Научные открытия нередко делаются совсем не там, где их ожидали. Колумб хотел попасть в Индию, а открыл Америку. Нечто подобное произошло и с космическими лучами. Это открытие было сделано при изучении электропроводности воздуха.
Всем известно, что медь и другие металлы хорошо проводят электрический ток, а стекло, фарфор, резина почти не проводят. Воздух, как и все газы, хороший изолятор, но и его можно заставить проводить электрический ток. Для этого нужно оторвать электроны от некоторых атомов газа и тем самым создать в воздухе положительно заряженные атомы — ионы. Какое-то очень малое количество ионов есть в воздухе всегда, что легко доказать с помощью электроскопа (рис. 5). В этом приборе к стерженьку, сделанному из изолятора, прикреплены два тонких металлических листочка. Если сообщить листочкам заряд, они оттолкнутся друг от друга и остановятся, образовав некий угол. Опыт показывает, что за достаточно долгое время листочки электроскопа опять сходятся. Это значит, что есть утечка заряда. Если поместить электроскоп под стеклянный колпак и откачать насосом воздух, утечка заряда прекратится. Значит, заряд уходит через воздух. Чем больше в воздухе ионов, тем быстрее утекает заряд.
Что же создает в воздухе ионы? Если причина этого в Земле, нужно подняться вверх, и утечка заряда уменьшится. И вот стали поднимать электроскопы на воздушных шарах. Результат опытов всех удивил: чем выше поднимали электроскоп, тем быстрее утекал с его листочков заряд. Оказалось, что причина, создающая в воздухе ионы, находится не в Земле, а в космическом пространстве. Незначительное количество ионов создается радиоактивными излучениями Земли, но на большой высоте эти излучения не сказываются.
Никто не может предсказать, когда именно нога человека ступит на поверхность Луны, Венеры, Марса. Однако многие научно-технические проблемы, связанные с подготовкой и проведением таких полетов, уже сейчас оживленно обсуждаются учеными.
Прежде всего обсуждается проблема топлива. Если бы было можно увеличить его калорийность в 2—3 раза, то уже существующие ракеты с экипажем смогли бы облететь Луну и вернуться на Землю. Увеличение калорийности топлива еще в несколько раз позволило бы совершить такие же полеты к Венере и Марсу.
На этом, по всей вероятности, и кончаются возможности химического топлива. Во-первых, никакие ухищрения не позволяют безгранично увеличивать его калорийность, т. е. запас химической энергии. Во-вторых, любое химическое топливо занимает много места, оно слишком тяжело и часто таит в себе опасность взрыва.
Чем дальше рейс, тем больше, а значит, и тяжелее должен быть космический корабль: тем больше кислорода, воды и пищи он должен нести в себе, тем больше должны быть источники электропитания. При той скорости, которую может развить ракета на химическом топливе, продолжительность полета к Луне и обратно не превысит 2—3 недель, а полеты к Венере и Марсу продлятся минимум 1—2 года. Полеты к большим планетам, Юпитеру или Сатурну, заняли бы десятилетия.
Ясно, что здесь нужны принципиально новые решения. Наука и техника уже вплотную подошли к созданию таких ракетных двигателей, которые при гораздо меньшем размере и весе будут развивать невиданную еще скорость. В первую очередь это атомные, плазменные и ионные двигатели. Не вдаваясь в детали, скажем только, что с помощью таких ракетных систем можно будет отправлять в полет к планетам космические корабли, весящие многие десятки тонн, и развивать скорость до 100 км/сек.
Пока все космические корабли летают по так называемым самотормозящимся орбитам. Первые спутники тормозились от трения об атмосферу, снижались и сгорали в более плотных ее слоях. Чем ниже орбита, тем меньше живет спутник. «Низкие» орбиты позволили максимально обезопасить полет человека: в случае отказа тормозных устройств корабль будет тормозиться в атмосфере и опустится на Землю сравнительно скоро. Конечно, время и место приземления в этом случае нельзя предугадать точно. Орбита корабля «Восход» была поднята над Землей значительно выше (апогей — 409 км). Поэтому уже нельзя было рассчитывать на самоторможение.
Чтобы обеспечить безопасный возврат космонавтов на Землю, на корабле были установлены два тормозных двигателя (один из них — запасной).
Корабли «Восток» и «Восход» могли спуститься с орбиты, используя как автоматическое, так и ручное управление. Перед спуском корабль разворачивается с помощью двигателей ориентации так, чтобы ось тормозного двигателя совпадала с направлением полета, а сила тяги этого двигателя была направлена навстречу полету, т. е. чтобы двигатель «тянул назад» и тормозил корабль. Запас энергии корабля падает, и он снижается... увеличивая скорость! Именно увеличивая, а не уменьшая. Это одно из свойств космических полетов.
Затормозив, корабль оказывается в плотных слоях атмосферы и из орбитального полета переходит на крутоспадающую траекторию спуска. После того как будет пройдена зона воздействия высоких температур, включается система приземления, т. е. дополнительная система торможения в нижних слоях атмосферы, которая обеспечит кораблю приземление с малой скоростью.
Пилот, находящийся на корабле «Восток», может приземлиться как в самом корабле, так и на парашюте после катапультирования и отделения кресла от корабля. Трехместному «Восходу» конструкторы обеспечили «мягкую посадку». Необходимость иметь в запасе еще и катапультирование полностью отпала.
Основная проблема при возвращении из космоса — тепловая защита корабля ниже 250—100 км, когда уже сказывается сопротивление атмосферы. Ученые занялись этой проблемой еще до запуска первых спутников.
Опыт, накопленный советскими учеными и конструкторами при запусках спутников, лунников и автоматических межпланетных станций, позволил создать космический корабль для полета человека. В марте 1961 г. были произведены два последних контрольных пуска корабля «Восток». В кресле пилота сидел манекен, облаченный в космический скафандр. Кроме того, в кабине находились собаки. Оба полета прошли в точном соответствии с программой и подтвердили высокую надежность конструкции и всех систем, а также полную безопасность полета для человека.
Корабль «Восток» состоит из кабины сферической формы, рассчитанной на одного пилота, приборного отсека и отсека с тормозной двигательной установкой. После выведения на орбиту корабль-спутник отделяется от последней ступени ракеты-носителя.Внешняя поверхность кабины покрыта слоем тепловой защиты, предохраняющим ее от высокой температуры, которая развивается от трения при спуске в плотных слоях атмосферы.
Через три иллюминатора с толстыми жаропрочными стеклами космонавт видит Землю и звезды, фотографирует. Наблюдая за линией горизонта и направлением «бега» поверхности Земли, космонавт может ориентировать корабль в пространстве с помощью двигателей системы ориентации. Для предохранения глаз от лучей Солнца, которое, по словам Гагарина, настолько ярко, что на него нельзя смотреть даже зажмурившись, иллюминаторы снабжены шторками.
Кресло пилота — это и его рабочее место, и своеобразный домик, в котором есть все для жизненных нужд. В кресле находится запас кислорода и вентилирующее устройство для отвода тепла из скафандра. В кресле размещены приемо-передающие радиостанции, запас продуктов и предметов первой необходимости, которые могут понадобиться после приземления. Поверхность кресла точно соответствует форме тела космонавта и выложена мягкими пластмассовыми подушками.
При аварийной ситуации на старте или в процессе вывода на орбиту кресло с космонавтом автоматически катапультируется через люк, быстро открывающийся в корпусе кабины. Парашютные системы кресла обеспечивают плавный спуск на землю или воду. При спуске на воду автоматически разворачивается надувная лодка. Но и без нее поддерживать космонавта на воде может скафандр. Теплоизоляция скафандра и его герметичность таковы, что космонавт не ощутит холод, даже находясь 12 часов в ледяной воде.
Люди бережно хранят имена героев и даты великих событий, которыми гордится все человечество. Немногие подвиги, совершенные людьми за тысячелетия, оставят такой глубокий след, как первый полет человека в космос.
12 апреля 1961 г. с космодрома Байконур стартовал первый космонавт человечества Юрий Гагарин.Могучая советская ракета вывела на орбиту вокруг Земли первый космический корабль, пилотируемый человеком.
Вслед за Гагариным, сделавшим виток вокруг нашей планеты на корабле «Восток», стартовали другие советские космонавты, увеличивая от полета к полету время пребывания на орбите. С каждым полетом все совершеннее становилось оборудование кораблей, усложнялись научные наблюдения, проводимые космонавтами в полете. Гагарин и Титов летали в одиночку, Николаев и Попович, Быковский и Терешкова совершили групповые полеты, а Комаров, Феоктистов и Егоров летели в трехместном космическом корабле.
Гагарин вел первый телефонный разговор из космоса. На корабле «Восток-2» испытывалась высококачественная телевизионная система, а с последующих кораблей изображения космонавтов транслировались на весь мир.
Космодром Байконур раскинул свои службы на просторах южной степи. Сердце космодрома — стартовая площадка. На некотором удалении от нее — командный пункт, расположенный в защитном железобетонном бункере. Оттуда ведется дистанционное управление стартом и наблюдение (через перископы) за первыми секундами полета. Еще дальше отнесены открытые наблюдательные пункты, монтажный корпус, служебные здания, жилые домики.
В монтажном корпусе ведется сборка ракеты, здесь же соединяют космический корабль с последней ступенью ракеты-носителя. Могучий кран легко поднимает многотонный корабль, и крановщик точно подводит его к ракете. Надежно затянуты крепежные болты—корабль занял свое место.. Последним закрепляется защитный колпак. Сборка закончена.
Основная часть научной аппаратуры на космических ракетах и спутниках размещается в отсеках и контейнерах, расположенных внутри герметичного корпуса. Здесь же находятся и радиопередатчики, которые передают на Землю данные научных измерений. Они же контролируют положение ракеты, давление и температуру внутри контейнера и на его поверхности. Внутри корпуса находится и аппаратура для изучения газового состава среды в межпланетном пространстве. Протонные же ловушки этой аппаратуры размещены на поверхности внешней стороны оболочки. Вне корпуса установлены также счетчики космических лучей и «чувствующие» элементы аппаратуры, измеряющей магнитное поле. Эти элементы расположены на конце длинной алюминиевой трубки, чтобы исключить влияние магнитной массы контейнера.
Физики уже давно доказали, что космические лучи — это не лучи и не электромагнитные волны, а поток заряженных частиц с самыми различными энергиями, намного превосходящими энергию частиц, разогнанных даже в мощнейших ускорителях.
На советских космических ракетах были установлены разнообразные приборы, позволяющие всесторонне изучать состав космических лучей в межпланетном пространстве. Эти приборы делятся на две группы: газоразрядные счетчики космических частиц и люминесцирующие кристаллы с фотоумножителями— сцинтилляционные счетчики.
Газоразрядные счетчики — это обычно небольшие стеклянные трубочки, наполненные смесью газов. Внутри каждой из них натянута проволочная нить, а поверхность стекла покрыта проводящим слоем. Это катод. Между нитью и катодом подают напряжение в несколько тысяч вольт, и в трубочках образуется сильное электрическое поле.
Заряженная космическая частица, попадая в счетчик, ионизирует молекулы газа, разбивает их на электроны и положительные ионы, которые разгоняются электрическим полем и в свою очередь ионизируют другие молекулы. Так образуется лавина заряженных частиц, возникает импульс тока.
Радиосхемы усиливают эти импульсы во много раз и с помощью телеметрического устройства передают их на Землю. Сигнал на Землю идет лишь в том случае, когда через
счетчики пройдет определенное количество импульсов. Поэтому легко подсчитать и число космических частиц, пронизывающих определенную площадь за секунду, т. е. узнать интенсивность космических лучей.
Работа другой группы приборов — сцинтилляционных счетчиков — основана на том, что частицы, летящие с космическими скоростями, при прохождении через кристаллы некоторых веществ вызывают в них вспышку света.
4 октября 1957 г. на Земле началась космическая эра. Советская ракета превысила первую космическую скорость и вывела на орбиту первый искусственный спутник Земли. Вес его был сравнительно мал, но его знаменитые позывные «бип-бип» разнеслись по всей планете. В те незабываемые дни блестящий металлический шар с усиками антенн стал символом человеческого гения.
Первый спутник весил всего 83,6 кг, но вывести на орбиту его могла только огромная ракета невиданной до той поры мощности. Последняя ступень космической ракеты составляет 4—5% ее общего веса, а вес самого спутника должен быть в несколько раз меньше. Если увеличить его вес только на 1 кг, то ракета должна стать тяжелее на 250—300 кг. Тем значительнее успех советских ученых и инженеров, запустивших второй спутник весом более 500 кг, а третий — свыше 1300 кг! Вес наших спутников красноречивее всяких слов свидетельствовал, что была создана и удачная конструкция баллистической ракеты, и мощные, но в то же время легкие двигатели, найдено прекрасное топливо и разработана точнейшая система управления.
Наш первенец был одет в легкий «костюм» из алюминиевых сплавов. Защитная оболочка спутника прежде всего должна быть достаточно прочной, чтобы предохранить приборы от грозного врага — метеоритов.
Когда спутник освещается Солнцем, он сильно нагревается; когда находится в тени, резко охлаждается. Разность температур может достигать примерно 100°. А ведь для приборов необходим нормальный тепловой режим. Это не только сложная, но и совершенно новая задача. И ее решили! Поверхность оболочки спутника обработали так, что она отражала основную массу солнечных лучей, а в тени не давала теплоте спутника излучаться в пространство. Чтобы распределить теплоту по всему спутнику равномерно, его заполнили азотом. При помощи вентиляционных устройств азот циркулировал между приборами и оболочкой, нагреваясь у более теплых частей и отдавая теплоту более холодным.
На первом спутнике были установлены два радиопередатчика. Обычные любительские приемники принимали их сигналы на расстоянии в сотни и даже тысячи километров. Эти сигналы не только рассказывали, где именно находится спутник и какова траектория его полета. Едва приметные изменения частоты и длительности сигналов сообщали ученым о том, что происходит со спутником, и в первую очередь о величине и колебаниях температуры внутри его оболочки.
Еще в 20-е годы ученые нашей страны начали создавать ракеты для исследования атмосферы. В 1933 г. была запущена первая ракета с жидкостным двигателем.
С 1949 г. у нас регулярно ведется исследование атмосферы метеорологическими ракетами. В 1957 г. такая ракета вызвала восхищение всех участников Международной конференции ученых-метеорологов.
Метеорологической ракете практически незачем подниматься выше 90 км. Для изучения же физики верхних слоев атмосферы применяют специальные исследовательские ракеты. Это более «солидные» аппараты. Они должны подняться как можно выше и получить данные обо всех слоях атмосферы и даже о заатмосферном пространстве.
На первых ракетах исследовательская аппаратура весила всего 120—130 кг. Ракета, стартовавшая в мае 1957 г., несла на борту аппаратуру весом уже в 2200 кг и поднялась на высоту 212 км.
В феврале 1958 г. мощная советская ракета несла более полутора тонн научной аппаратуры, достигла высоты 473 км и установила мировой рекорд высоты для одноступенчатых ракет. В течение всего полета ракета стабилизировалась специальными устройствами, которые не давали ей вращаться. Это увеличило точность измерений; их результаты непрерывно передавались по радио или записывались на магнитную пленку.
Большая грузоподъемность советских ракет позволила, кроме аппаратуры, поднимать и подопытных животных. Контейнер с животным снабжали устройством для регенерации (восстановления) состава воздуха, киноаппаратом и приборами, контролирующими поведение животного в полете.
На первом этапе этих опытов герметическая кабина с собакой спускалась на парашюте с высоты 100—210 км. Исследования показали, что ускорения, возникающие при взлете ракеты и при вхождении кабины в плотные слои атмосферы, животные переносят без вреда для себя. Так же перенесли они и состояние невесомости, которое длилось 6 минут.
Первые ракеты были построены китайцами около двух тысяч лет назад. Это были «огненные стрелы» — небольшие бамбуковые трубки, набитые пороховой массой и закрепленные на палке, служившей стабилизатором. Их применяли для поджога крепостей и против конницы. Иногда ракеты прикреплялись к стрелам, подожженная ракета увеличивала дальность и поражающее действие стрелы. У ракет было и мирное назначение: их запускали в дни больших торжеств.
С течением веков китайцы перестали пользоваться ракетами, но в Индии продолжали применять ракеты как боевое оружие. Тут с ними впервые и столкнулись европейцы. Впечатление было сильным: в Европе такое оружие было неизвестно — древние греки и римляне применяли метательные орудия совсем другого типа. Их катапульты использовали упругую силу туго скрученных волокон. Баллиста была еще проще: огромный лук, укрепленный на деревянной раме. Катапульта и баллиста просуществовали в Европе вплоть до XIII в., т. е. до вторичного изобретения пороха, когда на смену каменным ядрам пришли разрывные гранаты.
Командующий английскими войсками в Индии генерал Конгрев, убедившийся в силе ракет, вывез в Англию образцы и организовал их производство. В первой половине XIX в. реактивная артиллерия была принята на вооружение большинством европейских государств. Значительного развития этот вид оружия достиг в русской армии. Первые образцы русских боевых ракет были созданы генералом А. Д. Засядко. Их применяли в 30-х годах XIX в. в войне на Кавказе и в войне с Турцией.
Ракета была легче и подвижнее пушки, да и стоила гораздо дешевле. А по дальности и точности огня гладкоствольная артиллерия ненамного превосходила ракеты. Казалось, будущее принадлежит ракете. Но случилось иначе: на смену гладкоствольным пушкам появились нарезные орудия; был изобретен бездымный порох, намного увеличивший дальность и мощь огня артиллерии. Соперничать с мощными орудиями боевая ракета не могла. К началу XX в. она была забыта.
Но ракета вернулась в строй. В начале Великой Отечественной войны на полях сражений прозвучал грозный голос советских гвардейских минометов — «катюш». «Катюша» представляла собой ракету с бездымным порохом, в головной части ее укреплен боевой заряд. Несколько ракет одна за другой стартовали при залпе по направляющим полозьям — рельсам, установленным на подвижном автолафете. Залп с нескольких автолафетов накрывал большую площадь, уничтожал живую силу и выводил из строя боевую технику врага.
Это оружие вызвало многочисленные попытки подражания как у наших союзников, так и в стане врагов.
Еще в 30-х годах, подготавливаясь к захватнической войне, фашисты начали работу над созданием боевой ракеты на жидком топливе. Испытав на себе сокрушительные удары Советской Армии, гитлеровцы удесятерили попытки создать «новое секретное оружие», с помощью которого можно было бы выиграть войну. Так появились реактивные самолеты-снаряды дальнего действия «Фау», которые обрушились на Лондон.