины играли ключевую роль в космической программе США. Кэтрин Джонсон, присоединившаяся к ней в 1953 году, будучи отличным математиком, рассчитала траектории многих полетов – в том числе Шепарда и Гленна, а также «Аполлонов». А инженер-программист Маргарет Гамильтон возглавляла команду программистов из Массачусетского технологического института, разработавших все программное обеспечение для полетов «Аполлонов».

Юрий Гагарин (1934–1968)

Юрий Алексеевич Гагарин родился в СССР, в деревне Клушино Смоленской области. В начале 1950-х годов будущий космонавт работал литейщиком, а по выходным учился летать. Он поступил в аэроклуб ДОСААФ в 1955 году и в ноябре 1957 года стал офицером советских военно-воздушных сил. Гагарин проявил интерес к полетам в космос, и в 1959 году его выбрали для участия в советской космической программе. 12 апреля 1961 года он стал первым человеком в космосе, совершив один оборот вокруг Земли и благополучно приземлившись спустя 108 минут. Полет на «Востоке-1» стал для Гагарина единственным путешествием в космос. После он работал над проектами космических кораблей и участвовал в подготовке космонавтов. Погиб Гагарин в результате несчастного случая: 27 марта 1968 года реактивный самолет «МиГ-15УТИ», который он пилотировал, разбился неподалеку от деревни Новоселово во Владимирской области.

Мы решили лететь на Луну[5]

В сентябре 1962 года, после заявления президента Джона Кеннеди о намерении отправить людей на Луну, NASA запустило проект «Джемини», в рамках которого астронавтам предстояло овладеть сложными навыками и достичь определенного уровня технического мастерства, что было необходимо для пилотирования космического корабля к единственному спутнику Земли. Советские ученые тоже готовились к большому старту: еще в 1959 году они запустили автоматическую межпланетную станцию (АМС) «Луна-2» – первый в истории искусственный объект с Земли, достигший поверхности другого небесного тела. Первым американским аппаратом, добравшимся до Луны, стал «Рейнджер-4» в апреле 1962 года. Однако он врезался в ее поверхность и потерпел крушение.

Исследование космоса продолжится независимо от того, присоединимся мы к нему или нет. Это одно из величайших приключений всех времен.

Джон Кеннеди (1962)

Американскую программу, целью которой была высадка людей на Луне, назвали «Аполлон», и перед командой фон Брауна стояла задача разработать ракету, достаточно мощную, чтобы отправить посадочный модуль с человеческим экипажем на расстояние в 380 000 км. Результатом стала «Сатурн-5», ракета, с полным баком топлива весившая почти 3000 тонн и достигавшая 111 метров в длину – это на 18 метров выше Статуи Свободы.

В то время как американцы продолжали работать над программой «Аполлон», советские инженеры готовили свой ответ на ракету «Сатурн-5»: им стала «Н-1». Однако ее создатели столкнулись со множеством проблем. Все четыре попытки запуска ракеты не увенчались успехом, а в ходе второго она взорвалась, уничтожив также площадку и окружающий ее пусковой комплекс.

Астронавты по самой своей сути безумны. И благородны.

Энди Вейр. Марсианин (2014)

В конечном итоге Америка попала на Луну первой. После ряда испытательных полетов с экипажем и без NASA решило, что готово попытаться высадить людей на Луну летом 1969 года. 20 июля астронавты Нил Армстронг и Базз Олдрин благополучно посадили лунный модуль корабля «Аполлон-11» в Море Спокойствия – гигантскую низменность на видимой стороне нашего спутника – и Армстронг стал первым человеком, ступившим на поверхность Луны.

За этим последовали еще шесть полетов «Аполлонов», во время которых астронавты проводили на Луне геологические изыскания и научные эксперименты. Последний запуск в рамках программы, корабля «Аполлон-17», состоялся в декабре 1972 года. В общей сложности на поверхность Луны высадились 12 астронавтов, и с тех пор ни США, ни какое-либо другое государство не отправляли людей на Луну.

Смелый шаг

С окончанием космической гонки темпы развития пилотируемых космических исследований замедлились. Стоимость программы «Аполлон» составила примерно 153 миллиарда долларов, и теперь, когда ключевые цели были достигнуты, общественная и политическая потребность в подобных расходах постепенно сходила на нет.

Многие жалуются на отсутствие прогресса с 1960-х годов. И все же в те места, куда перестали отправлять людей, начали летать роботы. В области разработки роботизированных космических аппаратов произошел подъем, так как последние стали более надежным и экономически эффективным способом исследования космического пространства. Автоматические зонды побывали уже на всех планетах нашей Солнечной системы, совершив посадку на многие из них, получив потрясающие снимки и научные данные. Ну а «взгляд» космических телескопов, летающих над земной атмосферой, простирается еще дальше: благодаря им мы видим захватывающие панорамы Вселенной и раскрываем ее секреты.

В 1973 году оборудование, оставшееся после программы «Аполлон», использовали для запуска космической станции Sky/ab и для доставки экипажей на орбитальную станцию и обратно. Два года спустя произошла историческая стыковка американского и советского кораблей «Аполлон» и «Союз», что ознаменовало новый период разрядки между двумя бывшими соперниками.

СССР также самостоятельно запустил ряд космических станций, начиная с тех, что отправились в космос в рамках программы «Салют» в 1970-х годах. В 1986 году к работе приступила научно-исследовательская орбитальная станция «Мир», с которой связано много космических рекордов, действующих до сих пор. Космические станции представляли собой нечто вроде лаборатории, где можно изучать долгосрочные последствия космических путешествий для человеческого организма, а также плацдарма для исследований Солнечной системы.

С этой целью в 1981 году стартовала американская программа «Спейс шаттл», в рамках которой должна была осуществляться транспортировка грузов и людей на околоземную орбиту и обратно. Одна из ее главных задач состояла в том, чтобы облегчить строительство новой космической станции – совместного проекта разных стран. До сих пор все космические корабли были одноразовыми, однако шаттл можно было использовать несколько раз, и, вместо того чтобы приводняться в море, он садился на взлетно-посадочную полосу, как самолет.

Первые части МКС были выведены на орбиту в 1998 году. Для строительства станции потребовалось более 40 сборочных рейсов шаттла, а также российских ракет-носителей «Протон». Достигающая 109 метров по самой длинной оси МКС весит 420 тонн и предоставляет космонавтам внутренний жилой объем в 915 м^3.

Исследование космоса – это особая сила природы, с которой не может конкурировать никакая другая сила в обществе.

Нил Деграсс Тайсон (2012)

После завершения строительства МКС, в 2011 году, шаттлы вывели из эксплуатации. Таким образом, в течение почти 10 лет США не имели возможности запускать людей в космос: американские астронавты отправлялись на МКС с помощью российских кораблей «Союз». Однако сейчас NASA разрабатывает новую ракету большой грузоподъемности Space Launch System, или SLS, первый запуск которой запланирован на 2021 год. На ней в рамках программы «Артемида» корабль «Орион» отправится на лунную орбиту, чтобы протестировать различные системы и подготовить новую высадку астронавтов на Луне в 2024 году.

В игру вступают также коммерческие проекты. Американская компания SpaceX заключила контракт на выполнение автоматических миссий по дозаправке МКС с 2012 года. В настоящее время SpaceX, а также Blue Origin и другие компании работают над концепциями пилотируемых транспортных средств, которые будут доставлять людей на Луну, Марс и дальше. Правда, сначала нужно будет купить билет – и по весьма высокой цене. Космические путешествия не только удовлетворяют нашу постоянную потребность в исследованиях, но и способствуют развитию науки и в конечном итоге могут оказаться необходимыми для выживания нашего вида. Сегодня мы стоим на пороге захватывающей новой эры в освоении человеком космоса.

02. Как покинуть планету

Земля – это колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели.

Константин Циолковский (1911)

Космическое пространство во всех смыслах кажется очень далеким – это удивительное царство, максимально удаленное от нашей скучной обыденности здесь, на Земле. И все же на самом деле оно поразительно близко. Граница между нами и космическим пространством, известная как линия Кармана, получила свое название в честь американского ученого венгерского происхождения Теодора фон Кармана, который первым предложил обозначить ее. Она находится на высоте всего 100 км, что равняется расстоянию, к примеру, от Москвы до Серпухова – это приблизительно в часе езды на машине.

Очевидно, что в ближайшее время вы не сможете отправиться в космос. И вам будет трудно добраться до него даже на современном самолете. Проблема заключается в силе, называемой гравитацией: она заставляет все объекты во Вселенной, обладающие массой, притягиваться друг к другу. Во многих отношениях это очень удобно – удерживаться на поверхности планеты и иметь возможность жить, не уплывая в пустоту. Но это также значительно усложняет полеты в космос, по сравнению с поездкой на автомобиле, поскольку поднимать предметы, противодействуя силе тяжести, – чрезвычайно трудно. Доставка 1-тонного автомобиля или 30-тонного космического аппарата на высоту 100 км требует невероятного количества энергии.

Реактивные самолеты – одни из лучших летающих машин, которые у нас есть, но даже они не справляются с задачей достичь космического пространства. Они летают на максимальной высоте около 10 км и способны противостоять гравитации с помощью подъемной силы – силы, создаваемой воздушным потоком над их крыльями особой формы. Поднимитесь выше, и воздух станет настолько разреженным, что подъемной силы будет уже недостаточно, чтобы удерживать самолет.

Ракеты, сделавшие возможным космический полет, являются достижением, которое, более чем любая другая технологическая победа двадцатого века, основано на научной фантастике.

Айзек Азимов (1976)

Есть и еще одна проблема. Сгорание – это химическая реакция, в ходе которой при взаимодействии топлива с кислородом выделяется энергия. Если накрыть горящую свечу стаканом, вскоре она погаснет, исчерпав весь доступный кислород. То же самое произойдет с реактивным двигателем самолета. Поскольку воздух на большой высоте разрежается, вокруг самолета становится все меньше и меньше кислорода. Неважно, какой запас топлива есть на борту – без кислорода оно не сможет гореть.

Решение состоит в том, чтобы просто взять кислород с собой, и это именно то, что сделали создатели ракет (слово «ракета» происходит от итальянского rocchetta, что значит «маленькое веретено»). Последние способны генерировать достаточное количество тяги, чтобы отправиться не только за пределы атмосферы Земли, но и сквозь Солнечную систему и даже дальше.

Огненные стрелы

Ракеты были изобретены в Китае около XI века. По сути они напоминали фейерверки и работали на порохе, случайно изобретенном китайскими алхимиками. Его получали, смешивая уголь, серу и селитру (нитрат калия). Селитра – мощный окислитель, она выделяет кислород при нагревании, заставляя уголь и серу сгорать с большой скоростью. Первые китайские ракеты, «огненные стрелы», использовались в битвах армиями империи Сун[6], а позднее, в XIII веке, – монголами в ходе их завоевательных походов.

В конце XVIII века эту технологию переняла майсурская[7] армия, которая с помощью ракет с прикрепленными к ним грозными клинками защищалась от британских войск во время агрессивной колонизации региона британской Ост-Индской компанией.

Некоторые образцы этого оружия были захвачены англичанами и стали источником вдохновения для программы военных ракетных исследований в Королевском арсенале в Вулидже, которую возглавлял изобретатель и политик Уильям Контрив. Позаимствовав индийскую технологию, он построил ряд ракет, состоявших из железных цилиндров со стабилизаторами из длинных реек, – очень похожих на современные фейерверки (хотя и намного больших по размеру). Самые большие ракеты Конгрива весили сотни килограммов, в длину достигали 9 метров и имели радиус действия более 3 км. Каждая из них снабжалась поражающим снарядом, который, однако, часто выпадал во время полета.

Конгрив успешно продемонстрировал свои первые ракеты в сентябре 1805 года. Тем не менее они были довольно неточными. Британский инженер Уильям Хейл позднее решил эту проблему. Он снял рейки и изменил направление выпускных патрубков таким образом, чтобы ракета во время полета вращалась – так же, как вращается винтовочная пуля, чтобы предотвратить отклонение от курса.

Потенциал этих смертоносных орудий для космических полетов казался неясным до начала XX века, когда его открыл русский гений Константин Циолковский.

Константин Циолковский (1857–1935)

Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857 года в Рязанской губернии на западе Российской империи. Из-за проблем со слухом, вызванных перенесенной скарлатиной, учился он в основном на дому. Это позволило будущему ученому углубляться в темы, которые интересовали его больше всего, и уже в подростковом возрасте он начал размышлять о возможности космических путешествий. Позже Циолковский стал зарабатывать преподаванием, а свободное время посвящал собственным исследованиям и написанию множества научных работ. С 1890-х годов он начал разрабатывать теорию ракетостроения, применяя известные физические законы, чтобы определять поведение ракеты в полете. Он опубликовал свои выводы в работе 1903 года под названием «Исследование мировых пространств реактивными приборами», которая послужила источником вдохновения для инженеров, впоследствии сделавших ракеты для путешествий реальностью. Циолковский провел большую часть своей взрослой жизни в отшельничестве, живя в бревенчатом доме недалеко от Калуги, в 150 км к юго-западу от Москвы. Он умер в Калуге 19 сентября 1935 года от рака желудка.

Действие и противодействие

Циолковский превратил ракетостроение в науку, управляемую строгой математикой, позволяющей точно предсказывать и изучать поведение ракеты. Именно исследование Циолковского превратило ракеты из грубого оружия в транспортное средство, которое в конечном итоге доставит людей в космос.

Возможно, величайшим вкладом Циолковского стала так называемая формула Циолковского, которую он опубликовал в 1903 году. По этой формуле рассчитывается скорость, которую ракета может достичь, с учетом ее изначальной массы (с полным баком топлива), ее «пустой» массы (без топлива) и скорости выхлопной струи, выбрасываемой двигателем. Общее увеличение скорости, создаваемое сжиганием всего топлива ракеты, известно как Δv, где v – скорость, а Δ является математическим обозначением изменения. Это характеристическая скорость ракеты.

У меня есть своя жизненная позиция. Я здесь, чтобы выполнить работу, и я знаю, что у меня есть возможность сделать ее, и именно на этом я концентрируюсь.

Анни Изли, ученый NASA (2001)

Циолковский вывел свою формулу из работы сэра Исаака Ньютона, великого британского физика. Он сформулировал три емких закона, описывающих поведение движущегося объекта. В первом говорится, что объект будет поддерживать состояние покоя или равномерного движения, если на него не действует никакая сила. Второй гласит, что если на объект с массой т действует сила F, то он будет набирать скорость с ускорением а, так что F = та. Но больше всего Циолковского интересовал третий закон Ньютона. В нем утверждается, что сила действия равна по величине и противоположна по направлению силе противодействия. Сядьте на стул, и он окажет сопротивление, чтобы вы не упали на пол.

По этой причине винтовка бьет стрелка в плечо во время выстрела: одна сила толкает пулю вперед, тогда как равная и противоположная сила толкает оружие назад. Второй закон Ньютона объясняет, почему, несмотря на то что на пулю действует та же сила, она летит с большой скоростью, а гораздо более тяжелое оружие движется относительно медленно. Так же выхлопные газы из ракеты, имея малую массу, выходят из двигателя на очень высокой скорости, в результате чего ракета, обладая относительно большой массой, постепенно набирает скорость, двигаясь в противоположном направлении.

Поставь их друг на друга

Формула Циолковского гласит, что максимальная скорость, достигаемая ракетой, увеличивается вместе со скоростью ее выхлопных газов. Например, ракета, у которой 90 % ее стартовой массы приходится на топливо, может набрать Av, в 2,3 раза превышающую скорость выхлопных газов. Это означает, что если выхлопные газы движутся со скоростью 2500 м/с (или 9000 км/ч – такая скорость достигается некоторыми современными ракетами), то конечная скорость ракеты составит 5750 м/с – что эквивалентно 20 700 км/ч.

Кажется впечатляющим, и этого хватит, чтобы доставить вас выше линии Кармана. Однако такой скорости недостаточно, чтобы добраться до околоземной орбиты – не говоря уже о более дальних точках назначения. Согласно закону всемирного тяготения вращение вокруг Земли требует подъема на высоту не менее нескольких сотен километров над поверхностью планеты. С учетом гравитации для этого необходима скорость 7800 м/с (28 080 км/ч).

Если сверху большой ракеты установлена маленькая и если большая ракета отбрасывается, а малая запускается, то их скорости складываются.

Герман Оберт (1967)

Пытаясь придумать, как решить эту проблему, Циолковский задался вопросом: что, если полезная нагрузка ракеты – 10 % от стартовой массы – окажется другой, меньшей, ракетой? Когда первая ракета заканчивает гореть, она отбрасывается, и меньшая ракета, которая теперь движется со скоростью 5750 м/с (20 700 км/ч), запускает собственные двигатели. Когда и они исчерпывают свое топливо, набираются дополнительные 5750 м/с, так что конечная скорость вырастает до 11 500 м/с (41 400 км/ч). Добавление ступеней увеличивает ее еще больше. Эта идея известна как «многоступенчатость». Циолковский доказал, что многоступенчатая ракета способна доставить в космос больший груз, чем одноступенчатая, при одинаковой стартовой массе.

Недостатком такого подхода является то, что масса полезной нагрузки уменьшается. Ракета, состоящая из п ступеней, полезная нагрузка каждой из которых составляет 10 % от полной массы ступени, может иметь полезную нагрузку, равную 0,1" от общей массы ракеты. Для двухступенчатой ракеты это 0,01, для трехступенчатой – 0,001 и так далее. Это означает, что полезная нагрузка трехступенчатой ракеты с общей стартовой массой 50 000 кг составит всего 50 кг.

Таким образом, запуск достаточно массивного груза в космос требует действительно огромных многоступенчатых ракет. Многоступенчатость была использована NASA в лунной программе «Аполлон» в 1960-х годах. Запущенная в ее рамках трехступенчатая «Сатурн-5» по-прежнему остается самой большой из когда-либо существовавших ракет. Это настоящий гигант более 110 метров в высоту и весом 3000 тонн, из которых 2870 тонн – вес топлива и окислителя. У «Сатурна-5» ступени располагались одна на другой (такой вариант называется поперечным разделением), но у других, более поздних ракет ступени запускаются одновременно (это продольное разделение): примером такой конструкции являются два больших боковых стартовых двигателя на космическом шаттле.

Ракетостроение

Современные ракетные двигатели бывают нескольких основных типов. Самые простые, как и их ранние предшественники, работают на твердом топливе, похожем на порох. Боковые ускорители, расположенные по обеим сторонам шаттла, представляют собой твердотопливные ракеты, работающие на алюминиевом порошке, который сжигается при использовании окислителя, перхлората аммония. Они потенциально опасны – как римские свечи: после запуска их уже нельзя выключить или хотя бы скорректировать их мощность. С другой стороны, двигатели на жидком топливе, разработанные Робертом Годдардом (см. главу 1), более управляемы. Однако цена, которую приходится за это платить, – дополнительная сложность (и, следовательно, повышенная вероятность сбоя) в виде насосов и топливопроводов, а также инжекторов, обеспечивающих тщательное перемешивание топлива перед сжиганием.

Мне захотелось узнать, что же на самом деле заставляет человека по собственной воле забираться на верхушку огромной свечи… и ждать, пока зажгут запал?

Том Вулф. Битва за космос (1979)

В жидкостных ракетах топливо и окислитель обычно хранятся по отдельности – это так называемые двухкомпонентные двигатели. Например, первая ступень ракеты «Сатурн-5», которая доставляла астронавтов «Аполлона-11» на Луну, имела два топливных бака: один для керосина, а другой был заполнен чистым жидким кислородом для сжигания керосина. Эти два топлива отдельно подавались в двигатель, где они смешивались перед сгоранием. Жидкий кислород – распространенный окислитель, часто используемый в ракетных двигателях. Для того чтобы он находился в жидком состоянии, его температура должна быть ниже – 183°С, и именно поэтому иногда можно увидеть лед на внешней стороне жидкостной ракеты, стоящей на стартовой площадке. Куски этого льда затем эффектно отрываются во время запуска.

Есть также однокомпонентные жидкостные двигатели, работающие только на одном баке с топливом. Им, как правило, оснащаются более мелкие ракеты и двигательные установки, используемые для ориентации космических аппаратов в пространстве после того, как те покинут Землю. Подходящее топливо для такого двигателя – гидразин (H_2N – NH_2), который при прохождении через катализатор распадается на высокотемпературную смесь из водорода, азота и аммиака для создания тяги.

Существует еще один тип ракетных двигателей, на границе между твердотопливными и жидкостными, – гибридный. В таких двигателях используется твердое топливо и жидкий окислитель, что делает их менее сложными, чем жидкостные двигатели, и в то же время более управляемыми, чем твердотопливные. Разработанный Mojave Aerospace Ventures SpaceShipOne, который в 2004 году осуществил первый частный космический полет, имел гибридный двигатель, использовавший полибутадиен в качестве топлива и закись азота в качестве окислителя.

Во всех типах двигателей высокотемпературный газ под высоким давлением, возникающий в результате сгорания, необходимо превратить в высокоскоростную струю выхлопных газов. Делается это с помощью сопла – конусообразного отверстия, которое находится непосредственно под камерой сгорания. Одно из самых эффективных – сопло Лаваля. В 1888 году изобретатель Густаф де Лаваль предложил использовать созданное им сопло в паровых турбинах. Оно состоит из трубки, которая асимметрично сжимается на стороне впуска, где в нее входит горячий газ, а затем расширяется в плавно изогнутую колоколообразную форму для выталкивания выходящих газов с противоположной стороны. Сопло Лаваля может преобразовывать газ, образующийся внутри типичного ракетного двигателя, в сверхзвуковую выхлопную струю, движущуюся со скоростью в тысячи метров в секунду.

Один из самых мощных ракетных двигателей на сегодняшний день – жидкостный двигатель Raptor («Хищник»), разрабатываемый компанией SpaceX для сверхтяжелой ракеты Starship («Звездный корабль»). Во время огневого испытания в феврале 2019 года Raptor установил рекорд по максимальному зарегистрированному давлению в камере сгорания – 2689 Н/см^2. Это примерный вес большого автомобиля, сконцентрированный в квадрате со стороной 2 см. Когда разработка Raptor будет завершена, ожидается, что конечное давление в камере достигнет 3034 Н/см^2, а сопло Лаваля разгонит поток выхлопных газов до поразительных 3400 м/с (12 240 км/ч), что в десять раз превышает скорость звука в воздухе.

1 United Launch Alliance – совместное предприятие, принадлежащее компаниям Boeing и Lockheed Martin.

Под действием импульса

Скорость выхлопа – один из показателей эффективности ракетного двигателя, это доля всей химической энергии, запасенной в топливе, которая в конечном итоге может быть преобразована в движение ракеты. Сопло Лаваля резко повышает скорость выхлопных газов, делая ее сверхзвуковой, тем самым увеличивая эффективность с нескольких процентов до, как правило, более 60 %. Это очень высокий показатель, учитывая, какими шумными и малопродуктивными могут казаться ракеты.

Еще одна мера эффективности ракет – удельный импульс. Это общая величина тяги, которую двигатель генерирует на единицу массы сгоревшего топлива. Тяга – направленная вверх сила, толкающая ракету. Она действует против направленной вниз силы тяжести, оказывающей воздействие на массу ракеты. Чтобы ракета взлетела, тяга должна превышать вес.

Вполне возможно, что двигатель окажется очень неэффективным (то есть с низким удельным импульсом и низкой скоростью выхлопа), но при этом все равно будет обеспечивать тягу, необходимую для взлета. И наоборот, существуют чрезвычайно эффективные двигатели, которые, хотя и прекрасно используют свое топливо, не образуют достаточно тяги, чтобы преодолеть силу притяжения и оторваться от Земли.

Один из таких двигателей – ионный. Вместо того чтобы задействовать химическую энергию, выделяемую при сгорании, для создания высокоскоростной выхлопной струи электрические поля в нем используются для ускорения заряженных частиц топлива до невероятных скоростей – до 50 000 м/с, а это более чем в десять раз выше того, на что способны двигатели в обычных ракетах. Тем не менее скорость, с которой эти частицы выбрасываются, настолько мала, а их тяга так слаба, что они едва способны оторвать от Земли несколько граммов.

Когда вы готовитесь к запуску в космос, вы сидите на большой бочке с взрывчаткой, ожидая, когда та рванет.

Салли Райд (1988)

Вы наверняка задаетесь вопросом (что вполне справедливо), для чего в таком случае нужны ионные двигатели. Оказывается, высокая эффективность последних проявляется в глубоком космосе, вдали от сильной гравитации планет. Запущенный в космос обычной ракетой космический корабль, работающий на ионной тяге, расходует свое топливо медленно, но разумно в течение недель, месяцев и даже лет – постепенно накапливая большую Δv из сравнительно малой массы топлива, что позволяет ему преодолевать огромные расстояния в космическом пространстве.

В 1998 году АМС NASA Deep Space 1 стартовала с Земли на борту Delta II – жидкостной ракеты с тремя твердотопливными ускорителями. Оказавшись в космосе, станция запустила ионный двигатель и отправилась в путешествие по Солнечной системе. Она пролетела мимо кометы и астероида и смогла получить фотографии обоих, а также научные данные о них. В течение своей трехлетней миссии ионный двигатель изменил скорость космического аппарата более чем на 4000 м/с, использовав менее 74 кг своего ксенонового газообразного топлива.

Черт возьми, эта штука взлетела!

Илон Маск (2018)

В настоящее время ученые разрабатывают новые двигатели, способные обеспечивать еще более высокие скорости выхлопа – до сотен тысяч или миллионов метров в секунду. Аппараты с такими двигателями по сути являются продолжением оригинальных идей Циолковского, которым более ста лет. И однажды благодаря им люди смогут попасть в самые отдаленные уголки Солнечной системы или даже за ее пределы.

03. Используйте силу[8]

Рекомендация не бросаться из окна второго этажа является частью науки о взаимном притяжении тел.

Артур Бальфур (1893)

Пейзаж космоса создается гравитацией. Гравитационное поле удерживает Луну около Земли и обуславливает ее вращение вокруг планеты. В течение последних 4,6 миллиарда лет гравитация удерживала планеты Солнечной системы, вращающиеся против часовой стрелки вокруг Солнца. Само Солнце сформировалось в результате коллапса под действием силы тяжести огромного облака газообразного водорода, и теперь, как и сопровождающая его свита из планет, оно вращается вокруг центра нашей галактики Млечный Путь, совершая один оборот за 230 миллионов лет. Млечный Путь – часть более обширного скопления галактик и нитей космического материала, которые пронизывают Вселенную и продолжают свой танец благодаря гравитации. От яблок, падающих с деревьев, до рождения и смерти всей Вселенной – за все ответственна гравитация, и только она.

Таким образом, неудивительно, что, поскольку притяжение Солнца определяет орбиты планет, оно определяет и траектории космических аппаратов, летящих сквозь Солнечную систему от одного небесного тела к другому. Преодоление гравитации Земли – основное препятствие для достижения космоса, и ракеты расходуют огромное количество топлива, чтобы добиться этой цели. Однако, когда аппараты уже в космосе, гравитация может оказаться другом – если знать, что делать.

Всемогущая гравитация

Первая научная теория гравитации принадлежит британскому математику и физику сэру Исааку Ньютону, опубликовавшему ее в 1687 году. Выведенный им закон всемирного тяготения определяет величину гравитационной силы, действующей между двумя телами, с учетом их масс и расстояния между ними. Благодаря этому закону появилась возможность точно описать движение планет. С его помощью Ньютон объяснил, почему соблюдаются законы движения планет, открытые в начале XVII века немецким астрономом Иоганном Кеплером. Кеплер сформулировал свои законы, изучая таблицы астрономических наблюдений, записывая, как положения планет менялись со временем, и отыскивая взаимосвязи, которые могли бы объяснить эти данные. Закон тяготения Ньютона дал эмпирической модели Кеплера прочную научную основу.

Хотя гравитация – безусловно, самая слабая сила природы, ее подспудное и совокупное действие определяет окончательную судьбу не только отдельных астрономических объектов, но и всего космоса.

Пол Дэвис (1994)

Кэтрин Джонсон (1918–2020)

Кэтрин Коулман (Джонсон – фамилия ее второго мужа) родилась 26 августа 1918 года в городе Уайт-Салфер-Спрингс в штате Западная Вирджиния. Проявив незаурядные математические способности, она с отличием окончила Государственный колледж Западной Вирджинии уже в 1937 году, когда ей было всего 18 лет. А позже стала третьим афроамериканцем, получившим степень доктора математики. В 1953 году она начала работать в National Advisory Committee for Aeronautics («Национальный консультативный комитет по воздухоплаванию»), или NACA (впоследствии был преобразован в NASA). Джонсон часто называли человеком-компьютером, поскольку она вручную выполняла сложные вычисления, которые сегодня производятся лишь в электронном виде. Например, именно она рассчитала траекторию полета, благодаря которой Алан Шепард стал первым американцем в космосе. На протяжении всей своей карьеры Джонсон приходилось преодолевать немало трудностей – как афроамериканке, работавшей в области, где доминировали белые мужчины. В 2015 году ее удостоили Президентской медали Свободы – одной из высших наград США, вручаемых гражданским лицам.

Первый закон Кеплера гласит, что орбиты планет не совпадают по форме с окружностью, а, как правило, являются эллиптическими (овальными). На самом деле большинство планет Солнечной системы движутся вокруг Солнца по почти круговым траекториям, единственное явное «исключение» – Меркурий: его орбита находится на расстоянии 46 миллионов километров от Солнца в перигелии (ближайшей к Солнцу точке орбиты) и в 70 миллионах километров в афелии (самой дальней точке).

Эти же законы применимы к космическим кораблям, которые движутся по Солнечной системе – но не за счет своих двигателей, а исключительно под действием силы тяжести. На момент написания этой книги два космических аппарата, солнечный зонд «Паркер» NASA и китайский «Чанъэ-2», находятся, подобно планетам, на гелиоцентрических орбитах, являясь искусственными спутниками Солнца. «Вояджеры», запущенные в 1970-х годах к внешним планетам Солнечной системы, тоже свободно фланируют в гравитационном поле нашей звезды, хотя эти аппараты уже вошли в межзвездное пространство и движутся так быстро, что даже сила притяжения Солнца не в состоянии вернуть их домой.

Законы Солнечной системы

Немецкий астроном Иоганн Кеплер вывел законы движения планет, которые фактически управляют всем в Солнечной системе, включая кометы, метеориты и космические корабли, после изучения данных, собранных датским астрономом Тихо Браге. Не буду вдаваться в математические подробности и раскрою здесь лишь суть этих законов. Первый закон гласит, что планеты движутся по эллипсу, а Солнце располагается в одном из фокусов этого эллипса. Согласно второму закону радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, «заметает» равные площади за равные промежутки времени по мере движения планеты. Третий закон заключается в следующем: если время, затрачиваемое планетой на один оборот (период обращения), возвести в квадрат, это число будет пропорционально кубу наибольшего диаметра ее орбиты. Так, если эллипс станет больше в четыре раза, время обращения увеличится в восемь (4^3 = 64; √64 = 8).

Но мы слишком торопимся. Из предыдущей главы вы помните, как ракеты используются для поднятия космических кораблей с поверхности Земли до линии Кармана, которая обозначает границу между атмосферой нашей планеты и космосом. Так вот, если учесть то, что Ньютон и Кеплер поведали нам о гравитации и орбитах, как именно космический корабль прокладывает свой курс от берегов космического океана в межпланетное пространство?

Отправляемся!

Самый простой вид полетов в космос, который допускает гравитация, – это суборбитальные полеты: ракета взлетает с поверхности Земли и летит по гигантской дуге, возносясь немного выше линии Кармана, пока сила тяжести не вернет ее обратно на поверхность Земли. Когда 5 мая 1961 года Алан Шепард стал первым американцем в космосе, именно такой была траектория его 15-минутного полета. Корабль Шепарда стартовал с мыса Канаверал во Флориде на ракете «Меркурий-Редстоун» и достиг максимальной высоты в 188 км, после чего упал в Атлантическом океане в 487 км от места старта.

Оператор космического туризма Virgin Galactic скоро планирует запустить короткие суборбитальные экскурсии в космос: пассажиров будут поднимать над линией Кармана на космическом самолете с ракетным двигателем, который затем приземлится на взлетно-посадочной полосе, как обычный самолет. Суборбитальные траектории также все еще используются в некоторых научно-исследовательских полетах, когда небольшие твердотопливные «зондирующие ракеты» выводят научные приборы в космос для кратковременного сбора данных.

В отличие от других мы не замедлились, когда добрались до Луны: нам нужна была сила тяжести, чтобы вернуться.

Джеймс Артур Ловелл, командир корабля «Аполлон-13» (2011)

Следующий пункт назначения за линией Кармана – околоземная орбита. Удобство в орбитах любого рода состоит в том, что они самоподдерживающиеся Это означает, что, пока космический корабль находится на достаточной высоте, чтобы избежать торможения о нижележащую атмосферу планеты, которое может замедлить его, он будет бесконечно продолжать вращение по орбите без необходимости запуска двигателей.

Представьте пушку, расположенную на вершине высокой горы. Пушка стреляет снарядами вдоль линии горизонта, и каждый выстрел оказывается сильнее, чем предыдущий. Первый снаряд вылетает из пушки и приземляется у подножия горы, но по мере увеличения мощности каждый очередной снаряд оказывается все дальше и дальше от нее, пока в конце концов гравитации не удастся уронить снаряд таким образом, что тот облетит планету. Снаряд все еще падает под действием силы тяжести, но он движется так быстро, что поверхность планеты из-за своей кривизны движется с той же скоростью.

Низкая околоземная орбита (НОО) расположена примерно в 200 км над поверхностью Земли и простирается до 2000 км. Самая низкая траектория полета по НОО требует скорости примерно 7800 м/с (28 000 км/ч), поэтому космические аппараты, летящие по такой траектории, обычно совершают один оборот вокруг Земли за 90 минут. МКС с постоянным экипажем вращается вокруг Земли по НОО на высоте около 400 км. НОО обычно является отправной точкой для космических миссий, предполагающих дальние путешествия; также ее иногда называют парковочной орбитой, поскольку это первый пункт назначения после запуска с Земли.

Одним из следствий законов Кеплера является то, что чем выше космический аппарат вращается над планетой, тем медленнее он движется. При нахождении на НОО на высоте 1000 км орбитальная скорость снижается до 7400 м/с (26 640 км/ч), что увеличивает время одного оборота с 90 до 105 минут. Продолжайте увеличивать высоту, и в итоге период обращения окажется равен 24 часам, то есть периоду вращения Земли. Это происходит на высоте 35 786 км.

Если орбита находится непосредственно над экватором Земли, то наблюдателю с Земли, смотрящему вверх, будет казаться, что космический корабль завис в одной точке неба, поскольку он вращается с той же угловой скоростью, что и Земля вокруг своей оси. Такая орбита называется геостационарной.

Спутники связи и телевидения расположены на геостационарных орбитах, поэтому не нужно перемещать приемники, чтобы поймать сигнал. Поскольку спутники находятся над экватором, по крайней мере в северном полушарии спутниковые телевизионные тарелки на домах всегда указывают в южном направлении.

Поднимитесь на низкую околоземную орбиту, и вы окажетесь на полпути в любую точку Солнечной системы.

Роберт Хайнлайн (1950)

В числе других типов орбит – полярная, будучи на которой спутник, наклоненный к экватору под углом 90°, проходит над полюсами, и солнечно-синхронная, находясь на которой спутник всегда размещается между Солнцем и планетой и может наблюдать земную поверхность, освещенную солнечным светом.

Как добраться из точки А в точку Б

Для самых захватывающих космических миссий низкая околоземная орбита – это только начало. Сотрудники центра управления полетами выбирают момент и запускают двигатели космического аппарата, чтобы вывести его с НОО на так называемую гомановскую траекторию. Впервые описанная немецким инженером Вальтером Гоманом в 1925 году эта эллиптическая траектория перекрывает разрыв между двумя приблизительно круговыми орбитами. В результате второго включения двигателя космический аппарат переходит с гомановской траектории на более высокую (или низкую – в зависимости от направления движения) орбиту.

Гомановская траектория помогает преодолеть разрыв между двумя орбитами, расположенными на разных высотах над Землей. А также переместиться с околоземной орбиты на орбиту другой планеты в Солнечной системе. В этом случае необходимо тщательное планирование: одно дело просто «прыгать» между орбитами, но при перемещении с планеты на планету должна быть точка назначения. Например, бесполезно достигать орбиты Марса, если сама планета находится на противоположной стороне Солнца.

Так появилось понятие «стартовые окна» – жесткие временные интервалы, в течение которых космический аппарат может покинуть Землю. Например, стартовым окном для марсохода NASA Curiosity был период с 25 ноября по 18 декабря 2011 года, и даже в этот промежуток времени суточное вращение Земли означало, что окно открыто менее двух часов в сутки. К счастью, марсоход успешно стартовал 26 ноября и совершил посадку 6 августа 2012 года. По состоянию на конец марта 2020 года он все еще занимается изучением поверхности Красной планеты.

Все было так ново – сама идея полета в космос была новой и смелой. Учебников не было, поэтому писать их пришлось нам.

Кэтрин Джонсон (1999)

Межпланетные перелеты сопряжены с дополнительными сложностями, такими как необходимость учитывать гравитацию Земли во время запуска двигателей, а также планеты назначения по прибытии. Когда в рамках программы «Аполлон» астронавты отправились на Луну, траектория перехода была особенно трудной, поскольку из-за близости Земли и Луны на космический корабль одновременно воздействовала сила притяжения обоих тел. Решением оказалась траектория в виде восьмерки, в соответствии с которой аппарат сначала облетел Луну, а затем направился обратно к Земле.

Это классический пример задачи трех тел, которую трудно решить математическим путем. Одно решение для конкретного случая нашел французский математик итальянского происхождения Жозеф Луи Лагранж в 1772 году. Он определил пять точек в пространстве в гравитационной системе из двух тел, куда можно поместить третье, чтобы оно сохраняло свое положение относительно двух других. Эти точки Лагранжа обозначаются как L_1, L_2 и так далее и располагаются в форме креста. Например, L_1 является своего рода точкой равновесия, где гравитация первых двух тел в некотором смысле балансируется. Объект, помещенный в точке L_1 в системе Земля – Солнце, будет вращаться вокруг Солнца вместе с Землей.

Точки Лагранжа отлично подходят для «парковки» космических аппаратов. Несколько наблюдающих за Солнцем зондов размещены в точке L_1 в системе Земля – Солнце, а космический телескоп «Джеймс Уэбб», запуск которого планируется в 2021 году, будет располагаться в точке L_2 за неосвещенной Солнцем стороной Земли, откуда он сможет наблюдать небеса, оставаясь в вечной темноте.

Даже во время путешествия к месту назначения гравитация может стать вашим другом. Гравитационное поле других планет иногда используется для увеличения скорости летящего космического аппарата, и запускать двигатели при этом не требуется. Подобные гравитационные маневры – отличный способ сэкономить топливо и достигнуть отдаленных мест.

Космический аппарат, приближаясь к планете в состоянии покоя, испытывает гравитационное притяжение, ускоряющее его, а затем, как только он пролетит мимо, равная по величине и противоположная по направлению сила начнет замедлять его. Но планеты не стационарны – они непрерывно обращаются вокруг Солнца, – и движущаяся планета передает часть своего импульса космическому аппарату во время его пролета. Это чем-то напоминает отскок мячика от ракетки для настольного тенниса: если ракетка неподвижна, мяч отскакивает назад с той же скоростью, с которой прилетел. Однако если энергично отбить мяч ракеткой, после столкновения он будет двигаться намного быстрее. То же самое и с гравитацией: движущаяся планета может «захватить» своим полем пролетающий мимо космический аппарат, а затем отправить его дальше с гораздо более высокой скоростью.

«Вояджер-2», запущенный NASA в 1977 году к внешним планетам Солнечной системы, использовал череду гравитационных маневров для полета от одной планеты к Другой. Это стало возможным благодаря редкому явлению – параду планет, происходящему раз в 176 лет. Гравитационные маневры также помогают замедлять космические аппараты в случае необходимости. Это было сделано, к примеру, в ходе полетов к Меркурию и Венере – внутренним планетам Солнечной системы. Двигаясь к ее центру, аппараты ускоряются за счет гравитации Солнца – она создает избыточную скорость, которую нужно гасить.

В каком-то смысле гравитации не существует; то, что движет планетами и звездами, – это искажение пространства и времени.

Митио Каку (2000)

Все относительно

Хотя закон тяготения Ньютона позволяет довольно точно моделировать поведение космического аппарата, летящего по Солнечной системе, он не стал последним словом в вопросе о том, как на самом деле работает сила притяжения. В 1915 году немецкий физик Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, которая описывает гравитацию как искривление пространства и времени (по Эйнштейну, это единое целое – пространство-время). Согласно этой теории массивные небесные тела искажают ландшафт пространства-времени, создавая своего рода холмы и долины, которые затем, в свою очередь, определяют движение объектов, проходящих через них. В нашей Солнечной системе масса звезды создает в пространстве-времени гигантскую впадину в форме воронки – и планеты вращаются вокруг Солнца по своим орбитам, словно шарики, пущенные кататься вокруг конуса этой воронки.

Эйнштейн пришел к этой теории после того, как сформулировал специальную теорию относительности (спустя 10 лет). Она представляла собой новый взгляд на науку о движущихся телах и, по сути, породила знаменитое уравнение Е = тс^2, связывающее энергию (Е) и массу (т) со скоростью света (с) и ставшее основой для ядерной энергетики. Но специальная теория не учитывала гравитацию. Пытаясь исправить это, Эйнштейн осуществил мысленные эксперименты, в рамках которых построил различные сценарии в специальной теории относительности, а затем «поместил» их в гравитационное поле и попробовал понять, что должно произойти. Эти игры разума убедили его в том, что правильный путь объяснения гравитации состоит в том, чтобы изогнуть пространство и время в его специальной теории. И так общая теория относительности была подтверждена экспериментально.

Хотя ньютоновской теории гравитации не хватает точности, ее недостаток компенсируется простотой. Общая теория относительности же сложна, и к тому же в большинстве случаев законы Ньютона вполне подходят для анализа космического полета в пределах Солнечной системы.

04. Как остаться в живых в космосе

Хьюстон, у нас проблема.

Джеймс Артур Ловелл (2011)

Десятки смельчаков погибли, стремясь исследовать космос. Суть проблемы достаточно проста: люди – хрупкие существа, а космические путешествия невероятно опасны. Разгоняться до скорости, в 25 раз превышающей скорость звука, испытывать нехватку кислорода, подвергаться воздействию смертельных доз радиации, нагреваться до температуры более 1600°С и падать обратно на Землю с высоты сотен километров – занятие рискованное.

Можно обвинить в этом эволюцию. Наш вид появился и адаптировался к жизни в относительном комфорте здесь, на Земле. Ни одна из проблем окружающей среды на нашей планете никогда не сможет подготовить нас к смертельной опасности космического пространства. За безопасность космонавтов в космосе борются инженеры. И это своего рода подвиг, ведь сохранить жизнь путешественников по космическому пространству как минимум не менее сложно, чем доставить их туда.

Смертельная игра

На самом деле опасности начинают подстерегать космонавтов гораздо раньше, еще до того как они покинут Землю. И примером тому служит трагический случай, произошедший утром 28 января 1986 года, когда весь мир с ужасом наблюдал, как космический шаттл «Челленджер» распался в воздухе всего через 73 секунды после старта с мыса Канаверал. Все семь членов экипажа погибли. Среди них были Криста Маколифф, которую NASA выбрало из множества кандидатов на роль первого учителя в космосе, Рональд Макнейр, физик, ставший астронавтом, и один из первых афроамериканцев, отправившихся в космос.

В конечном счете ошибку обнаружили в твердотопливных ракетных ускорителях шаттла. Они состояли из семи цилиндрических стальных секций, которые наполнялись твердым топливом, а затем соединялись вместе; каждое сцепление герметизировалось парой резиновых уплотнительных колец, похожих на шайбы. Уплотнительные кольца были протестированы их производителем, компанией Thiokol, до температуры 4°С, но утром во время запуска столбик термометра достиг отметки в – 1°С (а ночью температура и вовсе опускалась до – 8°С). Из-за холода уплотнительные кольца стали хрупкими, и через 59 секунд после запуска из нижнего сочленения правого ускорителя вырвалась струя пламени. Она начала работать как паяльная лампа на стороне внешнего топливного бака шаттла, который через 14 секунд взорвался.

Взрыв не уничтожил шаттл. В мгновение ока взрывная волна вызвала вращение аппарата, подвергнув его экстремальным аэродинамическим нагрузкам (скорость шаттла к этому времени уже была выше скорости звука), которые разорвали легкий алюминиевый корпус на части. Кабину экипажа можно увидеть на фотографиях, вылетающей целой и невредимой из огненного шара. Спустя 2 минуты и 45 секунд, пролетев 15 км, на скорости 330 км/ч она упала в Атлантический океан. Когда обломки кабины вместе с останками астронавтов достали со дна, примерно в 29 км к северо-востоку от мыса Канаверал, удалось обнаружить устройства аварийной подачи воздуха, доказывающие, что по крайней мере некоторые члены экипажа были живы и находились в сознании после взрыва шаттла.

Катастрофа «Челленджера» – яркое напоминание о том, насколько опасным может быть космическое путешествие. Но это также и предостерегающая история о подводных камнях: Thiokol предупреждала NASA о том, что уплотнительные кольца не сертифицированы для использования при таких низких температурах. И все же руководители NASA решили не отменять запуск.

Если мы погибнем, мы хотим, чтобы люди приняли это. Мы участвуем в рискованном деле… Но завоевание космоса стоит того, чтобы рискнуть жизнью.

Вирджил Айвэн Гриссом (1966)

Трагедию можно было предотвратить, если бы на шаттле имелась какая-либо система для эвакуации экипажа. Сначала для астронавтов, участвовавших в четырех тестовых полетах, установили катапультируемые кресла. Но в рамках этих полетов команда состояла из двух человек. Однако после того как шаттл ввели в эксплуатацию, численность экипажа начала увеличиваться и в конечном итоге составила семь астронавтов. Четверо из них во время старта находились на полетной палубе, тогда как остальные трое – на другой, располагавшейся прямо под полетной, что исключало возможность их катапультирования. После катастрофы «Челленджера» NASA добавило в шаттлы парашютную систему спасения, которую можно было активировать при возвращении аппарата обратно на Землю, но все же запустить ее во время активного подъема шаттла было нельзя.

Спасайся!

В современных пилотируемых ракетах-носителях, как и во многих предшественниках шаттла, используют систему аварийного спасения на старте. Например, в «Сатурне-5» она представляла собой маленькую ракету, установленную прямо над капсулой с экипажем. В случае чрезвычайной ситуации капсула отделялась от основной ракеты-носителя и спасательная ракета вызволяла экипаж. Затем на парашютах капсула медленно спускалась на землю.

Системы аварийного спасения на старте помогли избежать многих смертей. В 1983 году российский аппарат «Союз Т-10–1» загорелся на стартовой площадке. Спасательная ракета запустилась и вызволила капсулу с экипажем за несколько секунд до взрыва корабля (есть видео онлайн – погуглите!). Космонавты Владимир Титов и Геннадий Стрекалов, хотя и получили сильные ушибы из-за резкого ускорения ракеты, выжили.

Системы аварийного спасения на старте эффективны в ракетах, ступени которых расположены Друг над другом (поперечное разделение – см. главу 2). В этой конфигурации капсула с экипажем находится на самой вершине, что облегчает ее эвакуацию, если что-то идет не по плану. Такая система, вероятно, не помогла бы космическому шаттлу, поскольку его ракета с продольным разделением: экипаж расположен рядом с основным топливным баком, что делает всю конструкцию более опасной.

Аполлон-13

Возможно, одна из самых знаменитых историй о победе над невзгодами в ходе космических полетов – это история о миссии «Аполлона-13», отправившегося на Луну. Это был третий пилотируемый полет на Луну. Ракета стартовала с мыса Канаверал 11 апреля 1970 года. Примерно через 56 часов после начала полета, когда космический корабль преодолел уже две трети пути до Луны, произошел электрический сбой, приведший к взрыву одного из бортовых кислородных баллонов. В результате были отключены два из трех кислородно-водородных топливных элементов, необходимых для выработки электроэнергии. После выброса кислорода в космос с мощностью в одну треть от максимума главной задачей стало возвращение астронавтов домой живыми. Благодаря изобретательности последних, прибегших к разбору батарей на запчасти, а также использованию кислорода и оборудования из посадочного модуля (к счастью, корабль еще не достиг Луны, когда произошла авария) командный модуль благополучно приводнился в Тихом океане 17 апреля. Астронавты Фред Хейз, Джон Суайгерт и Джеймс Ловелл, а также группа наземного контроля миссии в Хьюстоне были награждены Президентской медалью Свободы.

Хорошая новость заключается в том, что большинство ракетных установок попадают в космос целыми и невредимыми. Но это только начало. Первой проблемой для человека, внезапно оказавшегося в космической среде, является отсутствие воздуха для дыхания. Крошечные следы газа, присутствующие в космосе, как правило, притягиваются массивными телами, поэтому планеты (по крайней мере большие) обладают атмосферой, а сам космос представляет собой очень глубокий вакуум.

Я чувствовал, как слюна на моем языке начинает пузыриться, перед тем как потерял сознание.

Джим Леблан (2010)

Реальных данных о том, что случилось бы с человеком, находящимся в вакууме в течение длительного времени, нет. Предполагают, что тело раздуется, жидкость закипит, а еще, если верить Голливуду, выскочат глаза. Лучшим источником информации об этом на сегодняшний день служит случай инженера Джима Леблана. В 1966 году он тестировал прототип скафандра в вакуумной камере NASA, и шланг, герметизировавший его костюм, отсоединился. Леблан потерял сознание через 14 секунд, но он помнит, как слюна на его языке закипела из-за низкого давления. Через несколько секунд ему дали кислород, и он полностью восстановился.

Скафандры защищают космонавтов от космического вакуума, когда они выходят в открытый космос, и представляют собой аварийный резерв в остальное время. Большую часть полета экипаж пребывает в относительной безопасности на борту космического корабля, который находится под давлением и генерирует собственный кислород из ряда источников. Во время кратковременных космических полетов используются обычные баллоны с кислородом. На МКС газ производится путем пропускания электрического тока через воду, чтобы разделить ее на водород и кислород, при этом нежелательный водород выпускается в космос. Воздух на космической станции прокачивается через фильтры для устранения запахов и загрязнений и проходит через холодные металлические пластины для удаления влаги. Устройства, известные как «СО_2-скрубберы», поглощают углекислый газ, который неизбежно вырабатывается при дыхании космонавтов. В них происходит взаимодействие углекислого газа с гидроксидом лития, в результате чего образуется карбонат лития и вода.

Генераторы кислорода тоже не застрахованы от сбоев. В 1997 году систему, использовавшуюся на советской космической станции «Мир», уничтожил пожар, и в результате команда, находившаяся там, столкнулась с перспективой отсутствия воздуха для дыхания. Космонавты прибегли к аварийным свечам из перхлората лития, которые выделяют кислород при горении. Канистры с перхлоратом лития до сих пор хранятся на МКС в качестве резервного источника кислорода.

Сверхзвуковая шрапнель

Поддержание барьера между глубоким вакуумом снаружи и пригодной для дыхания атмосферой внутри – большая проблема для конструкторов космических аппаратов. Наибольший риск возникает из-за столкновений с мелкими частицами, которые, несмотря на их размер, движутся так быстро, что способны пробить дыру в наружной оболочке космического корабля. В лучшем случае это приведет к небольшой утечке, которую можно исправить. В худшем – к взрывной декомпрессии: корпус аппарата лопнет, как воздушный шар, когда изнутри вырвется воздух.

Космически полет никогда не потерпит недобросовестности, некомпетентности и пренебрежения.

Джин Кранц, руководитель полетов в NASA (1967)

Некоторые из этих встречающихся на орбите вокруг Земли частиц являются естественными микрометеороидами (крошечными каменными обломками), но, что удивительно, большинство из них – искусственный космический мусор: от кусков отброшенных ступеней ракет и упавших инструментов до фрагментов отработавших спутников и даже замерзшей мочи. Двигаясь со скоростью почти 8 км/с, 5-граммовый болт заключает в себе такое же количество энергии, что и груз массой 200 кг, упавший с вершины 18-этажного здания.

На такой скорости даже частички краски могут ударять как сверхзвуковая шрапнель. И подобное случалось. В 1983 году крошечная частичка оставила сильную вмятину на лобовом стекле шаттла «Челленджер». А в 2007 году кусок космического мусора пробил 6-миллиметровое отверстие в одной из радиаторных панелей шаттла.

По оценкам Европейского космического агентства (ЕКА), существует примерно 900 000 единиц космического мусора более сантиметра в поперечнике и миллионы осколков меньшего размера. United States Space Surveillance Network («Сеть космического наблюдения США»), или SSN, в настоящее время отслеживает около 20 000 объектов на орбите вокруг Земли, лишь 2000 из которых являются действующими космическими аппаратами. Когда SSN обнаруживает объект, проходящий слишком близко к действующему космическому аппарату (обычно определяются столкновения с вероятностью, превышающей 1 к 10 000), она предупреждает диспетчеров, чтобы те помогли последнему уклониться. МКС должна делать это в среднем один раз в год.

SSN может отследить куски мусора размером не менее 10 см. Чтобы справиться с более мелкими фрагментами, от которых нельзя увернуться, на МКС установлены щиты Уиппла, названные в честь американского астронома Фреда Уиппла, предложившего эту идею. Они состоят из разнесенных экранирующих слоев, которые разбивают столкнувшийся с ними кусок космического мусора и распределяют его фрагменты по более обширной области. Изменение удара – превращение пули в выстрел дробью – облегчает корпусу станции его поглощение. Корпус МКС выполнен из алюминия, армированного слоями керамической ткани Nextel, похожей на кевлар (он используется в бронежилетах).

Скрытая угроза[9]

Куски мусора не единственная угроза, с которой сталкиваются космонавты. Существуют и другие, в том числе невидимые. И одна из них – радиация. Она чрезвычайно опасна в космосе, особенно при длительных полетах, и, пожалуй, это наиболее сложная проблема из тех, что препятствуют нашим планам отправлять людей-исследователей на другие планеты Солнечной системы.

Бо́льшая часть вредного излучения в глубоком космосе представляет собой высокоскоростные субатомные частицы. Они либо выбрасываются Солнцем во время таких событий на его поверхности, как солнечные вспышки и выбросы корональной массы, либо являются космическими лучами сверхвысоких энергий, которые рождаются за пределами Солнечной системы – или даже за пределами нашей галактики. Взрывы сверхновых, знаменующие гибель очень крупных звезд, – тоже один из их возможных источников.

Большинство этих радиационных частиц электрически заряжены, что, безусловно, хорошая новость для нас здесь, на Земле, так как они сталкиваются с магнитным полем планеты. А те, что проходят сквозь него, в значительной степени поглощаются атмосферой. Однако в космосе все по-другому, и космонавты оказываются особенно уязвимы.

Члены экипажей «Аполлонов» сообщали, что наблюдали случайные яркие вспышки, которые, как они полагали, были вызваны частицами излучения, воспринятого их глазами. Программа «Алоллон» и вовсе однажды, что называется, увернулась от пули. Сильная солнечная буря, достаточно мощная, чтобы вывести из строя электрические сети на Земле, разразилась в августе 1972 года – прямо между полетами «Аполлона-16» и «Аполлона-17». Если бы она произошла во время одного из них, то привела бы к смерти астронавтов или тяжелой лучевой болезни у них.

По оценкам специалистов, в течение полета на Марс человек может получить до 700 раз большую дозу радиации, чем за то же время Земле. Имеются также свидетельства, что космонавты больше подвержены риску развития катаракты и сердечных заболеваний в пожилом возрасте, что может объясняться воздействием радиации. К этому стоит добавить также более высокую вероятность образования злокачественных опухолей и повреждения нервной системы при продолжительных полетах.

Доза излучения, которую человек получает за один день в космосе, эквивалентна той, что он получает на Земле в течение целого года.

Марко Дюранте, физик (2019)

Самый простой способ ограничить радиационное облучение в космосе – регулярная смена экипажа. Это довольно просто устроить на МКС, где средняя продолжительность пребывания космонавта составляет около шести месяцев. Однако для глубокого космоса такой частоты недостаточно. МКС окружена дополнительной защитой, поскольку низкая орбита удерживает ее внутри естественного щита, обеспечиваемого магнитным полем Земли, которое отклоняет заряженные частицы излучения, тогда как пилотируемый полет на Марс означает многомесячное пребывание в открытом космосе без возможности укрыться.

Конечно, экранирование может блокировать излучение, но экраны тяжелые, а когда речь идет о запуске чего-либо в космос, больший вес означает больше топлива, а следовательно, и денег. В случае с МКС был достигнут компромисс: там есть один экранированный модуль, где экипаж может укрыться во время интенсивной солнечной активности. Другая возможность – лекарства, способные замедлить скорость распространения повреждений ДНК, которые могут привести к развитию рака, и дающие клеткам время на восстановление.

Сейчас разрабатывается также еще одна идея – создание искусственного магнитного поля, похожего на магнитное поле Земли, вокруг космического аппарата для отражения частиц излучения. Раньше считалось, что для реализации этой идеи искусственное магнитное поле должно быть многокилометровым в поперечнике и потреблять мегаватты мощности. Но исследователи из Лаборатории Резерфорда – Эплтона в Великобритании с помощью экспериментов и компьютерных расчетов обнаружили, что достаточно гораздо более скромного поля – достигающего всего 100 метров в поперечнике. В настоящее время они работают с NASA и другими организациями, занимающимися космическими исследованиями, над созданием такого поля, которое может стать важнейшей технологией, обеспечивающей долгосрочные полеты человека в космос.

Истинная смелость заключается не в том, чтобы в ожидании полета сидеть на 6 миллионах фунтов огня и грома, перед тем как покинуть эту планету. Истинная смелость – в стойкости… настойчивости, подготовке и вере в себя.

Роналд Макнейр (1984)

Путь домой

У большинства людей, которые отправляются в космос, есть своего рода обратный билет, предполагающий безопасное возвращение на Землю. При суборбитальном полете это не так сложно. Существует два основных способа. Первый – раскрыть парашют и либо приводниться, либо с помощью двигателей или подушек безопасности смягчить удар о землю. Второй – спуститься на так называемом крылатом планере и приземлиться на взлетно-посадочную полосу, как самолет. Оба этих способа успешно применяются.

Но гораздо опаснее вернуться с орбиты. Проблема заключается в скорости: чтобы достичь низкой околоземной орбиты, необходимо разогнаться до 7,8 км/с, что эквивалентно 28 000 км/ч, и для успешного приземления космический корабль должен сбросить эту скорость. Казалось бы, самый простой способ замедлиться – запустить тормозной двигатель. Но для торможения с такой скорости необходимо много топлива, которое сначала придется поднять на орбиту, – что, в свою очередь, потребует огромного количества топлива при запуске космического корабля, а следовательно, и невероятно большой и дорогой ракеты.

Вместо этого в качестве естественного тормоза предпочитают использовать атмосферу Земли. Космический аппарат запускает свои двигатели на короткое время, чтобы начать спуск с орбиты. По мере спуска атмосфера постепенно становится плотнее, создавая сопротивление (подобное сопротивление оказывает жидкость, когда тело движется сквозь нее), которое замедляет корабль. Проблема в том, что при этом образуется много тепла. Воздух перед космическим аппаратом сжимается и, подобно тому как нагревается велосипедный насос при сжатии воздуха, тоже нагревается – только в этом случае температура достигает 1600°С, чего вполне достаточно, чтобы расплавить сталь.

Достичь Марса будет очень, очень трудно, это будет стоить огромных денег, а возможно, и человеческих жизней.

Скотт Келли, астронавт (2017)

Вот почему космический аппарат, возвращающийся с орбиты, должен иметь систему тепловой защиты – теплозащитный экран, ограждающий его от высоких температур при входе в атмосферу. Космические корабли в 1960–1970-х годах, в том числе «Аполлоны», использовали так называемые абляционные тепловые экраны, которые при нагревании обугливались, что позволяло их маленьким частицам отрываться и отводить тепло. Само собой, такие экраны можно было использовать лишь один раз.

В «Спейс шаттле», однако, применялась смесь легких керамических плиток, углеродных композитов и изоляционных покрытий. Эта система была многоразовой, но ее хрупкость с самого начала вызывала обеспокоенность. Опасения подтвердила трагедия, произошедшая 1 февраля 2003 года, когда шаттл «Колумбия» сгорел при возвращении на Землю. Все семь членов экипажа погибли. Последующее расследование показало, что кусок изолирующей пены, оторвавшийся от внешнего бака аппарата во время запуска, пробил отверстие в тепловом экране на передней кромке левого крыла. В результате образовалось большое количество перегретого газа, который быстро расплавил внутреннюю алюминиевую конструкцию, что и привело к разрушению шаттла.

Возможно, именно из-за катастрофы «Колумбии» следующее поколение пилотируемых космических кораблей вернулось к испытанной и проверенной конструкции абляционных теплозащитных экранов. И запускаются они на ракетах, где капсула с экипажем установлена на самом верху, что позволяет предотвратить попадание осколков, которые могут повредить систему тепловой защиты.

Хотя путь таит в себе множество угроз для космонавтов, инновации помогают преодолевать многие из них. И все же всегда будут слишком опасные места и миссии, которые, однако, далеко не всегда требуют присутствия исследователя из плоти и крови. Поэтому иногда лучше вообще не отправлять людей в космос, о чем и пойдет речь в следующей главе.

05. Когда машины заменят людей

Исследование планет и их спутников, а также комет и астероидов с помощью роботов действительно революционизировало наши знания о Солнечной системе.

Джеймс Ван Аллен (2004)

Стоит упомянуть роботов в космосе, и воображение сразу рисует образы R2-D2 и С-ЗРО из «Звездных войн» или механического помощника с извивающимися руками из «Затерянных в космосе». Хотя реальность может сильно отличаться от художественного вымысла, роботы действительно играют важную роль в освоении космоса человечеством. Фактически в каждом уголке Солнечной системы, где люди оставили свой след (по крайней мере, за пределами Луны), мы сделали это с помощью роботов.

Они обладают способностью выживать в экстремальных условиях – там, где у людей-космонавтов просто нет шансов не погибнуть. Вот почему, когда дело доходит до изучения ледяных просторов Плутона, полета сквозь жар солнечной короны или совладения с огромным давлением на поверхности Венеры, роботы пока единственные, кто способен выполнить подобные задачи.

Роботы справятся с работой намного лучше и к тому же обойдутся гораздо дешевле, потому что их не нужно будет возвращать.

Стивен Хокинг (2004)

Космические путешествия не только опасные, но и очень дорогие. Большая часть финансирования при отправке людей в космос тратится на всевозможные системы жизнеобеспечения для космонавтов. Генерация кислорода для дыхания, запас пищи и воды, а также защита космического корабля от вредоносного излучения – все это добавляет аппарату вес, который, в свою очередь, требует больше топлива и более крупной, более дорогой ракеты, чтобы она подняла этот вес в космос.

Чтобы внести ясность, я хотел бы отметить, что в последующем изложении буду называть любой аппарат, отправленный в космос без людей в составе экипажа, роботизированным. Даже если он дистанционно пилотируется людьми на Земле.

Лунные машины

Первый роботизированный космический аппарат был запущен СССР в 1951 году. В качестве экипажа там находились две собаки – Дезик и Цыган. В 1957 году Советский Союз вывел на орбиту первый искусственный спутник Земли «Спутник-1», а затем и «Спутник-2» с собакой Лайкой на борту.

Революция ИИ

По мере того как роботизированные космические аппараты перемещаются дальше, людям на Земле становится все труднее их контролировать. Даже до тех, что находятся на Юпитере, радиосигналы, движущиеся со скоростью света, идут более 40 минут в одну сторону. Это делает невозможным общение в реальном времени, а выполнение сложных задач становится мучительно медленным. Искусственный интеллект, или ИИ, способен предоставить компьютерам и роботам, которыми эти компьютеры управляют, некоторую степень автономии в принятии решений и выполнении задач, чтобы они справлялись без посторонней помощи. Он может помочь орбитальному спутнику определить, например, над какой поверхностью тот пролетает. Или позволить беспилотному транспортному средству двигаться в указанное место назначения, выбирая оптимальный маршрут. На планете, где все стремительно меняется, автоматическое обнаружение и предотвращение опасностей в реальном времени имеет большое значение для выживания аппарата. Марсоход NASA Curiosity уже использует ИИ для автоматического определения того, какие из находящихся поблизости камней интересны и заслуживают дальнейшего анализа. Множество технологий ИИ должны быть использованы в рамках предстоящих миссий.

В 1958 году США последовали этому примеру, запустив роботизированные орбитальные аппараты Explorer 1 и Vanguard 1. Это произошло незадолго до того, как автономные аппараты начали отправлять дальше в космос. В 1959 году в СССР стартовала программа по запуску орбитальных и спускаемых роботизированных аппаратов на Луну. Станция «Луна-2» стала первым искусственным объектом на поверхности Луны, она прилунилась в сентябре 1959-го. Год спустя «Луна-3» совершила облет нашего естественного спутника и получила первые в истории изображения его обратной стороны. Позднее в ходе подобных миссий также были собраны и доставлены на Землю образцы лунного грунта. На сегодняшний день это единственные успешные роботизированные миссии по доставке образцов с другой планеты или со спутника.

Я надеюсь, что к 2050 году вся Солнечная система будет исследована и нанесена на карту флотилиями крошечных роботизированных кораблей.

Мартин Рис (2009)

В 1961 году США начали собственное исследование Луны с помощью роботов. Первые аппараты в рамках программы «Рейнджер» достигли поверхности нашего спутника в апреле 1962 года. Цель программы состояла в том, чтобы получать его изображения в высоком разрешении во время спуска аппарата вплоть до момента удара.

За «Рейнджерами» последовала программа NASA Surveyors – ее целью уже была мягкая посадка на Луну в рамках подготовки к посадкам экипажей «Аполлона». Некоторые ученые предполагали, что лунный грунт может быть порошкообразным и настолько легким, что любой прилунившийся корабль просто погрузится в него. Программа Surveyors доказала, что это не так. Surveyors 1 успешно совершил посадку возле кратера Флемстид 2 июня 1966 года. В ноябре 1969 года «Аполлон-12» сел всего в 183 метрах от Surveyors 3, что позволило астронавтам дойти до него и забрать его телекамеру и другие части. Он остается единственным роботизированным космическим аппаратом, посадочная площадка которого была обнаружена людьми.

В то же время, когда в США действовала программа Surveyors, Советский Союз разрабатывал свою программу – «Зонд». Изначально она предполагала полеты на Марс и Венеру, но, когда два первых полета закончились неудачно, основной ее целью стало исследование Луны.

Однако советские планы по роботизированному исследованию планет были далеки от завершения. Программа «Венера» стала более успешной, чем «Зонд». «Венера-1» пролетела мимо одноименной планеты в мае 1961 года. Это был первый в истории пролет космического аппарата с Земли мимо другой планеты. К сожалению, до этого контакт со станцией был потерян, поэтому не удалось получить ни изображений, ни данных. В 1966 году «Венера-3» совершила жесткую посадку на Венеру, став первым космическим аппаратом, спустившимся на поверхность другой планеты. За ним последовали «Венера-4», «Венера-5» и «Венера-б», которые осуществляли частично контролируемые спуски, передавая данные. Наконец, 15 декабря 1970 года «Венера-7» совершила первую мягкую посадку на другой планете и смогла функционировать на ее поверхности при температуре 460°С в течение 23 минут. Программа «Венера» продолжалась до 1980-х годов. В 1982 году «Венера-13» отправила первые цветные изображения адски горячей поверхности одноименной планеты.

Красная планета

Соединенные Штаты тоже отправляли роботизированные аппараты на Венеру в 1960–1970-х годах. Первый пролет их функционирующей станции, «Маринера-2», мимо этой планеты произошел в декабре 1962 года. Но гораздо больше США интересовал Марс. «Маринер-4» впервые пролетел над Красной планетой в 1964 году. А 14 ноября 1971 года «Маринер-9» стал первым аппаратом на орбите вокруг Марса, которому удалось также получить крупные планы его поверхности – включая гигантскую рифтовую долину, расположенную у экватора планеты и названную впоследствии долиной Маринера.

Успех «Маринера» продолжила программа «Викинг», в рамках которой два орбитальных и два спускаемых аппарата успешно добрались до Марса в июле и сентябре 1976 года. Данные и изображения поверхности планеты, полученные в ходе их полетов, позволили предположить, что большая часть поверхности Марса, по-видимому, сформировалась в результате водной эрозии.

В 1980–1990-х годах в исследованиях Марса, казалось, наступило затишье. Многие миссии провалились. За эти годы Марс приобрел репутацию планеты, к которой все стремятся, но лишь менее половины отправленных туда аппаратов достигают ее. Ситуация начала меняться в конце 1990-х годов, когда Mars Pathfinder совершил посадку в долине Арес, древней марсианской пойме. Более того, от него отделился Sojourner – планетоход размером с микроволновую печь, который мог передвигаться на небольшие расстояния и исследовать любые интересные объекты, найденные в непосредственной близости от места посадки. СССР впервые применил подобную концепцию еще в 1970-х годах, когда запустил «Луноходы». Однако попытки отправить марсоход на Красную планету на борту аппаратов «Марс-2» и «Марс-3» не увенчались успехом.

В 2004 году NASA следом за Mars Pathfinder отправило два марсохода-близнеца: Spirit и Opportunity. Оба продолжали работать в течение многих лет, a Opportunity, прослуживший дольше всех, пережил даже пылевую бурю в июне 2018 года и преодолел в общей сложности 45,16 км по марсианской поверхности – на сегодняшний день это самое большое расстояние, пройденное планетоходом. В 2012 году за ними последовал Curiosity – ровер размером с автомобиль, предназначенный для изучения следов жизни на Марсе, а также его геологии и климата.

В ближайшее время на Красной планете должен сесть марсоход Perseverance, похожий на Curiosity, но оснащенный более современными научными инструментами. Исследователи надеются, что он подготовит почву для миссии по доставке образцов с Марса. Perseverance будет собирать образцы и оставлять их в контейнерах по ходу своего маршрута, а затем эти контейнеры заберет следующий марсоход, и в результате они попадут к ученым на Земле. Образцы подвергнут всевозможным научным исследованиям, доступным только в полномасштабной лаборатории, а не просто ограниченному набору тестов, которые способен провести космический аппарат с помощью своих инструментов. Образцы с Луны, из хвоста кометы и с поверхности астероида, а также частиц солнечного ветра уже были доставлены на Землю роботизированными космическими аппаратами.

Первопроходцы

Еще до окончания программы «Аполлон», в марте года, NASA запустило «Пионер-10». В том же году он достиг пояса астероидов за Марсом и в ноябре года начал получать фотографии гигантской планеты Юпитер и ее спутников, прежде чем отправиться во внешние пределы Солнечной системы. Контакт с аппаратом был потерян в 2003 году, и специалисты предполагают, что сейчас он находится в 18 миллиардах километров от Солнца. На борту «Пионера-10», а также «Пионера-11» (он тоже достиг Юпитера и стал первым аппаратом, пролетевшим над Сатурном) есть металлические пластины с посланием. На них нанесены символы и изображения, которые могут объяснить, откуда прибыли эти аппараты, и рассказать кое-что о людях – на тот случай, если «Пионеры» во время их путешествия сквозь межзвездное пространство после выхода из Солнечной системы будут перехвачены разумными внеземными формами жизни.

Возможно, одним из наиболее успешных проектов NASA стала программа «Вояджер», стартовавшая в 1977 году. «Вояджер-1» достиг Юпитера и Сатурна. Но звездой оказался «Вояджер-2»: он совершил настоящий гранд-тур – как теперь его стали называть, – пролетев мимо Юпитера, Сатурна, Урана и даже Нептуна в 1989 году. Невероятные изображения внешних планет, сделанные этим аппаратом, вдохновили целое поколение исследователей, а полученные им научные данные определили вектор изучения внешних областей Солнечной системы на десятилетия вперед.

Не думайте о роботах как о тех, кто заменит людей, – думайте о них как о вещах, что помогут нам лучше справляться со многими проблемами, с которыми мы сталкиваемся.

Оуэн Трейси (2016)

За «Вояджерами», в 1990 – начале 2000-х годов, последовал «Галилей», в течение восьми лет исследовавший Юпитер и его спутники, и «Кассини», целью которого был Сатурн. А также запущенный ЕКА «Гюйгенс». Он сел на поверхность самого большого спутника Сатурна – Титана, тем самым впервые в истории совершив посадку на спутник другой планеты, которая к тому же стала первой посадкой во внешней Солнечной системе. Аппарат проработал на поверхности Титана – где средняя температура составляет всего – 180°С – 90 минут, обнаружив там мир вечно замороженного водяного льда и жидких углеводородов.

Плутон и далее

Технически Плутон перестал быть планетой в 2006 году, когда Международный астрономический союз выделил новый класс тел Солнечной системы – карликовые планеты, – к которому и причислили Плутон. И все же для многих любителей космоса он по-прежнему особенный. Своего роботизированного исследователя Плутон дождался в 2015 году. Аппарат «Новые горизонты» был запущен с Земли в 2006 году, и благодаря сочетанию малой массы и мощного гравитационного маневра (см. главу 3) около Юпитера он разогнался до скорости почти 50 000 км/ч, став, таким образом, самым быстрым из когда-либо существовавших космических аппаратов. С расстояния 12 500 км «Новые горизонты» запечатлел поверхностные особенности Плутона, его самого большого спутника, Харона, и еще нескольких более мелких лун.

Наряду с «Пионерами» и «Вояджерами» «Новые горизонты» сейчас покидает Солнечную систему и летит к звездам. В некотором смысле роботы уже исследовали это пространство. Множество аппаратов было запущено в космос, чтобы наблюдать далекую Вселенную, свободную от мрачной дымки земной атмосферы, светового загрязнения и радиопомех, создаваемых человеческой деятельностью.

Первым стал Explorer 7, отправленный в космос Соединенными Штатами еще в 1959 году. За ним последовало еще много других аппаратов. Они изучали свет из космоса во всех частях спектра – от радиоволн и видимого света до высокоэнергетических гамма-лучей. Вероятно, наиболее известным из этих аппаратов является космический телескоп «Хаббл», который был запущен на околоземную орбиту в 1990 году и работает до сих пор. Космические телескопы показали нам планеты, вращающиеся вокруг других звезд, далекие галактики и сверхмассивные черные дыры и даже помогли физикам сложить кусочки истории о том, как родилась и эволюционировала наша Вселенная.

Если мы отправляем людей в космос, у нас должна быть веская причина – и четкое понимание, что мы почти наверняка их потеряем.

Карл Саган. Голубая точка. Космическое будущее человечества (1994)

Между тем новые космические аппараты будут отправляться в места, где никто с Земли еще не был. Это и беспилотные вертолеты, и квадрокоптеры, которые поднимутся в небо Марса и окутанного туманом спутника Сатурна Титана. Есть планы по запуску подводных аппаратов для исследования подповерхностных океанов с жидкой водой, скрывающихся подо льдами на некоторых спутниках Юпитера, как полагают ученые. Научно-исследовательский проект Breakthrough Starshot, к которому мы еще вернемся, представляет собой амбициозный план по отправке аппарата в путешествие на четыре световых года к ближайшей к нам звездной системе Альфа Центавра.

Кажется, что, где бы ни путешествовали люди – в Солнечной системе или за ее пределами, роботы всегда будут нашими помощниками и друзьями, коллегами и членами экипажа. Возможно, в конце концов, научно-фантастическое видение было не так уж и далеко от истины.

06. Космос – это большой бизнес

Мы фактически на пороге новой эры освоения космоса, в которой коммерческие компании будут играть значительно большую роль.

Илон Маск (2012)

Этот прекрасный восход солнца – наверное, лучший за сегодня. И он уже пятый. Полумесяц света становится все ярче, пока Солнце не врывается во тьму, высвечивая своими лучами знакомые очертания суши и впечатляющие погодные вихри.

Вы наблюдаете все это, не выходя из космического отеля, который облетает Землю каждые 90 минут. Когда вы не наслаждаетесь невероятными видами, вы можете поплавать в невесомости или поизучать астрономию по самому ясному небу, что вы когда-либо видели. А у по-настоящему бесстрашных есть шанс испытать на себе физические пределы, выйдя в открытый космос.

В 1967 году Баррон Хилтон, в то время сопредседатель Hilton Hotels, выступил с речью перед Американским обществом астронавтики, призывая создать инфраструктуру, с помощью которой платежеспособные туристы могли бы летать в космос. Наряду с домашними роботами и летающими автомобилями это стало давно обещанной, но так и не осуществленной мечтой. Сегодня несколько компаний, специализирующихся на космическом туризме, готовы воплотить эту мечту в жизнь.

Некоторые утверждают, что космические отели уже существуют. Первый модуль МКС был выведен на орбиту в ноябре 1998 года на борту российской ракеты «Протон». В 2001 году МКС стала первой космической станцией, которая приняла постояльцев, – российское космическое агентство начало продавать места на кораблях «Союз», доставлявших туристов на МКС, где те проводили 1–2 недели. Тем не менее подобные путевки все еще не по карману большинству людей.

Космический туризм – лишь один из способов использования космической среды в коммерческих целях. С 1960-х годов на околоземной орбите работают спутники связи, позволяющие корпорациям с легкостью передавать данные, телефонные звонки и телепередачи по всему миру. Спутниковая навигация – еще одна технология, без которой многие из нас не могут обойтись. Но в настоящее время корпорации не просто эксплуатируют спутники – они занимаются их запуском и даже организовывают собственные космические миссии.

Я уверен, что когда космический отель станет реальностью, он станет также финансовой реальностью для Hilton.

Баррон Хилтон (1967)

Мир, где космические полеты настолько сложные и дорогие, что позволить их себе могут лишь государства, постепенно меняется, и на авансцену выходят миллиардеры и частные компании, которые собираются перевозить различные грузы и людей к недоступным им ранее рубежам и обратно – за соответствующую цену.

Зарождающаяся индустрия

Производство космического оборудования уже давно в руках частного сектора. Еще в начале 1950-х годов были заключены контракты с такими компаниями, как Chrysler, North American Aviation и Douglas Aircraft Company, на проектирование и конструирование баллистической ракеты «Редстоун», которая вывела первых американских астронавтов в космос. Эти компании производили и поставляли транспортные средства и запчасти – но они не делали космические корабли, и, конечно, им не разрешалось проводить полеты.

Конечная цель космических путешествий – не только донести до человечества научные открытия и показать зрелищные шоу, что транслируются по телевидению, но и способствовать настоящему развитию духа.

Фримен Дайсон (1979)

Ситуация начала меняться в 1962 году, когда президент Джон Кеннеди подписал Закон о спутниковой связи. Он позволил частным компаниям владеть и управлять спутниками на орбите вокруг Земли и положил начало индустрии спутниковой связи. Первый спутник, Telstar 1, был запущен в том же году, он стал совместным экспериментальным проектом AT&T, Bell Tabs, NASA, Центрального почтамта Великобритании и французской телекоммуникационной компании National РТТ.

Telstar 1 стартовал с мыса Канаверал на борту ракеты NASA Thor-Delta. Американское космическое агентство настаивало на участии и активно выступало против того, чтобы позволить частным корпорациям «вмешиваться» в космос путем проведения собственных запусков.

Однако NASA не всегда добивалось своего. В сентябре 1982 года компания Space Services Inc., пост президента которой занимал бывший астронавт NASA Дональд Слейтон, осуществила первый в истории частный запуск ракеты в космос. Conestoga представляла собой модификацию МБР Minuteman. Она стартовала с острова Матагорда, расположенного в 11 км от побережья штата Техас в Мексиканском заливе, и доставила испытательный груз весом 500 кг на высоту 309 км. К сожалению, это был единственный успешный запуск ракеты.

Позиция NASA начала меняться, когда в 1984 году президент США Рональд Рейган подписал Закон о коммерческих запусках в космическое пространство, сделавший частные космические запуски легальными. А принятый в 1990 году Закон о закупке услуг по запуску фактически заставил NASA закупать ракеты-носители у частных производителей при любой возможности.

Коммерциализация космических полетов осуществлялась и за пределами Соединенных Штатов. В 1980 году Европейское космическое агентство основало Ariane-space – компанию, предоставляющую услуги по космическим запускам. Первоначально она использовала только ракеты Ariane, но теперь обладает набором более мелких ускорителей, что позволяет ей доставлять в космос полезные грузы различного размера. В 1990-е годы на рынок вышла российская инфраструктура космических полетов, стали доступны места на кораблях «Союз». После снятия с эксплуатации «Спейс шаттла» в 2011 году – и до тех пор, пока коммерческие пилотируемые полеты не станут доступны через частные компании, такие как SpaceX и другие, – NASA приходится бронировать места для своих астронавтов на «Союзах».

Девушка с «Марса»

У частных лиц шансы отправиться в космос выросли в 1980-х годах, когда NASA анонсировало участие «специалиста по полезной нагрузке» в полетах на «Спейс шаттле». Эти члены экипажа часто были не профессиональными космонавтами, а учеными или инженерами, обладающими техническими знаниями, имевшими отношение к конкретной миссии. Однако они все же проходили интенсивное обучение по программе астронавтов, прежде чем их допускали к полету.

В 1989 году консорциум британских компаний, в том числе British Aerospace и Interflora, запустил проект Juno по отправке британского гражданина в космос. На эту вакансию претендовали 13 000 человек («Необходим астронавт. Опыт не требуется»), из которых четверых отобрали для прохождения 18-месячного обучения в Звездном городке, где располагается российский учебный центр подготовки космонавтов. В конечном итоге в космос полетела 26-летняя Хелен Шармен, работавшая химиком-технологом в кондитерской компании «Марс». 18 мая 1991 года она поднялась на борт корабля «Союз» и отправилась на космическую станцию «Мир», где пробыла восемь дней, проводя научные эксперименты и фотографируя Британию из космоса – оставляя при этом немного времени, чтобы поговорить по радиосвязи с детьми на Земле. По возвращении Шармен стала популярным научным докладчиком, она писала статьи и читала лекции, в которых рассказывала о своем опыте. В 1990 году японский журналист Тоёхиро Акияма тоже полетел на станцию «Мир» на корабле «Союз» и провел там неделю. Полет профинансировал его работодатель – Токийская радиовещательная компания.

Истинное будущее космических путешествий не зависит от правительственных учреждений… реальный прогресс будет достигнут благодаря частным компаниям, конкурирующим за возможность обеспечить приключенческую поездку по высшему разряду.

Базз Олдрин (2009)

1990-е годы стали непростым временем для российской космической программы из-за тяжелой экономической ситуации в стране после распада Советского Союза в 1991 году. Космический туризм рассматривался как один из способов привлечения необходимых средств, что привело Российское космическое агентство к сотрудничеству с частными инвесторами и созданию MirCorp – компании, целью которой было получение дохода от станции «Мир». И одним из направлений ее деятельности стал космический туризм.

Первый заказчик MirCorp, американский бизнесмен Деннис Тито, в июне 2000 года объявил, что заплатил 20 миллионов долларов за пребывание на космической станции. Однако он опоздал: в 1999 году станция «Мир» была выведена из эксплуатации, а в марте 2001 года – с орбиты и сгорела в атмосфере Земли над Тихим океаном. И все же Тито отправился в путешествие, но вместо станции «Мир» он полетел на МКС (в конце апреля 2001 года), где провел восемь дней. Хотя Шармен и Акияма предшествовали ему, Тито считается первым космическим туристом, поскольку оплатил свой билет сам.

Мысли о награде

Вслед за Тито на МКС полетели еще шесть туристов – один из них, американский инженер-программист венгерского происхождения Чарльз Симони, летал даже дважды. Пока цена полета снизилась несильно. Однако, вероятно, ситуация скоро изменится, когда космические корабли компании Virgin Galactic начнут осуществлять короткие суборбитальные «прыжки» над линией Кармана с пассажирами на борту.

Как ожидается, корабль Virgin Galactic SpaceShipTwo поднимется до высоты 15 000 м на реактивном самолете с обычным двигателем. Затем он отсоединится и включит свой гибридный ракетный двигатель, который разгонит корабль до скорости 4200 км/ч (в 3,4 раза быстрее скорости звука), которой достаточно для того, чтобы набрать максимальную высоту – 110 км. На этапе полета с неработающим двигателем корабль будет пребывать в свободном падении, что позволит пассажирам около шести минут находиться в состоянии невесомости.

Во время суборбитального полета теплозащитный экран для повторного входа в атмосферу Земли не потребуется – вместо этого у SpaceShipTwo есть крылья, которые будут раскладываться и замедлять спуск, прежде чем корабль приступит к контролируемой посадке на взлетно-посадочную полосу. Общее время полета составит примерно 2,5 часа. Стоимость билета будет начинаться от 250 000 долларов – все еще больше того, что подавляющая часть людей может себе позволить, хотя предполагается, что цена снизится, когда технология станет более отработанной.

Рейсы Virgin Galactic отправляются из космопорта «Америка» – лицензированного Федеральным управлением гражданской авиации США места для запуска и посадки в штате Нью-Мексико. Также космопорты есть в Оклахоме, Калифорнии, на Аляске и в других местах. Virgin Galactic планировала начать пассажирские полеты еще в 2007 году. Но несколько инцидентов послужили причиной переноса этой даты. Например, в октябре 2014 года во время испытательного полета SpaceShipTwo потерпел крушение в воздухе, в результате чего погиб один из пилотов. Предполагается, что аварию вызвало то, что крылья корабля случайно были переведены в положение для повторного входа в атмосферу, тогда как главный ракетный двигатель все еще работал. При повторном входе крылья создают значительное аэродинамическое сопротивление, используемое для замедления спуска космического корабля, но во время полета с включенным двигателем эта сила становится слишком велика, чтобы конструкция транспортного средства могла выдержать такую нагрузку.

Однако теперь Virgin Galactic, кажется, вернулась к намеченному графику. В феврале 2019 года SpaceShipTwo совершил первый полет с тремя астронавтами на борту – двумя пилотами и пассажиром (полная вместимость корабля – восемь человек: два пилота и шесть пассажиров).

Virgin Galactic приобрела лицензию на технологию производства кораблей для коммерческих суборбитальных полетов у калифорнийской аэрокосмической компании Scaled Composites. В ее структуру входит Mojave Aerospace Ventures, которая разработала предшественника SpaceShipTwo – SpaceShipOne, чтобы выиграть 10 миллионов долларов в конкурсе Ansari X Prize. Согласно его условиям этот денежный приз должна была получить негосударственная компания, осуществившая сборку и запуск космического корабля, способного дважды в течение двух недель доставить людей к границе космоса. SpaceShipOne совершил второй успешный полет 4 октября 2004 года – ровно 47 лет спустя после запуска «Спутника-1», – и в результате Mojave Aerospace Ventures получила приз.

Финансировали проведение конкурса предприниматели Ануше и Амир Ансари и фонд X Prize – некоммерческая организация, способствующая технологическим инновациям путем здоровой конкуренции. Фонд был вдохновлен премией Ортейга (вознаграждение в размере 25 000 долларов), учрежденной в начале XX века бизнесменом Реймондом Ортейгом за первый беспосадочный перелет через Атлантический океан. Приз в 1927 году получил американский летчик Чарльз Линдберг, который совершил перелет из Нью-Йорка в Париж, преодолев 5800 км за 33,5 часа на своем моноплане Spirit of St. Louis.

Унеси меня на Луну

Тогда как деятельность Virgin Galactic ограничена узким регионом, расположенным чуть выше линии Кармана, другие частные компании, занимающиеся космическими полетами, нацелены на более высокие цели. Такие корпорации, как SpaceX, Blue Origin и United Launch Alliance, строят и запускают космические аппараты, которые могут достигать орбиты, Луны, а возможно, и Марса и даже более далеких планет.

В частности, SpaceX, похоже, добилась удивительного прогресса за относительно короткое время. Компания была создана в 2002 году изобретателем и бизнесменом Илоном Маском на деньги, вырученные от продажи системы онлайн-платежей PayPal, соучредителем которой он был. И уже в 2008 году ракета SpaceX с жидкостным двигателем, Falcon 1, вышла на орбиту. В 2012 году более мощная Falcon 9 доставила капсулу, пристыковавшуюся к МКС, – впервые это сделала частная корпорация. Кроме того, SpaceX стала первой компанией, которая осуществила автоматический запуск ракетной ступени и ее вертикальную посадку на Землю с целью ее повторного использования, сократив, таким образом, стоимость каждого запуска до 50 миллионов долларов (одноразовые ракеты аналогичного размера стоят вдвое дороже). В 2018 году SpaceX совершила первый запуск своей ракеты сверхтяжелого класса Falcon Heavy, которая в качестве рекламы вывела автомобиль Маска – красный Tesla Roadster – на околосолнечную орбиту.

Чтобы создать космическую станцию, мы будем работать с растущим количеством частных компаний, стремящихся сделать полет в космос легче и доступнее.

Барак Обама (2010)

В настоящее время SpaceX использует Falcon 9, чтобы отправлять беспилотные аппараты на МКС, и на момент написания этой главы компания уже проверила капсулу Dragon, созданную для полета человека в космос: ожидается, что именно она будет доставлять астронавтов на станцию и обратно. Первый запуск корабля Crew Dragon был запланирован на май 2020 года, и, вполне возможно, он уже состоится к тому времени, как вы прочитаете эти строки[10]. NASA заявило, что оно позволит летать на МКС частным астронавтам на борту Crew Dragon. Стоимость составит 35 000 долларов за день.

Следующий крупный проект SpaceX – Starship. Он пришел прямо из научной фантастики – это 50-метровая ракета-корабль из нержавеющей стали, способная доставлять до ста человек или эквивалентный груз на орбиту вокруг Земли и на другие планеты Солнечной системы. Другой вариант ракеты будет служить танкером, перевозящим топливо на орбиту вокруг Земли для обеспечения дозаправки в полете. Все варианты Starship планируется запускать на вершине ракеты-носителя Super Heavy – абсолютного великана, который, как ожидается, при взлете будет генерировать вдвое больше тяги, чем ракета «Сатурн-5».

На поверхности таких небесных тел, как Луна и Марс, гравитация намного слабее, что позволит Starship взлетать без помощи Super Heavy. В августе 2019 года испытательный аппарат под названием Starhopper, напоминающий большую металлическую емкость на подставке, взлетел на высоту 150 метров, завис и совершил контролируемую посадку. По состоянию на начало 2020 года два полных прототипа Starship находились в стадии разработки. После запуска Starship заменит ракеты Falcon в качестве стандартного способа достижения космического пространства, но этого не произойдет до 2021 года – и даже эта дата все еще кажется амбициозной, учитывая масштаб проекта. Маск утверждает, что цена за запуск в конечном итоге может упасть до 2 миллионов долларов, что является ничтожной долей от текущих цен.

К Starship уже есть интерес со стороны потенциальных туристов. Японский миллиардер Юсаку Маесава хочет нанять его в 2023 году, чтобы отправиться в путешествие к обратной стороне Луны – по так называемой траектории свободного возврата, – и взять с собой нескольких художников, чтобы запечатлеть этот опыт. Так, в рамках его проекта, получившего имя dearMoon, может быть совершен первый космический полет с экипажем за пределы низкой околоземной орбиты с 1972 года. Маск заявил, что он намеревается отправить космический корабль на Марс, возможно, уже в 2025 году (хотя, опять-таки, это выглядит слишком оптимистично), чтобы со временем создать там колонию.

Космические ресурсы

Даже с остановкой для дозаправки на околоземной орбите кораблю, летящему до Марса, потребуется дополнительное топливо на обратный путь, которое, как ожидается, можно будет изготовить прямо на поверхности Марса с помощью технологии «добыча ресурсов in situ». Она предполагает бурение подземного водяного льда (Н_20) на Марсе и объединение его с углекислым газом (СО_2) из атмосферы планеты для производства жидкого кислорода (0_2) и жидкого метана (СН_4), который Starship использует в качестве топлива.

В соответствии с другим вариантом химические вещества и минералы планируют добывать на других планетах и спутниках и доставлять их на Землю. Хотя Договор о космосе 1967 года не позволяет какому-либо государству претендовать на суверенитет над небесным телом, нет никаких ограничений, регулирующих добычу и эксплуатацию ресурсов. В ноябре 2015 года президент США Барак Обама подписал Акт о конкурентоспособности коммерческих запусков в космос, позволяющий частным компаниям и гражданам США «заявлять свои претензии» на материалы, которые им удастся добыть в космосе, и получать с них прибыль.

Являются ли правительства единственными организациями, которые могут создавать космические корабли? Нет, на самом деле каждый космический корабль, когда-либо построенный для NASA был создан частной промышленностью.

Алан Штерн (2010)

Этими материалами могут быть драгоценные металлы – золото, серебро и платина – и элементы, редко встречающиеся на Земле, но распространенные в космосе, например иридий и рений, которые потенциально могут быть добыты из астероидов. Ракетное топливо – еще один актив. Помимо Марса, его можно изготовить и на Луне, тоже из водяного льда, а затем использовать для дозаправки в космосе. Из-за слабой гравитации на поверхности Луны это обойдется намного дешевле, чем доставка с Земли.

Главный кандидат на добычу на Луне – гелий-3, изотоп гелия, в котором каждый атом имеет на один нейтрон меньше. Считается, что запасы этого вещества были захвачены лунным грунтом из солнечного ветра. Гелий-3 может служить топливом для термоядерных реакторов, которые, как ожидается, будут вырабатывать энергию путем слияния атомов – подобно ядерным реакциям, происходящим внутри Солнца. Многие потенциальные термоядерные горючие вещества испускают смертельное и трудно удерживаемое нейтронное излучение, но с гелием-3 этого не происходит, что делает его весьма привлекательным товаром для добычи и доставки на Землю.

Из учебников по истории мы помним, что, куда бы ни пошли первопроходцы, за ними следует бизнес. То же самое мы наблюдаем и сейчас, когда начинается использование околоземной среды и коммерция становится естественным двигателем экспансии человечества в космос. Тем не менее космические отели, добыча полезных веществ из астероидов и частные экскурсии на другие планеты – пока лишь фантастические идеи. Но уже на наших глазах реализуются невероятные миссии в невероятные места. Туда мы и отправимся.

07. Следующий гигантский скачок уже начался

Мы ускорим наше возвращение на Луну к 2024 году и создадим основу для устойчивого присутствия там человека к 2028 году.

Джим Брайденстайн (2019)

Сейчас подходящее время для того, чтобы быть космическим энтузиастом. Марсоход NASA Perseverance, размером с автомобиль, оснащенный беспилотным дроном-разведчиком для проведения аэросъемки, должен совершить посадку на Марсе в начале 2021 года. Его основная цель – исследовать возможность жизни на Красной планете как в прошлом, так и в настоящем. В ближайшее десятилетие планируется также запуск аппаратов для доставки образцов с астероидов и поиска океанов на ледяных спутниках Юпитера. Кроме того, в космос отправится долгожданный телескоп «Джеймс Уэбб», преемник могущественного «Хаббла».

Программа 2020

Марс, несомненно, останется ключевым объектом космических исследований в этом десятилетии. Хотя это и не самая близкая к Земле планета с точки зрения размера или расположения (эта честь принадлежит Венере), Марс наиболее похож на Землю из всех планет Солнечной системы. Он имеет каменистую поверхность, окружен прозрачной атмосферой. Гравитация здесь гораздо сильнее, чем на Луне, – примерно в три раза слабее земной. Тут тоже происходит смена времен года, есть вулканы и вода. Глядя на изображения поверхности Марса, можно предположить, что они сделаны в засушливой пустыне где-то на Земле. Марс – привлекательный мир, который давно манит нас своими секретами, и не в последнюю очередь возможностью того, что когда-то там могла существовать жизнь. Именно поэтому NASA организовало самую амбициозную на данный момент миссию по отправке туда роботизированного планетохода.

Мы собираемся реализовать серию миссий, чтобы начать поиск жизни на Марсе, и теперь эта цель еще более привлекательна, чем когда-либо прежде.

Джеймс Грин, главный научный сотрудник NASA (2015)

Этот аппарат, получивший имя Perseverance, что значит «настойчивость», весит более тонны и достигает в длину почти трех метров (размером с небольшую машину). Марсоход отправится с мыса Канаверал на борту мощной ракеты «Атлас-5», стартовое окно для запуска – с 17 июля по 5 августа 2020 года[11]. Полет до Марса займет около семи месяцев, а посадка запланирована на 18 февраля 2021 года. Выбранная площадка – кратер Езеро, который, как полагают специалисты, был дном озера от 3,5 до 4 миллиардов лет назад. Отложения, осевшие из воды, что текла здесь когда-то, могут содержать химические следы древних организмов, живших на Марсе в то время, а также сохранившиеся окаменелости.

Среди многочисленных научных инструментов у Perseverance есть сверло, которое предназначено для извлечения образцов пород и грунта марсианской поверхности. Они будут запечатаны в герметичные контейнеры и оставлены на поверхности планеты, чтобы следующий марсоход собрал их и в рамках еще нескольких миссий они были переданы на Землю (хотя эти миссии еще не утверждены). Perseverance также протестирует технологии извлечения кислорода из марсианской атмосферы, что необходимо для любого долгосрочного присутствия человека на Красной планете.

Когда спускаемый аппарат войдет в атмосферу Марса со скоростью 26 000 км/ч, теплозащитный экран выполнит свою функцию во время аэродинамического торможения, которое нагреет внешнюю поверхность аппарата до 2100°С. Несмотря на то что атмосфера Марса достаточно плотная, чтобы потребовался теплозащитный экран, в то же время она слишком тонкая, чтобы можно было полностью замедлить аппарат только с помощью торможения об нее. На скорости около 1400 км/ч будут раскрыты парашюты, а затем, при достижении 300 км/ч, запустятся тормозные двигатели. Марс находится довольно далеко от Земли, так что наземные диспетчеры не смогут осуществлять дистанционное управление спускаемым аппаратом. Вместо них это будет делать программное обеспечение, в свою очередь управляемое радиолокационными датчиками, – до тех пор, пока ракетные двигатели не обеспечат зависание аппарата на высоте около 20 метров. Марсоход на лебедке опустится на поверхность, пиропатроны обрежут кабели, и спускаемый аппарат отделится и улетит, чтобы совершить аварийную посадку. Осуществить спуск на поверхность планеты с включенным двигателем невозможно, так как это приведет к выбросу облаков пыли, способных повредить высокочувствительные инструменты марсохода.

Этот способ, казалось бы сошедший прямо с рисунков Хита Робинсона[12], называется «небесный кран», и он отлично сработал при посадке предшественника Perseverance, марсохода Curiosity, в 2012 году. Весь этап, включающий вход в атмосферу, спуск и посадку, занимает приблизительно семь минут и является чрезвычайно сложным и непредсказуемым. Настолько, что инженеры NASA называют его «семью минутами ужаса».

Камни и скалы

Оказавшись на поверхности, марсоход начнет свою миссию с запланированной продолжительностью в один марсианский год, или 1,88 земных года. (Такой же была предполагаемая продолжительность основной миссии Curiosity, который на момент написания этой книги работает уже пятый марсианский год.) Ожидается, что в течение этого периода Perseverance будет проезжать примерно 200 метров в день, исследуя грунт и породы, которые встретятся ему на пути. Ну а учитывая, что на борту у него не менее 23 камер, вы можете быть уверены: недостатка в потрясающих изображениях, сопровождающих его изыскания, не будет.

Через 60 дней Perseverance активирует небольшого беспилотного вертолетного дрона, чтобы начать короткую программу испытательных полетов. Впервые на другой планете будет запущен летательный аппарат. Он не будет заниматься какими-либо научными изысканиями – его задача в том, чтобы исследовать полет на другой планете. У дрона две камеры, и разрешение сделанных ими аэрофотоснимков во много раз превысит разрешение тех, что получены с орбиты. В будущем специалисты с помощью обследования местности подобными аппаратами смогут корректировать движение планетоходов по поверхности, а также регулировать полеты в труднодоступные места, такие как скалы, например.

Лунные врата

В 2022 году NASA — совместно с ЕКА, «Роскосмосом», канадским и японским космическими агентствами – планирует запустить первый компонент «Лунных врат» – космической станции с экипажем на окололунной орбите. Орбитальная платформа с многомодульной структурой и внутренним объемом 125 м^3 (для сравнения: на МКС – 915 м^3) будет включать в себя модули для силовой и двигательной установки, жилье для экипажа из четырех человек, а также научное оборудование и средства для стыковки с космическими кораблями. Станцию выведут на эллиптическую орбиту, проходящую над полюсами Луны, и с периодом обращения шесть дней она будет максимально отдаляться на 70 000 км, а приближаться на 3000 км. Запуск «Лунных врат» является ключевым этапом программы «Артемида» – проекта по возвращению космонавтов на Луну. Станция призвана стать базой для исследований единственного спутника Земли и послужить отправной точкой для дальнейших пилотируемых полетов.

Дрон будет получать энергию от ионно-литиевой батареи, которая сможет заряжаться между полетами с помощью солнечных панелей. Марсоходу же питание обеспечит радиоизотопный термоэлектрический генератор (или, для краткости, РИТЭГ – см. главу 8), содержащий 4,8 кг диоксида плутония. Срок службы ядерной батареи составляет 14 лет. А что касается солнечных панелей, они не в состоянии удовлетворить требования такого большого аппарата и его приборов – и к тому же склонны покрываться марсианской пылью, что снижает их эффективность.

Из машины

В ближайшие годы мы также посетим спутники Марса. В сентябре 2024 года Японское агентство аэрокосмических исследований планирует запустить роботизированный аппарат под названием Martian Moons exploration («Исследование марсианских лун») для изучения Фобоса и Деймоса. ММХ сядет на Фобосе, соберет 10 граммов образцов грунта, после чего снова взлетит и совершит полет до Деймоса, перед тем как отправить капсулу с образцом на Землю в 2029 году.

Миссии, целью которых является доставка образцов на Землю, вошли сегодня в моду. Помимо запланированной миссии марсхода Perseverance, существуют и другие, уже начавшиеся. На момент написания этой книги аппарат NASA OSIRIS-REx находится на орбите вокруг околоземного астероида (101955) Бенну. Перед тем как отправиться в обратный путь, он пролетит очень близко к поверхности астероида, вытянув манипулятор вниз, чтобы взять образцы грунта, которые доставит на Землю в сентябре 2023 года. Другой аппарат, призванный доставить образцы с астероида, «Хаябуса-2» японского космического агентства, уже на пути домой, причем на его борту находятся образцы как грунта, так и скальных пород астероида (162173) Рюгу. Он должен вернуться на Землю в конце 2020 года. Тем временем также Китай готовит запуск своих аппаратов – «Чанъэ-5» и «Чанъэ-6». В декабре 2020 года они отправятся на Луну, чтобы затем доставить на Землю образцы ее грунта, необходимые для подготовки к созданию постоянной исследовательской станции вблизи южного полюса Луны.

JUICE позволит нам больше узнать о том, как образуются газовые гиганты, а также об их потенциале для жизни.

Альваро Хименес Каньете, научный директор ЕКА (2012)

Поиски жизни в других местах Солнечной системы продолжаются, и не только Марс привлек внимание ученых. У больших спутников Юпитера – Каллисто, Европы и Ганимеда – есть ледяные внешние оболочки, которые, как считается, скрывают океаны с жидкой водой, нагретой и удерживаемой в жидком состоянии в результате многократного сдавливания и сжатия гравитационным полем Юпитера. Само собой, этот факт позволил предполагать, что существование внеземной жизни на этих телах возможно. Для их исследования ЕКА запустит JUICE (Jupiter Icy Moon Explorer, или «Исследователь ледяных спутников Юпитера») в июне 2022 года. Добравшись туда в октябре 2029 года, аппарат отправится в путешествие по системе Юпитера: совершит облет Европы и Каллисто и, наконец, выйдет на орбиту вокруг Ганимеда. Он будет использовать специальный радар, который позволит ему «заглянуть» под лед, чтобы исследовать наличие подповерхностных вод и определить толщину ледяной оболочки. Миссия JUICE, скорее всего, совпадет по времени с миссией орбитального аппарата NASA Europa Clipper. Вместе они проложат путь роботизированному аппарату, который однажды осуществит спуск к этим далеким мирам.

Вдоль и поперек

NASA планирует отправиться и еще дальше, запустив аппарат Dragonfly к Титану, самому большому спутнику Сатурна. Ранее Титан посетил зонд ЕКА «Гюйгенс», совершивший посадку на поверхности спутника 14 января 2005 года. (Он проработал всего 1,5 часа при температуре -180°С.) Dragonfly будет представлять собой похожий на дрон квадрокоптер, который сможет взлетать на высоту до 4 км. Питание ему обеспечит ядерная установка РИТЭГ. Он будет перескакивать с места на место по поверхности спутника, исследуя его богатую органическую химию, которая, как полагают ученые, отражает состояние ранней Земли и может дать представление о том, как возникла жизнь на нашей планете. Ожидается, что запуск Dragonfly произойдет в 2026 году, а системы Сатурна он достигнет в 2034 году, совершив посадку на дюнных полях Шангри-Ла на Титане.

Поразительно думать, что этот летательный аппарат преодолеет многие мили по песчаным дюнам самого большого спутника Сатурна, исследуя процессы, которые формируют эту необычную среду.

Гомас Цурбухен, заместитель руководителя научного подразделения NASA (2019)

Не все в космосе, что изучается роботизированными аппаратами, может быть изучено вблизи. Одно из наиболее ожидаемых предстоящих событий – запуск космического телескопа «Джеймс Уэбб», преемника «Хаббла». Названный в честь главы NASA, который руководил агентством в эпоху «Аполлонов», «Джеймс Уэбб» будет располагаться в точке Лагранжа L_2 (см. главу 3) на противоположной от Солнца стороне Земли. Именно отсюда, находясь в тени, он будет изучать далекую Вселенную. Ширина главного зеркала телескопа составляет 6,5 метра, что почти в три раза больше, чем у «Хаббла». Зеркало настолько большое, что разделено на сегменты, которые будут сложены во время запуска, а затем расправлены в космосе.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб»

Телескоп «Джеймс Уэбб», запуск которого запланирован на март 2021 года, – это большой космический инфракрасный телескоп. Как ожидается, он уточнит наши представления о формировании звезд, планет и даже галактик, поскольку инфракрасный свет, длина волны которого больше, чем у видимого света, может проходить сквозь облака газа и пыли. Однако он поглощается атмосферой Земли, и именно поэтому инфракрасные телескопы должны находиться в космосе. «Джеймс Уэбб» будет «вглядываться» в космические газовые облака, где, как считается, образуются звезды и планеты. В космосе свет смещается в красную сторону (в сторону более длинных волн) в результате расширения Вселенной, что делает инфракрасные лучи лучшим вариантом для наблюдения самых далеких космических объектов. «Джеймс Уэбб» сможет «видеть» настолько далеко в космосе (и, следовательно, возвращаться далеко в прошлое), что ему удастся запечатлеть самое первое поколение галактик, образовавшихся во Вселенной.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» был разработан специально для того, чтобы увидеть первые звезды и галактики, которые сформировались во Вселенной.

Джон Грансфелд (2017)

Телескоп «Хаббл», расположенный на околоземной орбите, изначально был запущен с фатальной ошибкой в оптике, для исправления которой понадобилась пилотируемая экспедиция. Однако в случае с «Джеймсом Уэббом», на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли, такой возможности не будет, поэтому необходимо приложить все усилия, чтобы все работало правильно с самого начала. Телескоп запустят с Земли на борту ракеты ЕКА «Ариан-5» 30 марта 2021 года, и примерно 30 дней спустя он достигнет точки назначения. Его научная миссия запланирована на пять лет с возможностью продления до десяти, главное ограничение – топливо, необходимое для поддержания положения телескопа в точке L_2.

Экипаж ракеты

NASA планирует эффектное возвращение астронавтов на Луну. В рамках программы, названной «Артемида» (в греческой мифологии Артемида – сестра-близнец Аполлона), в 2021 году должен быть совершен первый испытательный полет без экипажа. Космический корабль «Орион» будет запущен на сверхтяжелой ракете-носителе SLS. Полет корабля продлится более 25 дней, включая 6 дней, необходимые для облета Луны.

В случае успеха за ним в сентябре 2022 года последует пилотируемый полет с экипажем из четырех человек по траектории свободного возврата – предполагается облететь обратную сторону Луны, а затем вернуться на Землю в течение 10 дней. Третий – самый ожидаемый полет, поскольку в ходе него будет предпринята попытка высадки на Луну. В настоящее время его старт запланирован на 2024 год. В рамках «Артемиды» NASA будет сотрудничать с ЕКА, японским и канадским космическими агентствами. Следующие четыре полета, предусмотренные программой, должны совершиться в течение 2025–2028 годов. Так научная деятельность на поверхности Луны будет продолжаться, и в результате начнется строительство космической станции «Лунные врата». Поскольку NASA стремится высадить собственный экипаж на Марсе к 2033 году, опыт, полученный во время реализации программы «Артемида», станет принципиально важным.

К декабрю 2021 года первый индиец будет доставлен в космос на нашей собственной ракете… Это цель, ради которой работает ИОКИ.

Кайласавадиву Сиван, директор ИОКИ (2019)

«Артемида» будет соперничать в завоевании человеком космического пространства с программами SpaceX, и других компаний. Стремятся в космос и другие страны. Индия, как ожидается, запустит свою первую пилотируемую космическую миссию в 2021 году. Космический корабль «Гаганьян» доставит экипаж на околоземную орбиту, полет продлится в течение недели. А Китай – страна, которая уже активно проводит космические исследования, – в 2022 году планирует начать создание третьей обитаемой орбитальной станции. Это достижение, несомненно, укрепит репутацию Китая как третьей по величине мировой космической державы после США и России.

Короче говоря, наступающее десятилетие обещает стать невероятно захватывающим. Нам действительно повезло, что мы можем наблюдать то, что будет происходить на Земле и, конечно, далеко за ее пределами.

08. Эта маленькая Солнечная система

Стремительно близится час, когда Земля, подобно всем матерям, должна будет пожелать своим детям счастливого пути.

Артур Кларк «2001: Космическая Одиссея» (1968)

Пересечь зияющую пропасть межпланетного пространства, отделяющую Землю от других планет Солнечной системы, очень трудно. На данный момент путешествие от Земли до окруженного кольцами газового гиганта Сатурна занимает восемь лет – и еще больше времени необходимо, чтобы достичь внешних границ Солнечной системы.

Медленно перемещаться по космосу, где смертельные дозы радиации сменяются безвоздушным холодным вакуумом, не просто неудобно – это еще и очень опасно. Находясь там, люди полностью зависят от бесчисленных технологий жизнеобеспечения, которые должны работать безупречно. Так что чем дольше человек остается в космосе, тем больше вероятность того, что что-то пойдет не так и его жизнь окажется под угрозой.

Проблема заключается в современных ракетных технологиях. Ракеты работают за счет сгорания – химической реакции, при которой легковоспламеняющееся топливо объединяется с кислородом для сжигания, в результате чего высвобождается энергия – она выталкивает газы через сопло двигателя на очень высокой скорости и толкает ракету в противоположном направлении. Но химическое сгорание – это относительно низкоэнергетический процесс, то есть ракетные двигатели поглощают огромное количество топлива, которое должно быть перенесено ракетой в космос, что делает их довольно медленными.

К счастью для нас, химические ракеты – далеко не последнее слово в космической технике. В ближайшие десятилетия мы можем ожидать, что аппараты будут приводиться в движение ядерными двигателями, а новый вид ионного двигателя сократит время полета до Марса с нескольких месяцев до нескольких недель.

Существуют и другие идеи, такие как «солнечный парус» – гигантский светоотражающий лист, напоминающий фольгу. Он позволит космическому аппарату лететь за счет света, исходящего от нашей звезды. Даже способ, которым мы покидаем Землю и ближайший космос, должен измениться. Например, ученый и писатель Артур Кларк был активным сторонником «космических лифтов» – кабелей, подвешенных к орбитальным платформам, для подъема полезных грузов с поверхности Земли в космос.

Ядерный век

Использование ядерных технологий для запуска космических аппаратов восходит к первым космическим программам. Фактически еще во время Второй мировой войны американские ученые в рамках Манхэттенского проекта, стремясь создать первую атомную бомбу, начали рассуждать о применении этой технологии в ракетах. Проект, получивший название Project Roper, был запущен в начале 1950-х годов в Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико. Его целью была разработка ядерного двигателя для американской МБР «Атлас». Однако к концу 1950-х годов стало ясно, что такой двигатель будет слишком мощным для этой ракеты. Тем не менее в то же время ученые начали оценивать актуальность ядерной энергетики для новой космической программы. В августе 1960 года NASA создало Управление космических ядерных установок. Его основная работа заключалась в том, чтобы курировать Project Rover, вскоре переименованный в Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application («Ядерный двигатель для применения в ракетостроении»), или NERVA.

Артур Чарльз Кларк (1917–2008)

Артур Чарльз Кларк родился в городе Майнхед в графстве Сомерсет 16 декабря 1917 года. Во время Второй мировой войны он работал над созданием радара для Королевских ВВС Великобритании. В 1945 году в статье, опубликованной им в журнале Wireless World, были изложены принципы использования спутников для глобальной связи. Геостационарные спутниковые орбиты до сих пор иногда называют орбитами Кларка. После войны он получил степень по математике и физике в Королевском колледже Лондона. А затем стал президентом Британского межпланетного общества[13] и начал публиковать популярные книги о космических путешествиях. В 1930-е годы Кларк приступил к созданию собственных научно-фантастических произведений. Его первый роман «Да не настанет ночь» вышел в 1948 году. Писатель сосредоточился на «твердой» научной фантастике – основанной на доказанных или по крайней мере правдоподобных научных концепциях. Наиболее известен его роман «2001: Космическая одиссея», опубликованный в 1968 году, а «Фонтаны рая» 1979 года популяризировали концепцию космических лифтов. В 2000 году Кларк был посвящен в рыцари за заслуги в литературе. Он умер в своем доме в городе Коломбо на Шри-Ланке 19 марта 2008 года.

NERVA – ядерный тепловой двигатель, а значит, для непосредственного нагрева топлива ракеты используется энергия ядерных реакций, а не химического сгорания. Основная идея заключается в прокачке водорода через горячий ядерный реактор и нагреве его до температуры более 2200°С. При такой температуре газ может затем проходить через сопло ракеты, образуя высокоскоростной выхлоп (его скорость около 7 км/с), приводящий в движение космический аппарат.

Работа реактора основана на принципе ядерного деления. Это та же самая технология, что применяется на атомных электростанциях, когда вследствие расщепления крупных тяжелых атомов – в данном случае урана – выделяется энергия. Реактор NERVA вырабатывал 1137 МВт – мощность, достаточная для одновременного нагрева более 600 000 электрических чайников.

Первый запуск полностью работоспособного двигателя NERVA состоялся 24 сентября 1964 года на испытательном полигоне Джекэсс Флэтс в штате Невада. Все наземные испытания проходили успешно в течение 1960-х годов. Полагали даже, что NERVA станет двигателем разгонного блока при запуске «Аполлонов». Однако шансы, что технологию примут вовремя, чтобы достичь цели, поставленной Кеннеди, – оказаться на Луне в конце десятилетия, – все же были невелики.

По мере нашего продвижения в Солнечной системе ядерные двигатели – единственная действительно жизнеспособная технология, которая позволит человеку достичь поверхности Марса и других миров.

Сонни Митчелл (2017)

Вместо этого NASA предпочло оставить NERVA для потенциальной миссии на Марс в конце 1970-х годов и, возможно, использовать для запуска «Вояджеров», отправлявшихся в грандиозное путешествие к внешней окраине Солнечной системы. Но, увы, ничего этого не произошло. Из-за огромных расходов на «Аполлоны» и войну во Вьетнаме президент Никсон свернул проект в январе 1973 года. На сегодняшний день NERVA еще не летал.

Однако теперь ядерные двигатели могли бы вернуться. На заседании Национального космического совета США в Шантильи в штате Вирджиния 20 августа 2019 года глава NASA Джим Брайденстайн призвал к возрождению технологии NERVA. В мае того же года Комитет по ассигнованиям Палаты представителей Конгресса США одобрил выделение NASA 125 миллионов долларов для проведения исследований в области ядерных силовых установок. Команда из Центра космических полетов имени Джорджа Маршалла в Хантсвилле в штате Алабама наблюдает за исследованиями, и с промышленными компаниями уже заключены контракты на производство оборудования.

Кроме того, NASA сейчас разрабатывает протоколы безопасности, необходимые для запуска ядерного реактора в космосе. Учитывая программу (Артемида», предназначенную для доставки астронавтов на Луну, и строительство «Лунных врат», призванных служить перевалочной базой для полетов в дальний космос, считается, что двигатели типа NERVA могут получить шанс доказать свою ценность уже в 2024 году.

Подготовка системы

Ядерные ракетные двигатели всего лишь нагревают топливо с помощью ядерного реактора, а не поджигают его. Другой подход заключается в использовании энергии, вырабатываемой реактором, для приведения в действие электрического двигателя. Вы помните, как это могут делать ионные двигатели, ускоряя заряженные частицы, или ионы. С конца 1990-х годов аппараты, оснащенные ионными двигателями, – к настоящему времени их насчитывается более полудюжины – летают в космос, что говорит о том, что такие двигатели представляют собой тщательно опробованный и испытанный вариант. Все они работают на солнечной энергии, преобразовывающей свет в электричество, которое, в свою очередь, приводит в движение двигатель. Но это означает, что подобные аппараты ограничены в полетах окрестностями нашей звезды.

На протяжении десятилетий люди знали, что использование химических двигателей в космических путешествиях не продвинет нас далеко. Применять такие двигатели – это как исследовать Дикий Запад на конях и повозках вместо пароходов или поездов.

Франклин Чанг-Диас (2009)

Аппараты, отправляемые во внешнюю Солнечную систему, вдаль от солнечного света и тепла, должны брать источники энергии с собой. «Галилео» и «Кассини», летевшие к Юпитеру и Сатурну и запущенные в космос с помощью обычных ракет, использовали радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) для питания своих систем связи и научных приборов. РИТЭГ – это, по сути, небольшие куски радиоактивного вещества, такого как оксид плутония, например. Радиоактивность заставляет атомы вещества самопроизвольно распадаться и генерировать тепло, которое затем преобразуется в электричество. Но РИТЭГ – довольно примитивные устройства, и есть предел тому, сколько энергии из них можно извлечь. Иметь на борту полноценный ядерный реактор – гораздо более логичное решение: он обеспечивает космический аппарат достаточным количеством энергии для работы всех основных приборов, а при необходимости и электрического двигателя – и делает это практически в любых условиях.

В ближайшие годы ядерные электроракетные установки могут обрести популярность благодаря новому виду двигателя с электрическим приводом под названием Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket («Электромагнитный ускоритель с изменяемым удельным импульсом»), или VASIMR. Удельный импульс, как вы помните из второй главы, – это величина тяги, которую двигатель генерирует на единицу массы сгоревшего топлива. И чем она выше, тем эффективнее двигатель. По техническим причинам удельный импульс измеряется в секундах. Главный двигатель «Спейс шаттла» (в котором сжигается жидкий кислород и жидкий водород) обладает удельным импульсом величиной около 450 секунд, которого он достигает, разгоняя свои выхлопные газы до скорости свыше 4000 м/с. Ионный двигатель может значительно улучшить эту характеристику, развивая удельный импульс примерно до 3000 секунд при скорости выхлопа до 50 000 м/с. Но у VASIMR есть потенциал побить и этот рекорд. Его удельный импульс может равняться 12 000 секунд, а скорость выхлопа – ошеломительным 120 000 м/с.

Обычный ионный двигатель генерирует ионы, выбивая электроны из нейтральных атомов, делая их заряженными, и поэтому они могут ускоряться электрическим полем. VASIMR использует радиоволны для преобразования холодного газа в плазму – ионизированный газ, который в итоге достигает температуры более 1 000 000°С. Мощные электромагниты, изготовленные из сверхпроводящего (с нулевым электрическим сопротивлением) материала для максимизации их эффективности, затем направляют плазму в выхлопную струю, то есть действуют как своего рода магнитное сопло ракеты.

Первоначально VASIMR был разработан для создания высокотемпературной плазмы при термоядерном синтезе – методе получения ядерной энергии путем соединения более легких атомов для ее выделения. Слияние атомов – это источник энергии, который имеет место в горячем ядре Солнца и других звезд, но для его запуска требуются высокие температуры. И именно в этом заключается принцип действия VASIMR. В настоящее время в Техасе, на базе Ad Astra Rocket Company, которой руководит бывший астронавт NASA Франклин Чанг-Диас, технология адаптируется для космических полетов. В 2008 году компания успешно провела наземные испытания 200-киловаттного двигателя VASIMR, а в 2015 году получила грант от NASA в размере 9 миллионов долларов на разработку плана возможных летных испытаний в течение трех лет.

Вы сможете добраться до Марса на аппарате с химическим двигателем, но это сложно. Лететь дальше, чем на Луну, гораздо лучше с ядерным двигателем.

Билл Эмрих (2019)

Как и ионные двигатели, VASIMR – это технология для движения непосредственно в космосе, которая будет использоваться после того, как на космический аппарат перестанет влиять гравитация Земли. Но тогда как ионные двигатели имеют фиксированный удельный импульс, у VASIMR он регулируется, что позволяет ему «переключать передачи», регулируя тягу и эффективность, как того требуют условия. В глубоком космосе лучше всего работает высокоэффективная конфигурация с малой тягой – когда аппарат постепенно набирает скорость, непрерывно накапливая Av, пока двигатель работает в течение длительного времени (недель или месяцев); в то время как вблизи планеты, где гравитационное поле сильнее, больше подойдет конфигурация с малым удельным импульсом и с высоким тяговым усилием – похожая на ту, что обеспечивает химический двигатель.

Двигатель VASIMR, вероятно, найдет применение в рамках межпланетных полетов в дальний космос, а также при доставке грузов на Луну и в обратном направлении. Его даже предлагали использовать для отклонения астероидов, которые могут представлять угрозу для Земли – путем присоединения двигателя VASIMR к астероиду, чтобы постепенно перевести последний на новую траекторию.

Верхом на солнечном свете

Другая концепция двигателя с малой тягой и долгим временем работы, вызывающая интерес, заключается в использовании солнечного паруса. Подобно парусному кораблю, несомому ветром через океан, космический аппарат с солнечным парусом, гигантским листом отражающего материала, будет лететь через Солнечную систему под действием света, исходящего от звезды.

Эта идея основывается на таком физическом явлении, как давление света. В 1860-х годах шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свою теорию электричества и магнетизма. Он предположил, что свет, который является формой электромагнитного излучения, может создавать давление, подобно газу, и способен оказывать воздействие на твердые объекты. Российский физик Петр Лебедев впервые измерил давление света (экспериментальным путем) в 1899 году, определив его незначительную величину с помощью специального прибора – очень легкого стержня на тонкой нити, к которому были приклеены практически невесомые «крылышки».

Успех LightSail-2 изменит освоение космоса.

Билл Най, исполнительный директор Планетарного общества[14] (2019)

Как это ни парадоксально, но, пожалуй, свет легче всего представить в одной из самых непостижимых областей современной науки – квантовой физике. Она описывает фундаментальные частицы материи и их взаимодействие между собой. Свет обладает довольно странным свойством, известным как корпускулярно-волновой дуализм. То, что мы традиционно рассматриваем как частицы (протоны и электроны), может также вести себя как волны, и наоборот: то, что мы обычно считаем волнами (например, свет), может вести себя как поток частиц. С этой точки зрения солнечный свет, бьющий в солнечный парус, подобен потоку частиц, каждая из которых передает крошечный импульс и толкает парус вперед.

Суммарное ускорение незначительно, но оно быстро накапливается. Парус шириной в несколько сотен метров может разогнаться до 240 000 км/ч примерно за три года. Космический аппарат с таким парусом, запущенный с Земли, сможет добраться до Плутона за пять лет. Вспомните в связи с этим «Новые горизонты» – самый быстрый космический аппарат, когда-либо улетавший с Земли, – которому, благодаря комбинации химического двигателя и гравитационных маневров, понадобилось 9,5 года, чтобы достичь своей цели.

Настоящие солнечные паруса испытывались в вакуумной камере на Земле с 2001 по 2005 год. Первый полет состоялся в 2010 году, когда японский аппарат IKAROS смог продемонстрировать жизнеспособность идеи солнечных парусов в межпланетном пространстве, достигнув Av (см. главу 2) 100 м/с за 6 месяцев. Совсем недавно ракета Falcon Heavy доставила на околоземную орбиту LightSail-2 – разработанный Планетарным обществом аппарат с солнечным парусом, деньги для которого собрали путем краудфандинга. Диспетчеры могли регулировать высоту орбиты аппарата, располагая парус по-разному относительно солнечного света.

С помощью солнечного паруса можно летать даже по направлению к Солнцу. Наша планета находится на околосолнечной орбите, и потому все, что запускается на ракетах с Земли, следует по аналогичному пути. Когда парус направлен к Солнцу, космический аппарат не получает тяги от солнечного света и, таким образом, сохраняет свою орбиту. Но наклон паруса вперед позволяет свету попасть на переднюю поверхность паруса, в результате чего аппарат замедляется и постепенно начинает вращаться по орбите. При наклоне паруса назад – в этом случае солнечный свет окажется на задней поверхности паруса – аппарат должен ускориться, увеличить высоту своей орбиты и отправиться по направлению к внешней Солнечной системе. Чтобы максимизировать тягу, получаемую от нашей звезды, солнечные паруса изготавливаются из высокоотражающих материалов, обычно – тонкой пленки из майлара или полиимида, покрытой слоем алюминия.

Космический лифт

Представьте себе кабель, устремляющийся от поверхности Земли в космос, который можно использовать для доставки полезных грузов с Земли на орбиту. Это так называемый космический лифт – его концепцию еще в конце XIX века предложил российский ученый Константин Циолковский. Немного похоже на индийский трюк с веревкой. Но на самом деле кабель заякорен на поверхности Земли, а на противоположном его конце находится большой противовес, благодаря которому центр тяжести располагается на геостационарной орбите вокруг экватора нашей планеты на высоте 35 786 км. Всю конструкцию поддерживает центробежная сила вращающегося противовеса. Почему же ни один лифт до сих пор не построен? Проблема в том, что кабель будет настолько тяжелым, что не сможет выдержать собственный вес. Даже будучи сделанным из углеродных нанотрубок, самого прочного и легкого материала, который у нас имеется, он сломается, как только его длина превысит 10 200 км.

Космический лифт будет построен через пятьдесят лет после того, как все перестанут смеяться.

Артур Кларк (1984)

Приводимые в действие светом, самой быстрой сущностью во Вселенной, солнечные паруса немного похожи на ракету, которая выпускает самую быструю струю выхлопных газов, возможную в соответствии с законами физики. Это означает, что их постепенное ускорение, действующее в течение длительного времени, в конечном итоге может разогнать их до невероятно высоких скоростей, составляющих значительную часть от скорости света. Это одна из причин, почему солнечные паруса являются одной из технологий, способных привести нас к звездам.

09. Нет места лучше космоса

Сначала придется жить в куполе, но со временем появится возможность терраформировать Марс, чтобы он выглядел как Земля, и в конце концов мы будем ходить по его поверхности без каких-либо приспособлений… Так что это только начало.

Илон Маск (2012)

МКС вращается вокруг Земли над нашими головами с 1998 года и дает представление о том, к чему в конечном итоге может привести человеческое присутствие в космосе. По мере того как мы становимся более искусными в преодолении проблем, с которыми сталкиваемся в рамках космических путешествий, мы можем ожидать, что космические станции будут располагаться все дальше и дальше. В седьмой главе речь шла о проекте NASA, предполагающем строительство станции «Лунные врата» на окололунной орбите. Если все пойдет по графику, он стартует уже в конце 2020-х годов. Имеются также планы по созданию обитаемых баз на поверхности Луны и даже, в 2030–2040-х годах, на других планетах, например на Марсе, где постоянное присутствие людей позволит проводить научные исследования в масштабе, который до сих пор был невозможен.

На МКС экипажи меняются примерно каждые шесть месяцев, чтобы минимизировать физический и психологический ущерб, который наносит пребывание в космосе. Но поскольку космические станции и базы с экипажем будут появляться во все более отдаленных уголках Солнечной системы, визиты с родной планеты станут менее частыми. Такие объекты уже не будут просто аванпостами и вместо этого превратятся в нечто похожее на поселения и колонии – самодостаточные сообщества первопроходцев, которые прибудут сюда с Земли, чтобы создать новый дом, а возможно и новое государство, далеко за пределами своей планеты.

Уже существуют планы по созданию обитаемых баз на Луне и Марсе, предполагающих использование перерабатывающих заводов, которые будут производить кислород и ракетное топливо из залежей воды и атмосферных газов. С таким подходом «прикладной химии» можно пойти даже дальше – к идее терраформирования, которое позволит поселенцам сделать среду другого мира более похожей на привычную им земную. Еще одна концепция гласит, что люди будут жить в глубинах межпланетного пространства в гигантских вращающихся станциях – колониях О'Нила.

Мы должны быть в состоянии воссоздать в космическое среде места, которые так же красивы, как земные, самые красивые уголки планеты Земля, и мы можем это сделать.

Джерард О'Нил. Высокий фронтир (1976)

И все же жизнь в космосе неизбежно порождает массу новых проблем, которые необходимо решать. Удовлетворение ежедневных потребностей космонавтов во время их относительно короткого пребывания на МКС уже обнажило ряд трудностей – и для преодоления некоторых из них мы нашли гениальные решения, однако над другими инженеры и ученые работают до сих пор.

Жизнеобеспечение в космосе

После воздуха для дыхания – который, как вы помните из четвертой главы, производится на станции путем пропускания электрического тока через воду и разделения ее на водород и кислород – следующее, что требуется космическому путешественнику, – это вода. Вода чрезвычайно тяжелая: один кубический метр воды весит тонну, так что доставлять бесконечные запасы с поверхности Земли на МКС нецелесообразно. Однако только питьевой воды для экипажа из шести человек, каждый из которых потребляет рекомендуемые два литра в день, в год необходимо почти 4,5 тонны.

Если нужно выйти…

Из всех естественных потребностей посещение туалета в условиях отсутствия гравитации, которая способствует этому процессу, является одним из наиболее интересных аспектов жизни в космосе. Современные туалеты в невесомости используют поток воздуха от вентиляторов для направления отходов. Фекалии сушат и прессуют для последующей утилизации. Моча же – по крайней мере на МКС, где вода драгоценна, – поступает в систему очистки, которая сделает ее пригодной для повторного использования. Нулевая гравитация также означает, что космонавтам часто приходится планировать свои посещения туалета, чтобы избежать проблем. Но и в этом случае нельзя быть уверенным, что система сработает идеально: плавающие капли мочи, а также остатки экскрементов могут попасть в жилые отсеки – и периодически так и происходит. Даже на Марсе и на Луне, где сила притяжения слабее земной в три и шесть раз соответственно, справлять естественные потребности придется иначе, чем на Земле.

Вместо этого на станции, как и в любой другой постоянно обитаемой космической среде, есть система очистки замкнутого цикла для рециркуляции около 93 % воды, используемой космонавтами. Она включает в себя сточную воду, атмосферную влагу и мочу. Вода восстанавливается из мочи с помощью дистилляции, которая отделяет воду от других химических веществ, кипящих при различных температурах, а затем происходит центрифугирование – разделение воды и газов. Вода, полученная таким способом, объединяется с другими сточными водами – все это происходит в аппарате для удаления твердых загрязняющих веществ, – а затем проходит дополнительную фильтрацию и химическую обработку для удаления токсинов и микроорганизмов. В конце процесса чистота воды оценивается по электропроводности, и жидкость, не прошедшая тест, обрабатывается повторно. Без всяких преувеличений, питьевая вода на МКС чище, чем та, что течет из крана у большинства из нас.

Справлять естественные потребности в космосе – теперь довольно длительный процесс, включающий вентилятор, систему наведения и изрядное количество терпения.

Мэри Робинетт Коваль (2019)

Кулинарные возможности на МКС значительно расширились с тех пор, как Юрий Гагарин во время своего исторического полета в 1961 году ел пюре из тюбиков. Сегодня на станцию доставляются полноценные блюда в вакуумных пакетах, которые космонавты греют в блоке приготовления пищи. Напитки отправляются в порошкообразном виде, а затем регидратируются. Свежие фрукты и овощи – редкое удовольствие, поддерживающее моральный дух, и съедать их нужно быстро, прежде, чем они испортятся.

Крошкам – строгое «нет» в космосе. Если они разлетятся, то могут испортить инструменты и оборудование. Так что хлеб, пирожные и другая выпечка в меню космонавтов обычно не входит.

Невесомость затрудняет отток жидкости из мозга человека, что вызывает ее застой, и, как следствие, нарушается распознавание вкусов и запахов. По этой причине у космонавтов, как правило, популярны продукты с ярко выраженным вкусом. Также это приводит к тому, что вкус и запах некоторых продуктов в космосе меняется. После того как в 1970-х годах было обнаружено, что аромат сливочного хереса в невесомости вызывает рвотный рефлекс, от планов отправить его американским астронавтам Skylab отказались.

Отличное здоровье

В целом употребление алкоголя в космосе в настоящее время запрещено из соображений безопасности. Хотя были и некоторые исключения. Во время посадки на Луну «Аполлона-11» в 1969 году Базз Олдрин принял причастие в модуле «Орел» и выпил вина. А российские космонавты в 1990-е годы иногда контрабандой доставляли спиртные напитки на космическую станцию «Мир». Если вы действительно хотите знать, что предпочесть в космосе, наиболее безобидны алкогольные и безалкогольные вина. Пиво и другие газированные напитки – далеко не лучший выбор. В невесомости газ и жидкость не могут разделиться в желудке, и в результате отрыжка становится похожей на рвоту – ее называют мокрой отрыжкой.

Год – это долгий срок, чтобы жить без контактов с близкими, свежего воздуха и гравитации. И это далеко не все ограничения.

Скотт Келли (2016)

Но даже если вы откажетесь от пива, тошнота все равно наверняка будет мучить вас в космосе: более 60 % космических путешественников страдают от укачивания после взлета. Однако длится оно обычно всего один-два дня, а потому не представляет собой серьезную проблему для людей, долго находящихся в невесомости.

В конечном счете космические колонии должны стать самодостаточными и производить собственные продукты питания. Эксперименты, проведенные на МКС, показали, что в условиях микрогравитации можно выращивать овощи. А если эти культуры растут в космосе, то при наличии нужных питательных веществ и оптимального состава атмосферы они должны расти и на других планетах. Само собой, по крайней мере сначала, космическим колонистам нужно будет придерживаться строгой вегетарианской диеты, поскольку для производства мяса и других продуктов животного происхождения требуется слишком много ресурсов.

Не горячись!

Без защиты атмосферы температура в околоземном космическом пространстве колеблется в широких пределах: от 120°С на солнце до -160°С в тени. Так что на МКС, чтобы поддерживать комфортные условия для жизни и работы космонавтов, требуется система терморегулирования, выдерживающая большую нагрузку. На Земле тепло распространяется атмосферой в результате теплообмена и конвекции. Но в пустом космическом вакууме перенос тепла может принимать только форму излучения. Это означает, что термоизоляция, которую вы, быть может, используете на своем чердаке, тут вряд ли пригодится. Здесь лучшим способом предотвращения перегрева или утечки тепла являются отражающие листы, поэтому МКС покрыта алюминизированным майларом. Поскольку все электрооборудование вырабатывает тепло, главная задача – охлаждение МКС. Вода циркулирует по контуру вокруг станции, проходя через «теплообменники» – устройства, похожие на радиаторы центрального отопления, которые поглощают тепло из помещений для экипажа и выбрасывают его в космос.

Исследования показали, что, например, в почве Марса уже содержится множество питательных веществ, необходимых для выращивания овощей, а его атмосфера на 95 % состоит из углекислого газа – газа, который нужен растениям для получения энергии посредством фотосинтеза. Основная же проблема состоит в том, что на Красной планете очень холодно, а значит, выращивать сельскохозяйственные культуры там предстоит в отапливаемых тепличных модулях.

Даже если вы заботитесь о питании, оставаться в форме и чувствовать себя отлично в космосе непросто. Люди эволюционировали на Земле при наличии гравитации, так что, если мы хотим жить в космосе или на других планетах, где сила притяжения отличается от земной, нам необходимо выяснить, каковы последствия подобного образа жизни для нашего здоровья. В 2015 году NASA провело уникальный, захватывающий эксперимент. Астронавта Скотта Келли отправили на МКС на целый год, в то время как его брат-близнец Марк остался на Земле. Обоих братьев подвергли ряду медицинских тестов до и после полета. После возвращения Скотта на Землю у него были выявлены генетические изменения – возможно, вызванные радиацией в космосе – и небольшое снижение когнитивных способностей. Однако со временем его показатели в основном вернулись к дополетным, поскольку Скотт вновь адаптировался к жизни на Земле.

Другие исследования выявили влияние космоса на психическое здоровье космонавтов. Дороговизна и трудность размещения там людей означают, что им приходится много работать, что в сочетании с ограниченными возможностями для отдыха и необходимостью постоянно находиться в ограниченном пространстве с одними и теми же людьми в течение нескольких недель, месяцев, а иногда и лет может привести к негативным последствиям. В 1973 году астронавты на американской космической станции Skylab объявили забастовку после 40 дней напряженного графика и очень кратковременных передышек, отказавшись общаться с Центром управления полетами. Несколько советских миссий в 1970-х годах осложнились из-за конфликтов между членами экипажа. Полет корабля «Союз-21» в 1976 году даже был прерван, и последующее расследование показало, что космонавты страдали от галлюцинаций, вызванных стрессом.

NASA подвергает кандидатов в астронавты множеству психологических обследований, а состояние космонавтов на борту МКС раз в две недели оценивается специалистами на Земле. На станции хранится запас антидепрессантов, антипсихотических и противотревожных препаратов, а также имеются возможности сдержать члена экипажа физически в случае необходимости.

Все необходимые для убийства условия будут выполнены, если вы посадите двух человек в клетку размером 5 на 6 метров и оставите их вместе на два месяца.

Валерий Рюмин, космонавт (1980)

Хотя большинство из нас думает, что космонавты – это сильные, выносливые и коммуникабельные люди, есть предположение, что идеальный член экипажа для полетов на Марс и за его пределы должен быть скорее интровертом. Люди, у которых снижена потребность в социальной стимуляции и которые наслаждаются одиночеством, могут оказаться гораздо более устойчивыми в психологическом отношении и лучше подготовленными к тому, чтобы справляться с изоляцией в миллиардах километров от дома.

Острова в небе

Наибольшее влияние длительное воздействие слабой гравитации оказывает на костно-мышечную систему. Без силы тяжести, превращающей массу тела в вес, мышцы быстро ослабевают и атрофируются, а кости истончаются и становятся ломкими. Всего за две недели космонавт может потерять 20 % своей мышечной массы. Эти потери включают в себя и сердечную мышцу, что может привести к проблемам с кровообращением при возвращении на Землю. Костной массы теряется около 1,5 % в месяц. Решением обеих проблем являются регулярные занятия спортом. Каждый день по два часа космонавты на МКС выполняют упражнения на беговой дорожке, тренажере с отягощениями и велотренажере с амортизирующими тросами, имитирующими действие силы тяжести.

Одним из способов борьбы с таким воздействием космоса на экипаж во время дальних полетов и в космических колониях является моделирование гравитации при вращении космического корабля или станции. Точно так же, как одежда прилипает к барабану стиральной машины под действием центробежной силы, на космонавтов во вращающемся космическом аппарате будет действовать сила, приковывающая их к его внутренней части. При правильно подобранной скорости вращения эта сила будет равна силе притяжения на поверхности Земли.

В 1970-е годы американский физик Джерард О'Нил описал космические колонии внутри вращающихся цилиндров – сделанных из материалов, добываемых на Луне, астероидах и других планетах, – вращение которых обеспечивает искусственную гравитацию. Каждый цилиндр имел диаметр 8 км и длину около 30 км. Их боковая поверхность состояла из протянувшихся по всей длине цилиндра шести полос равной площади, три из которых представляли собой сушу, а три другие располагались между ними и являлись гигантскими окнами, пропускающими солнечный свет. Совершая один оборот примерно за две минуты, такие цилиндры могли моделировать внутри земную гравитацию.

По мысли О'Нила, участки суши были сушей на самом деле – не научно-фантастическими космическими модулями, а реальной землей, где жители могли бы выращивать деревья и сельскохозяйственные культуры и даже домашний скот. Так колонии получили бы определенную степень независимости при минимальных поставках всего необходимого с Земли. Участки суши также позволяли бы жителям выходить «на улицу», что помогало бы им не сходить с ума в четырех стенах и значительно притупляло бы чувство оторванности от внешнего мира, часто возникающее в более традиционных космических местах обитания и наносящее вред психическому здоровью космонавтов. О'Нил полагал, что придуманные им колонии будут не просто аналогичны Земле, а «гораздо более удобными, продуктивными и привлекательными». Ученый считал, что они могут быть созданы даже с использованием технологий 1970-х годов, не говоря уже о тех, что доступны сегодня.

Как утверждал О'Нил, цилиндры следовало бы расположить на околосолнечной орбите в точке Лагранжа L_5 (см. главу 3), на таком же расстоянии, что разделяет Землю и Солнце, но под углом 60° позади планеты на орбите вокруг нее. Цилиндры должны были быть соединены попарно и вращаться в противоположных направлениях, чтобы компенсировать момент импульса. Ось вращения каждой пары цилиндров стоило направить к Солнцу, а за каждой оконной полосой для отражения света установить большое изогнутое зеркало. Внутри колонии предполагалось наличие кислородно-азотной атмосферы и атмосферного давления, соответствующего примерно половине атмосферного давления на Земле на уровне моря. О'Нил подсчитал, что этого будет достаточно, чтобы заблокировать вредное космическое излучение, а также позволить цилиндрам поддерживать собственный климат. Окна должны были быть изготовлены из очень большого количества отдельных стеклянных панелей, чтобы при повреждении метеоритами или космическим мусором не составило труда заменить их без риска разгерметизации цилиндра.

Если вы не любите еду в самолете, то у вас, вероятно, будет такое же впечатление от еды на космической станции. Я бы не полетел в космос за едой.

Кристофер Хэдфилд, астронавт (2014)

В 2019 году на пресс-конференции Джефф Безос, основатель частной космической компании Blue Origin (и платформы Amazon.com), объявил о своей поддержке концепции колоний О'Нила, а не поселений на других планетах для окончательной колонизации космоса человеком. И в этом он прав. Внутри цилиндров можно контролировать гравитацию и погоду, вместо того чтобы заставлять колонистов бороться с инопланетными природными условиями. Также удастся избавиться от таких геологических катаклизмов, как землетрясения или извержения вулканов.

Терраформирование

В далеком будущем должна появиться и еще более радикальная возможность, которая сделает планетарные поселения привлекательнее. Процесс, названный терраформированием, подразумевает под собой глобальное преобразование бесплодной среды с целью сделать ее похожей на Землю. В буквальном смысле – создание второго дома вдали от первого. В терраформированном мире колонисты не будут нуждаться ни в скафандрах, ни в замкнутых средах обитания для жизни или выращивания продуктов питания – они создадут свою собственную планетарную биосферу.

Эту концепцию, название которой дословно переводится как «формирование Земли», предложил Карл Саган в статье, опубликованной в журнале Science в 1961 году, но писателями-фантастами она была исследована еще раньше. Первоначальная идея Сагана состояла в том, чтобы «заселить» атмосферу Венеры водорослями и таким образом зародить на планете органическую жизнь. Другие ученые предлагали запустить на орбиту между Венерой и Солнцем космический зонт, который защитил бы планету от солнечного жара и позволил бы ее атмосфере остыть. Тем не менее близость к Солнцу и тот факт, что планета находится во власти вышедшего из-под контроля парникового эффекта, приводящего к экстремальным температурам и гигантскому атмосферному давлению на ее поверхности, делают терраформирование Венеры поистине сложнейшей задачей.

Более подходящей целью может быть Марс. Научные данные свидетельствуют о том, что миллиарды лет назад здесь, весьма вероятно, был теплый влажный климат, способный поддерживать жизнь. Из всех планет Солнечной системы Марс сегодня, пожалуй, наиболее похож на Землю. В числе самых значимых его отличий – атмосфера (очень тонкая и состоящая в основном из углекислого газа, тогда как атмосфера Земли кислородно-азотная), температура поверхности (в среднем там около -60°С) и отсутствие заметного магнитного поля. Магнитное поле Земли выступает в качестве щита от космического излучения и, в частности, отражает частицы солнечного ветра. Некоторые ученые полагают, что именно солнечный ветер послужил причиной разрушения атмосферы Марса.

Любой план терраформирования планеты должен предполагать устранение этих различий. Один из способов – создать на Марсе парниковый эффект, такой же как на Земле, чтобы атмосфера улавливала больше солнечного тепла, чем может излучить планета. Кроме того, если на Земле парниковый эффект – это грядущая катастрофа, способная привести к перегреванию планеты и выходу климата на ней из-под контроля, как на Венере, парниковый эффект на Марсе позволил бы увеличить температуру на планете, сделав ее тем самым более пригодной для жизни. Как только Марс начнет нагреваться, замерзшие запасы воды и CO_2 на его полюсах растают, что усилит парниковый эффект и будет способствовать дальнейшему нагреву атмосферы.

Одним из способов запустить этот процесс может быть транспортировка мощных парниковых газов, например гексафторида серы (SF_6, который почти в 24 000 раз более эффективен в качестве парникового газа, чем CO_2), на Марс и распыление их в атмосфере планеты. Правда, для этого, опять же, потребуются сотни тысяч тонн SF_6, которые необходимо будет произвести и доставить на Красную планету. Другой вариант – аммиак. Это тоже сильный парниковый газ, но его много на малых ледяных телах, которые окружают внешнюю Солнечную систему. Неплохое решение в этом случае – изменить орбиту одного из таких тел, скажем, путем присоединения к нему сверхэффективного электрического ракетного двигателя, чтобы заставить его столкнуться с Марсом.

Однако все усилия будут напрасны, если у планеты нет магнитного поля, которое поможет удержать новую атмосферу. Было высказано предположение, что искусственное поле вокруг Марса, достаточно большое, чтобы защитить его атмосферу, сможет генерироваться сетью сверхпроводящих электромагнитов. Электромагниты – это катушки из проводов, которые создают магнитное поле, когда через их сердечник проходит ток, поскольку электричество и магнетизм – просто разные аспекты одного и того же явления. Изготовление проволоки из сверхпроводящего материала значительно увеличивает допустимую силу тока, что, в свою очередь, повышает силу поля.

Как только мы станем многопланетным видом, наши шансы на долгую жизнь и процветание значительно возрастут.

Дэвид Гринспун (2004)

Еще один вариант предложил в 2017 году Джеймс Грин, главный планетолог NASA. Согласно его идее поместить аналогичный магнитный генератор, своего рода щит, нужно в точке Лагранжа L_1 (см. главу 3) в пространстве между Марсом и Солнцем, откуда ему удастся отклонять поток солнечного ветра от планеты. По мысли Грина, щит должен представлять собой нечто вроде надувного магнитного поля. Компьютерное моделирование показывает, что план может сработать и этот щит будет в состоянии оградить планету от частиц солнечного ветра и позволит ей удерживать атмосферу, необходимую для повышения средней температуры примерно на 4°С – этого хватит, чтобы началось таяние полярных шапок.

Колонизация других миров в целом и терраформирование в частности подняли также этические вопросы. Напрашиваются неизбежные параллели с первыми европейскими поселенцами, прибывшими в Австралию или Америку. Хочется надеяться, однако, что мы усвоили урок и, когда терраформирование станет технологически возможным, будем эксплуатировать, колонизировать или терраформировать миры и называть их своими лишь после того, как выясним, что они безжизненны и бесплодны и смогут стать подходящей средой обитания для человека.

Железный человек в космосе

Рекорд по самому длительному непрерывному пребыванию в космосе установлен российским космонавтом Валерием Поляковым, который с 8 января 1994 года по 22 марта 1995 года, то есть в общей сложности 437 дней, находился на орбите вокруг Земли на космической станции «Мир». Поляков – врач, специализирующийся на космической медицине. Его отобрали для полетов еще в 1972 году, но свое первое космическое путешествие он совершил лишь в 1988-м. Он вызвался добровольцем на марафонское пребывание на станции «Мир», чтобы оценить воздействие длительного космического полета на организм человека. В итоге выяснилось, что наибольшее влияние пребывание в космосе оказало на его психическое здоровье и настроение. Физическая же форма Полякова оставалась на удивление хорошей, без каких-либо продолжительных побочных эффектов. После приземления он даже сам вышел из капсулы (большинство возвращающихся космонавтов несут), что уже довольно неплохо после 15 месяцев в невесомости. Поляков также установил рекорд по суммарному времени нахождения в космосе. Однако теперь эта честь принадлежит его коллеге – космонавту Геннадию Падалке, который провел там 879 дней в ходе шести полетов.

10. Как добраться до звезд

В космическом море звезды – это другие солнца.

Карл Саган. Космос (1980)

В 2012 году «Вояджер-1» стал первым космическим аппаратом, запущенным с Земли, вышедшим в межзвездное пространство. Стартовавший в 1977 году, он пролетел мимо Юпитера и Сатурна, а затем с помощью гравитационного маневра был переведен на траекторию, которая вывела его из Солнечной системы. В августе 2012 года диспетчеры полета сообщили, что «Вояджер-1», будучи на расстоянии 18 миллиардов километров от Солнца, официально пересек гелиопаузу. Эта граница, где солнечный ветер сталкивается с туманным газом, составляющим межзвездную среду, представляет собой край Солнечной системы и начало межзвездного пространства.

В ноябре 2019 года его собрат, «Вояджер-2», тоже начал свое путешествие в межзвездном пространстве. «Вояджеры» входят в элитный клуб из пяти космических кораблей, которые достигли необходимой скорости, чтобы вырваться из гравитационного поля Солнца. Остальные три – «Пионер-10», «Пионер-11» и «Новые горизонты», пролетевший мимо Плутона в 2015 году.

Когда «Вояджер-1» покинул Солнечную систему, он был в 121 раз дальше от Солнца, чем Земля. Но это пустяк по сравнению с расстояниями до других звезд в нашей галактике Млечный Путь. Ближайшая к Солнцу звезда, Проксима Центавра в системе Альфа Центавра, удалена от нас на 4,3 световых года. Это примерно 4 триллиона километров, или более чем в 270 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Поистине огромная дистанция, которую нужно преодолеть. При скорости 17 км/с, с которой двигается «Вояджер-1», и даже если бы он летел в правильном направлении (а это не так), у него ушло бы 70 000 лет, чтобы добраться до Проксимы Центавра.

Все это вызывает естественные сомнения относительно того, смогут ли роботизированные космические аппараты, не говоря уже о людях, когда-либо совершить путешествие к другим звездным системам и исследовать их. И все же есть несколько смелых – кто-то сказал бы фантастических – идей на бумаге, которые однажды могут сделать межзвездные космические путешествия реальностью.

Ad astra[15]

В 2016 году российский предприниматель Юрий Мильнер и знаменитый космолог и астрофизик Стивен Хокинг анонсировали Breakthrough Starshot – амбициозный проект по отправке флотилии миниатюрных роботизированных космических аппаратов к Проксиме Центавра. Согласно концепции проекта они должны посетить Проксиму Центавра b – планету, которая была открыта в 2016 году международной группой астрономов с помощью телескопов Европейской южной обсерватории в Чили. Проксима Центавра b интересна тем, что считается каменистой, похожей на Землю планетой, и расположена она в зоне обитаемости – области вокруг звезды, где условия являются подходящими для существования жизни.

Никто и ничто не способно перемещаться быстрее скорости света за возможным исключением дурных вестей – они, как известно, подчиняются собственным законам.

Дуглас Адамс. В основном безвредна (1992)

В движение космические аппараты приведут солнечные паруса (см. главу 8). Однако вместо солнечного света ускорение им обеспечит наземная лазерная установка. Эту идею, пытаясь придумать способ управления солнечными парусами во тьме межзвездного пространства, впервые выдвинул американский физик и писатель-фантаст Роберт Форвард в 1970-х годах. Для Breakthrough Starshot потребуется лазерная установка с общей выходной мощностью 100 ГВт. Это огромное число. Для сравнения: крупнейшая в мире атомная электростанция «Касивадзаки-Карива» в Японии вырабатывает примерно 8 ГВт энергии.

Сами космические аппараты будут размером всего в несколько сантиметров в поперечнике и весом около грамма или даже меньше. Но при этом на каждом из них планируется разместить четыре крошечные камеры, компьютер, двигатели, плутониевую батарею, радиопередатчик и светоотражающий парус, достигающий 16 м^2. Первые рабочие прототипы аппаратов были успешно запущены на низкую околоземную орбиту в 2017 году.

Текущий план предусматривает запуск корабля с аппаратами на высокую околоземную орбиту. И уже отсюда они будут стартовать. Лазеры сфокусируют на каждом из них лучи примерно на 10 минут. Полученная тяга окажется невелика – но ее будет достаточно, чтобы поднять несколько сотен граммов с поверхности Земли, – однако в космосе она сможет невероятно быстро разогнать столь легкий аппарат до 15–20 % от скорости света. На такой скорости путешествие до Проксимы Центавра b займет 20–30 лет, плюс понадобится еще 4,3 года, чтобы полученные данные – по радиоволнам, передающимся со скоростью света, – добрались до Земли.

На такой скорости столкновения с частицами пыли могут оказаться катастрофическими. Поэтому для обеспечения запаса прочности предусматривается запуск около 1000 аппаратов.

Критики высказали соображение, что многие технологии должны будут стать в десятки раз совершеннее, чтобы Breakthrough Starshot стал успешным. Тем не менее команда ученых – научных консультантов проекта, в их числе астрофизик Ави Леб, нобелевский лауреат Сол Перлмуттер и британский астроном Мартин Рис, – считает, что это возможно.

Самореплицирующиеся зонды

Breakthrough Starshot, пожалуй, самый многообещающий проект по отправке космического аппарата из наглей звездной системы в другую. Но что потом? Если для достижения ближайшей звезды требуется более 20 лет, то прохождение через 100 миллиардов звезд остальной части нашей галактики займет невероятное количество времени. Одним из предложенных решений является разработка роботизированного зонда, способного осуществить перелет к другим звездам и собирать данные о них и их планетах автономно, без прямого контроля с Земли.

Земля – это прекрасное место, но она не может существовать вечно. Рано или поздно нам придется обратиться к звездам. Breakthrough Starshot – захватывающий первый шаг в этом путешествии.

Стивен Хокинг (2016)

Как своего рода примитивная форма жизни зонды тоже могут быть способны к самовоспроизведению. За счет ресурсов, обнаруженных на астероидах и других планетах, используя их при помощи механики, электроники и даже наноинженерии – путем переупорядочения материалов на атомарном или молекулярном уровне, – космические аппараты и их потомки могли бы распространяться по всей Галактике, собирая данные и знания и создавая все больше собственных копий в ходе полетов.

Такие зонды, или, скорее, идея таких зондов – ни один подобный аппарат пока не был создан и запущен, – известны как зонды фон Неймана – в честь американского математика венгерского происхождения Джона фон Неймана. В 1940-х годах он математически доказал, что самовоспроизводящиеся машины являются наиболее эффективным способом исследования космоса. В 1980 году эту мысль развил американский нанотехнолог Роберт Фрайтас, который сделал подробные расчеты, продемонстрировавшие применимость зондов фон Неймана в качестве метода исследования Галактики.

Компьютерные эксперименты, проведенные в 2013 году, показали, что зонды могут использовать звездный аналог гравитационного маневра: пролетая вокруг быстро движущихся звезд, резко увеличить свою скорость, что позволит рою зондов исследовать всю галактику Млечный Путь примерно за 10 миллионов лет. Казалось бы, слишком большой промежуток времени, но в астрономических масштабах это одно мгновение.

Некоторые ученые ссылаются на очевидное отсутствие каких-либо инопланетных зондов фон Неймана, курсирующих по наглей Солнечной системе, в качестве доказательства того, что другой разумной жизни в Галактике нет. Однако даже наши технологии сегодня способны производить настолько миниатюрные роботизированные космические аппараты, что их весьма сложно обнаружить. Например, аппараты проекта Breakthrough Starshot крошечные – всего несколько сантиметров. Вполне возможно, что за нами уже наблюдают, но мы об этом не знаем.

Если мы планируем отправлять корабли к другим звездным системам, чтобы стать многопланетной цивилизацией, нам нужно сосредоточиться на лазерах. Это следующий шаг.

Илон Маск (2014)

Отправить роботов по всей Галактике – это одно, но как смогут путешествовать люди? Писатели-фантасты часто изображают космонавтов, находящихся в спячке во время дальних космических перелетов. В 2019 году ЕКА провела исследование по использованию химически вызванной спячки. Была доказана возможность замедления человеческого метаболизма на 75 %, что значительно снижает потребность в жизнеобеспечении. Это теоретическое исследование показало, что спящий экипаж рейса на Марс позволил бы уменьшить массу космического аппарата более чем на треть из-за уменьшенной потребности космонавтов в воде, еде и кислороде. И это, безусловно, существенно облегчило бы путешествие. В настоящее время подобная технология рассматривается только для межпланетных миссий. Однако, если она докажет свою эффективность, полеты за пределы Солнечной системы станут следующим шагом.

Нарушая закон

В научной фантастике люди часто превышают скорость света, путешествуя по галактикам. И хотя это кажется невероятным, подобное не выглядит таким уж невозможным, как пытался нас убедить Эйнштейн. Существует пара способов устроить это, и оба основаны на теориях того же Эйнштейна. Но все же восприятие любого из них как фактической реальности требует изрядной доли воображения.

Основным препятствием для движения быстрее света является специальная теория относительности Эйнштейна 1905 года. Она описывает движение тел и по большей части согласуется с законами Ньютона, но когда речь идет об очень высоких скоростях, теория и законы расходятся. И теория Эйнштейна подтверждается экспериментом.

Благодаря локальному расширению пространства-времени за космическим кораблем и аналогичному сжатию перед ним, движение быстрее скорости света… возможно.

Мигель Алькубьерре (1994)

Специальная теория относительности была вдохновлена теорией электромагнетизма Максвелла, одним из следствий которой является утверждение, что скорость света – фундаментальная константа природы, а значит, должна оставаться неизменной в любой системе отсчета. Представьте, что вы едете на машине, движущейся со скоростью 50 км/ч, позади машины, скорость которой 30 км/ч, то есть, по сути, вы приближаетесь к этой машине со скоростью 20 км/ч. Теория Максвелла предполагала, что подобное не относится к свету: как бы быстро вы ни передвигались, свет всегда будет двигаться с одинаковой скоростью.

Эта мысль стала одним из краеугольных камней специальной теории относительности. Из нее вытекают и некоторые важные следствия: например, идеи о том, что в движущейся системе отсчета длина тел сокращается, а время течет медленнее и что энергию и массу можно считать эквивалентными, связанными знаменитой формулой Е = тс^2. Все это позднее подтвердили эксперименты. Но было и другое предсказание: когда тело ускоряется, его масса увеличивается сначала медленно, а затем быстрее, пока, при достижении телом скорости света, не становится бесконечной. Чтобы заставить бесконечную массу двигаться быстрее, требуется бесконечное количество энергии, из чего Эйнштейн предположил, что ничто не может двигаться быстрее, чем свет. Специальная теория относительности устанавливает скорость света как предел максимальной скорости во Вселенной.

Но в 1915 году Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, в рамках которой определил гравитацию как внешнее проявление искривления пространства-времени. И это открыло двери очень странным возможностям.

Гиперпространство

В 1916 году, через год после публикации общей теории относительности, австрийский ученый Людвиг Фламм использовал ее для построения первой математической модели того, что сегодня ученые называют червоточиной – туннелем во времени и пространстве. Фламм обнаружил, что если взять из общей теории относительности математическое уравнение, описывающее пространство вокруг центрального гравитирующего тела – например, звезды или черной дыры, – то пространство можно расширить внутрь тела и за его пределы вплоть до других областей космоса.

Термин «червоточина» для описания этих теоретических моделей придумал в 1950-х годах американский физик Джон Уилер, который сравнил их с туннелями, образованными червяком в яблоке, – прямой путь с одной стороны до другой всегда короче, чем по поверхности яблока. И именно поэтому червоточины могут быть полезны для космических путешествий. Поскольку, пусть им и не под силу физически ускорить космический аппарат до скоростей, превышающих скорость света, они помогают срезать космические углы, связывая удаленные точки сетью гиперпространственных переулков более высокого измерения, таким образом значительно сокращая время в пути между удаленными звездными системами.

Проблема состоит в том, чтобы удерживать червоточину открытой. Математика предсказывает, что воронка червоточины ведет себя как резиновая трубка, и под воздействием гравитации она сжимается. Общая теория относительности предлагает решение. Она определяет гравитационную силу – или, что то же самое, искривление пространства, – создаваемую любым веществом, которое можно вообразить.

Физики придумали теоретическое вещество, которое назвали «экзотической материей». Оно обладает отрицательным давлением: если вы накачаете им воздушный шар или шины вашего автомобиля, то они взлетят. Однако ключевая особенность экзотической материи состоит в том, что она генерирует «антигравитацию», так что, если в червоточину доставить достаточное количество такой материи, горловина червоточины будет оставаться открытой, пока космический аппарат проходит через нее.

К сожалению, экзотическую материю не так просто найти. Небольшое количество этого вещества удалось получить в лаборатории благодаря эффекту Казимира. Это явление было открыто в 1948 году голландским ученым Хендриком Казимиром. Он обнаружил, что две металлические пластины, разведенные друг от друга на несколько миллионных долей метра в вакууме, слегка притягиваются из-за отрицательного давления экзотической материи между ними.

Экзотическая материя же создается тем, что физики называют «вакуумными флуктуациями» – множеством крошечных субатомных частиц, которые появляются и исчезают в течение очень короткого времени. Квантовая теория говорит, что эти частицы могут рассматриваться и как волны. Так же, как тон частично определяется длиной гитарной струны, между пластинами могут проходить волны только определенной длины. С точки зрения частиц это означает, что между пластинами частицы соударяются реже, чем снаружи. И это делает давление между пластинами ниже – опять же, по сравнению с тем, что снаружи. Но если пространство вокруг пластин является вакуумом, где давление нулевое, то пространство внутри пластин должно иметь давление меньше нуля, то есть отрицательное.

Вперед!

Другая популярная составляющая космических путешествий в научной фантастике, которую можно рассмотреть с точки зрения науки, – это варп-двигатель и идея о том, что космический аппарат может двигаться быстрее света, деформируя пространство и время.

Если бы специальная теория относительности властвовала безраздельно, то космический аппарат был бы вынужден двигаться со скоростью меньше скорости света, 300 000 км/с. В 1994 году физик-теоретик Мигель Алькубьерре из Уэльского университета в Кардиффе вычислил, как на самом деле может происходить искривление в контексте общей теории относительности. Вместо того чтобы пытаться перемещать космический аппарат в космосе, его подход состоял в том, что можно согнуть и растянуть пространство вокруг аппарата и сформировать волну, которая понесет его к месту назначения.

Подобно случаю с червоточиной, такой двигатель тоже требует антигравитирующей экзотической материи. Алькубьерре обнаружил, что если бы она была расположена вокруг аппарата правильным образом, то заставила бы пространство перед ним быстро сворачиваться, тогда как пространство позади него расширялось бы с той же скоростью, перенося кусок пространства, содержащий аппарат, к месту назначения со скоростью, превышающей скорость света.

Вы не можете двигаться быстрее скорости света, но можете представить, как эффективно изогнуть пространство-время таким образом, чтобы создалось впечатление, что вы движетесь быстрее.

Шон Кэрролл (2018)

Однако камнем преткновения всегда является воплощение научных идей – которые в целом понятны – в жизнь. Как червоточины, так и варп-двигатели Алькубьерре требуют значительного количества экзотической материи – обычно порядка массы планеты, что существенно больше, чем мы способны создать.

Эксперимент Казимира показывает, что экзотическая материя может быть искусственно создана в рамках законов физики. Не хватает только технологии для ее массового производства. Однако она пока оказывается далеко за пределами нашего понимания.

В 2008 году Министерство обороны США изучило варп-двигатели, червоточины и другие научные идеи. После публикации отчета по результатам этого изучения в 2018 году космолог из Калифорнийского технологического института, Шон Кэрролл, прокомментировал его так: «Есть то, что называется варп-двигателем, есть дополнительные измерения, есть эффект Казимира и темная энергия – все это правда. Но нет никаких шансов, что кто-либо в течение нашей жизни или в течение следующей тысячи лет сумеет построить нечто, позволяющее использовать любую из этих идей».

Курс на антиматерию!

Будучи одним из основных элементов «Звездного пути» и других научно-фантастических сюжетов, в сфере космических путешествий антиматерия привлекательна из-за большого количества энергии, упакованного в небольшую массу вещества. Частица антивещества похожа на частицу обычной материи, но ее электрический заряд, а также другие ключевые свойства противоположны. Когда материя и антиматерия встречаются, они взаимно уничтожают друг друга, причем масса обеих частиц полностью превращается в энергию – и ее в тысячу раз больше, чем выделяется той же самой массой ядерного топлива. Космический аппарат, работающий на антиматерии, будет напоминать по конструкции ядерные ракеты, описанные в восьмой главе, в которых энергия аннигиляции либо нагревает ракетное топливо, либо использует его для генерирования тока, приводящего в действие ионный двигатель или двигатель VASIMR. Антивещество будет удерживаться внутри космического аппарата за счет электрического и магнитного полей. Основным недостатком этой идеи является то, что, если ядерное топливо встречается в природе на Земле, антиматерия должна быть изготовлена. Причем процесс этот дорогостоящий и неэффективный, и, по крайней мере пока, нам удается получать лишь по несколько атомов антиматерии за раз.

Я думаю, что будущее человеческой расы в распространении по Вселенной, и сейчас то самое время, когда мы должны заложить основы для этого.

Кип Торн, физик, нобелевский лауреат (2015)

Возможно, нам следует взглянуть на все с философской точки зрения. Идеи вроде полета аппарата тяжелее воздуха, да и сама мысль о космическом полете, были отвергнуты как нелепые великими учеными своего времени – причем в некоторых случаях всего за несколько лет до того, как их успешно воплотили в жизнь. Так что как мудро советовал великий ученый, писатель-фантаст и мыслитель Айзек Азимов: «Ваши предположения – это ваши окна в мир. Время от времени протирайте их, иначе свет перестанет проникать внутрь».

Словарь

Δv (дельта-вэ) – характеристическая скорость, сообщаемая космическому кораблю ракетным двигателем.

Breakthrough Starshot – проект по отправке миниатюрных космических аппаратов с солнечными парусами в другую звездную систему.

NERVA — ядерный тепловой ракетный двигатель, разработанный NASA.

VASIMR — электрический ракетный двигатель, использующий методы ядерного синтеза для создания высокотемпературной плазмы, которую электромагниты направляют в выхлопную струю.

Абляция – физический процесс, при котором материал удаляется с объекта путем постепенного испарения. Абляционные теплозащитные экраны на космических аппаратах отводят тепло за счет отрыва частей щита.

Аэродинамическое торможение – маневр, в ходе которого космический аппарат снижает свою скорость, скользя по верхним слоям атмосферы планеты.

Варп-двигатель – гипотетический тип двигателя для космических аппаратов, принцип работы которого основан на деформации пространства и времени.

Гравитационный маневр – маневр, при котором космический аппарат использует гравитационное поле небесного тела, чтобы набрать скорость.

Зонды фон Неймана – гипотетические самореплицирующиеся роботизированные космические аппараты, способные совершать перелеты от звезды к звезде, постепенно исследуя Галактику.

Импульс – мера движения тела, равная произведению его массы и скорости. Чем больше импульс объекта, тем больше силы он передает при столкновении.

Ионный двигатель – вид электрического двигателя, в котором газ из заряженных ионов ускоряется под действием электрического поля.

Колонии О'Нила – концепция постоянно обитаемой космической станции, состоящей из 30-километровых цилиндров, которые вращаются с определенной скоростью для обеспечения искусственной гравитации.

Космический лифт – концепция по достижению космоса с помощью кабеля, простирающегося от поверхности Земли до платформы на геостационарной орбите.

Момент импульса – мера вращательного движения тела, определяемая угловой скоростью тела и распределением массы тела вокруг его центра тяжести.

Общая теория относительности – теория гравитации Альберта Эйнштейна, в которой гравитационная сила определяется как искривление пространства и времени.

Радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) – устройство, использующее тепло, выделяемое при распаде радиоактивного материала, для выработки электроэнергии.

Солнечный парус – устройство, способное привести в движение космический аппарат при помощи света (от Солнца или лазера).

«Спейс шаттл» – многоразовый космический аппарат, эксплуатировавшийся NASA с 1981 по 2011 год.

Специальная теория относительности – теория Альберта Эйнштейна, описывающая динамику движущихся тел. Она расширяет законы Ньютона при описании объектов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света.

Стартовое окно – временной интервал, в течение которого необходимо произвести запуск космического аппарата, чтобы он вышел на требуемую траекторию.

Суборбитальный полет – полет по баллистической траектории (то есть траектории движения свободно брошенного тела под действием только силы тяжести), при котором космический аппарат не набирает скорость, достаточную для достижения орбиты.

Терраформирование – концепция изменения различных условий (например, климатических) на других планетах с целью сделать их похожими на Землю и пригодными для жизни людей.

Точки Лагранжа – пять точек в объединенном гравитационном поле системы из двух тел, куда можно поместить третье тело, чтобы оно оставалось неподвижным относительно этих двух тел.

Червоточина – гипотетический туннель сквозь пространство и время, который, как полагают, может служить кратчайшим путем для преодоления огромных расстояний, разделяющих звезды.

Рекомендуемая литература

Яркий рассказ о программе «Аполлон», сделавшей возможной высадку людей на Луне:

Chaikin А. A Man on the Moon: The Voyages of the Apollo Astronauts. Penguin, 1994.

О перспективах космической программы США от руководителя полета «Аполлона-13» Джина Кранца:

Kranz G. Failure Is Not an Option: Mission Control from Mercury to Apollo 13 and Beyond. Simon & Schuster, 2000.

История о том, как немецкий гений Вернер фон Браун руководил развитием ракетных технологий в США:

Ward В. Dr. Space: The Life of Wernher von Braun. Naval Institute Press, 2005.

Мемуары пилота командного модуля «Аполлона-11»: Collins M. Carrying the Fire: An Astronaut's Journeys. Pan, 2019.

Советская космическая программа глазами известного историка космоса и инженера:

Harford J. Korolev: How One Man Masterminded the Soviet Drive to Beat America to the Moon. John Wiley & Sons, 1999.

На вопросы о том, каково это быть в космосе, отвечает тот, кто там был:

Peake T. Ask an Astronaut: My Guide to Life in Space. Arrow, 2018.

Обстоятельная история ракетостроения и космических полетов вплоть до начала XXI века:

Sparrow G. Spaceflight: The Complete Story from Sputnik to Curiosity – and Beyond. DK, 2019.

Чтобы узнать, что находится внутри ракеты:

Baker D. Space Rockets Owners' Workshop Manual: Space Rockets and Launch Vehicles from 1942 Onwards. J. H. Haynes & Co, 2015.

Руководство по Солнечной системе, изученной (в основном) роботизированными аппаратами:

Сох В., Cohen A. The Planets. William Collins, 2019.

Книга о том, как работают роботизированные космические аппараты:

Van Pelt M. Space Invaders: How Robotic Spacecraft Explore the Solar System. Copernicus, 2007.

Для ознакомления с некоторыми самыми фантастическими космическими кораблями, представленными в искусстве и литературе:

Miller К Spaceships: An Illustrated History of the Real and the Imagined. Smithsonian Books, 2016.

Подробный рассказ о технических особенностях ракетных двигателей и космических полетов:

Rogers L. It's Only Rocket Science: An Introduction in Plain English. Springer, 2008.

О поселениях в космосе эмоционально повествует человек, который их изобрел:

О'Neill G. К. The High Frontier: Human Colonies in Space. Space Studies Institute, 1976.

О будущем человечества за пределами планеты Земля:

Kaku M. The Future of Humanity: Terraforming Mars, Interstellar Travel, Immortality, and Our Destiny Beyond Earth. Doubleday Books, 2018[16].

Полное руководство по червоточинам и теории относительности от известного физика:

Al-Khalili J. Black Holes, Wormholes and Time Machines. Routledge, 2012.

Примечания

1

Нарния – фантастический мир, созданный писателем Клайвом Стейплзом Льюисом. Место действия в большинстве книг серии «Хроники Нарнии». – Здесь и далее примеч. переводчика.

2

Чудесный Лес (или Стоакровый Лес) – сказочное место, где живут звери в книгах А. Милна о Винни-Пухе.

3

«Конкорд» – британско-французский сверхзвуковой пассажирский самолет.

4

Отсылка к словам Нила Армстронга – первого человека, оказавшегося на Луне. Ступив на ее поверхность, он сказал: That's one small step for [a] man, one giant leap for mankind («Это маленький шаг для человека, но огромный скачок для человечества»).

5

Отсылка к речи Джона Кеннеди We choose to go to the Moon, произнесенной перед студентами Университета Райса в Хьюстоне 12 сентября 1962 года.

6

Империя Сун – государство на территории современного Китая, существовавшее с 960 по 1279 год.

7

Княжество Майсур (1564–1799) – одно из индийских государств, которое располагалось на юго-западной оконечности полуострова Индостан.

8

Отсылка к фразе «Используй силу, Люк», которую в фильме «Звездные войны. Эпизод IV: Новая надежда» говорит Оби-Ван Кеноби, обращаясь к Люку Скайуокеру.

9

Отсылка к названию фильма «Звездные войны. Эпизод I: Скрытая угроза» (1999).

10

Испытательный пилотируемый полет аппарата Dragon 2 (Crew Dragon) с двумя астронавтами на борту начался 30 мая 2020 года, а 31 мая он успешно пристыковался к американскому модулю «Гармония» на МКС.

11

30 июля 2020 года в рамках программы «Марс-2020» был проведен успешный запуск ракеты «Атлас-5» с марсоходом Perseverance и марсианским вертолетом Ingenuity на борту. Прибытие аппаратов на Марс намечено на вторую половину февраля 2021 года.

12

Уильям Хит Робинсон (1872–1944) – английский художник, иллюстратор и карикатурист. Прославился тем, что рисовал причудливо сложные машины, перед которыми стояли довольно простые цели.

13

Британское межпланетное общество – организация, основанная инженером Филиппом Е. Клитором в 1933 году в Ливерпуле. Занималось проведением и популяризацией космических исследований.

14

Планетарное общество – частная некоммерческая организация, основанная в 1980 году Карлом Саганом, Брюсом Мюрреем и Луисом Фридманом. Занимается реализацией различных проектов в области космических исследований и популяризацией науки.

15

В переводе с латинского – «К звездам».

16

Каку М. Будущее человечества. Колонизация Марса, путешествия к звездам и обретение бессмертия. М.: Альпина Паблишер, 2019.

Content

Пол Парсонс
Всё о космических путешествиях за 60 минут

Предисловие

01. Как далеко мы продвинулись

02. Как покинуть планету

03. Используйте силу

04. Как остаться в живых в космосе

05. Когда машины заменят людей

06. Космос – это большой бизнес

07. Следующий гигантский скачок уже начался

08. Эта маленькая Солнечная система

09. Нет места лучше космоса

10. Как добраться до звезд

Словарь

Рекомендуемая литература

Примечания