Помоги проекту - поделись книгой:
Дальнейшее развитие идеи Циолковского о составных ракетах осуществлено советским инженером Ф. А. Цандером. Очевидно, если бы можно было использовать ненужные, отбрасываемые части конструкции ракеты в качестве топлива для жидкостного ракетного двигателя, то конечная скорость ракеты при этом увеличилась бы. Именно это и является содержанием предложения Цандера. Он разработал ряд проектов межпланетных многоступенчатых ракет, в которых металлические части конструкции, становящиеся ненужными в полете — опустошившиеся баки, крылья и проч., расплавляются и подаются в камеру сгорания жидкостного ракетного двигателя. Цандеру принадлежит, как указывалось в предыдущей главе, и сама идея использования ряда металлов — алюминия и других — в качестве топлива для жидкостных ракетных двигателей. Он же провел и опыты по сжиганию такого металлического горючего.
Разрабатывая ракетодинамику, Циолковский не ограничился простейшим случаем полета в свободном пространстве. Им были рассмотрены многие другие важнейшие задачи теории межпланетного полета и получены формулы, лежащие в основе астронавтики. Постепенно усложняя задачу, Циолковский рассмотрел полет ракеты в поле тяжести, то есть в таком пространстве, где действует сила тяготения. Им было исследовано влияние сопротивления воздуха, то есть рассмотрен полет ракеты в земной атмосфере, как это бывает при взлете и посадке межпланетного корабля. Циолковский установил наивыгоднейшие методы взлета межпланетного корабля, рассчитал запас топлива, необходимый для совершения различных межпланетных полетов. Эти и другие ценные результаты исследований теории межпланетного полета, полученные Циолковским, заложили прочную теоретическую основу астронавтики.
На какие же перспективы развития реактивной техники может рассчитывать астронавтика, строя свои планы постепенного завоевания безграничных далей мирового пространства?
Глава 8
ОТ РАКЕТНОГО САМОЛЕТА ДО КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ
Десятилетия, прошедшие с тех пор, как Циолковский создал астронавтику, показали всю правильность разработанного им стратегического плана борьбы за покорение мирового пространства.
Циолковский считал, что путь в мировое пространство совпадает со столбовой дорогой развития авиации и реактивной техники. Сначала все более высотные полеты самолетов с обычными поршневыми двигателями. Затем создание «стратопланов полуреактивных» (так называл Циолковский самолеты с воздушно-реактивными двигателями за много лет до того, как такие самолеты появились в действительности). Все большая скорость и высота полета этих самолетов. Наконец, переход к ракетным самолетам с жидкостными ракетными двигателями, способными летать в самых верхних слоях атмосферы с недосягаемыми для других самолетов скоростями. Далее, с постепенным ростом скорости, высоты и дальности полета и уменьшением поверхности несущих крыльев — к космической ракете.
Многие ученые на Западе смотрели на дело иначе. Они писали, что астронавтика будет развиваться вне связи с авиацией, своей особой дорогой. Выходило так, что астронавтика закладывается на чистом месте, что создание космического корабля — задача, которая должна решаться с самого начала как целиком новая, что опыт авиации ничем здесь помочь не может.
Теперь уже можно говорить о том, что история опровергла эти утверждения. Нет сомнений, что весь ход развития авиации и реактивной техники подготавливает почву для решения задач астронавтики. Без опыта, накопленного за все эти годы авиацией и реактивной техникой, создание космического корабля было бы невозможным. Авиация и реактивная техника являются техническим фундаментом астронавтики. Именно поэтому с каждым годом возможность осуществления полетов в мировое пространство делается все более реальной и вековая мечта человечества — все более осуществимой.
Развитие реактивной техники вскрыло еще одну весьма интересную особенность, по существу предсказанную Циолковским. Две бывшие до сих пор самостоятельными ветви реактивной техники — авиация и артиллерия — постепенно сближаются. Конструктивные формы самолетов и ракет становятся все более сходными, и в них начинают угадываться будущие очертания космических кораблей. Самолеты постепенно теряют очертания, характерные для обычной винтовой авиации: нос фюзеляжа становится заостренным, как у снаряда; крылья уменьшаются в размерах, приобретают стреловидные очертания; дужка крыла вместо каплевидной формы получает заостренную переднюю кромку. С другой стороны, тяжелые реактивные снаряды приобретают небольшие крылышки и становятся очень похожими на некоторые новые, реактивные самолеты.
Сама механика полета самолетов может стать в будущем очень непохожей на принятую в настоящее время и приблизиться к артиллерийской. В настоящее время двигатель самолета, как известно, работает в течение всего времени полета, тогда как двигатель реактивного снаряда работает лишь в течение короткого промежутка времени — при запуске-выстреле. Установка на самолете ракетного двигателя, имеющего большую тягу, позволяет осуществить полет самолета по образцу полета снаряда. В этом случае двигатель самолета работает лишь короткое время при взлете, осуществляя разгон самолета до очень большой скорости и забрасывая его, подобно снаряду, на огромную высоту. Дальнейший полет самолета осуществляется с остановленным двигателем, так что топливо не расходуется, причем самолет совершает длительный планирующий полет с постепенным снижением. Расчет показывает, что самолет в состоянии пролететь при этом гораздо большее расстояние и совершить такой полет в значительно меньшее время, чем существующие сейчас самолеты любых типов.
Несомненно, именно так будут совершаться в будущем сверхдальние и сверхскоростные перелеты на Земле. Например, полет Владивосток — Москва можно будет совершить таким образом примерно за один час, обгоняя видимое движение Солнца. Так что, поужинав во Владивостоке, можно будет в тот же день… позавтракать в Москве! Такие полеты сближают авиацию с астронавтикой, ибо при их выполнении самолеты должны залетать, по существу, уже в преддверие мирового пространства. Техника полета межпланетного корабля будет также основана на коротком разгоне вначале и последующем длительном полете с остановленным двигателем. В главе 10 возможность таких астронавтических перелетов на Земле будет рассмотрена подробнее.
Формула Циолковского, о которой шла речь в предыдущей главе, показывает, в каком направлении должна развиваться реактивная техника, чтобы решить задачи астронавтики. Реактивные летательные аппараты должны совершенствоваться так, чтобы: а) на аппарате данного веса можно было разместить возможно большее весовое количество топлива; б) жидкостные ракетные двигатели обеспечивали максимально возможную скорость истечения газов.
Каковы же перспективы развития реактивной техники в обоих этих направлениях?
Возможности дальнейшего увеличения относительного запаса топлива на ракете в настоящее время весьма ограниченны. Вспомните дальнюю ракету, описанную в главе 6. Вес топлива на этой ракете превышал вес пустой ракеты (без полезного груза) примерно в 3 раза. В лучших образцах построенных одноступенчатых ракет это соотношение значительно больше, что является замечательным достижением. Ведь обыкновенный легкий алюминиевый бачок вместимостью 10 килограммов бензина весит примерно 1 килограмм. Значит, уже сейчас по весу ракеты на 1 килограмм запасенного на ней топлива она всего раза в полтора тяжелее такого бачка. Но ракета рассчитана на полет при огромных скоростях, она должна выдерживать большие инерционные перегрузки, возникающие в таком полете. Кроме того, на ракете установлены двигатели, сложное приборное оборудование, система управления в полете. Все это значительно увеличивает ее вес.
Конечно, ракета имеет гораздо большие размеры, что позволяет создать относительно более легкую конструкцию; в ней могут быть применены и специальные прочные и легкие материалы. Однако только при использовании предложенных Циолковским составных ракет можно добиться того, чтобы на 1 килограмм веса ракеты, который она будет иметь после выработки всего топлива, приходились многие десятки килограммов веса топлива при взлете, что необходимо для осуществления космического полета. А идея Цандера использовать части конструкции ракеты в качестве топлива может увеличить это отношение еще во много раз.
Вот почему астронавтику интересует больше всего то направление развития реактивных летательных аппаратов, которое связано с совершенствованием конструкции составных ракет, накоплением опыта их эксплуатации, осуществлением все более высотных и дальних полетов этих ракет, сначала без людей, а потом с людьми.
Одной из важнейших проблем является создание новых материалов, из которых будут строиться межпланетные корабли. Материалы должны быть прочными, легкими, жаростойкими. Вряд ли для этой цели пригодятся алюминиевые и магниевые сплавы, являющиеся в настоящее время основными конструкционными материалами в авиации. Если эти сплавы и найдут применение на межпланетном корабле, то только для различных вспомогательных целей. Основными материалами будут, по-видимому, новые сплавы, созданные металлургами, и новые пластмассы, созданные химиками. Вероятно, на межпланетном корабле найдут широкое применение специальные высокожаропрочные стали, новые керамические материальна также комбинации тех и других — для участков корабля, которые, будут подвергаться особенно сильному нагреву в полете.
Каковы возможности применения на межпланетном корабле новых, необычных еще сегодня материалов, можно видеть хотя бы на примере стекла. Не исключено, что многие части космических кораблей и даже вся его обшивка будут изготовлены именно из стекла. Конечно, это будет не обычное, всем хорошо известное стекло. В последние годы созданы замечательные сорта стекла, обладающие многими ценными качествами для астронавтики. Так, например, в США создано стекло, имеющее в отличие от обычного кристаллическую структуру. Это стекло тверже стали, легче алюминия, в 15 раз прочнее обычного стекла, причем эту свою твердость оно не теряет даже при нагреве до 700 °C; его температура плавления близка к температуре плавления железа. Из такого стекла можно изготовить даже такие детали, как лопатки турбин. Новое стекло может быть сделано как прозрачным, так и непрозрачным. Вот почему можно представить целиком стеклянный космический корабль будущего с прозрачными стенками пассажирской кабины…
Конечно, почетное место в конструкция межпланетного корабля займут металлы. Так, несомненно, будут использованы титановые сплавы, получающие все большее применение в современной авиации. Большое будущее принадлежит, вероятно, сплавам бериллия — исключительно легкого материала (почти вдвое более легкого, чем алюминий: его удельный вес равен всего 1,83) и в то же время очень прочного, выносящего высокие температуры. Большую роль может сыграть и литий — самый легкий металл, вдвое более легкий, чем вода. Будут служить астронавтике и многие редкие металлы — такие, как цирконий, гафний, ниобий и другие. Создание новых жаропрочных и легких материалов для астронавтики — сложнейшая научная и инженерная задача, требующая длительных и упорных исследований. Можно не сомневаться, что она будет решена — наука дает металлургам все большие возможности переходить от поисков на ощупь, наугад, по интуиции, которые были характерны для недалекого прошлого, к уверенному инженерному «проектированию» новых конструкционных материалов с заданными, иной раз самыми необычными, свойствами.
Не менее сложна и трудна задача увеличения скорости истечения газов из жидкостного ракетного двигателя. В настоящее время эта скорость не превышает 2500–3000 метров в секунду. Увеличение скорости истечения газов происходит очень медленно и достигается ценой больших усилий. Для того чтобы добиться увеличения скорости истечения газов, приходится решать сразу две самостоятельные задачи — искать более калорийные топлива, то есть топлива, выделяющие при сгорании больше тепла, и обеспечивать работоспособность двигателя на этих топливах. Чем больше тепла выделяет топливо при сгорании в двигателе, тем больше при прочих равных условиях скорость истечения газов из двигателя.
Наибольшие скорости истечения достигаются в настоящее время обычно при использовании в качестве окислителя жидкого кислорода, а в качестве горючих — нефтепродуктов (бензин, керосин). Наименьшие — в случаях, когда окислителем служит перекись водорода или азотная кислота.
Каковы возможности увеличения скорости истечения при использовании наилучших комбинаций окислителей и горючих, которые могут быть составлены из имеющихся химических элементов?
Исследования советских и зарубежных ученых показывают, что эти возможности, в общем, весьма ограниченны. В числе перспективных топлив можно назвать, например, предложенные Кондратюком соединения фосфора и соединения кремния; предложенные Цандером и Кондратюком металлы и соединения металлов, в частности соединения металла бора с водородом, так называемые бораны, металла лития и другие — в качестве горючих; предложенный Циолковским озон, соединения фтора и некоторые другие — в качестве окислителей.
Изучение ряда новых топлив производится и в настоящее время. Они, конечно, будут применяться в будущем во многих случаях вместо современных топлив. Однако скорость истечения газов при этих топливах не будет, вероятно, превышать 4500 метров в секунду.
Мы видим, что химия бессильна решить задачу значительного увеличения скорости истечения газов из жидкостного ракетного двигателя, ибо освобождаемая при сгорании топлив химическая энергия оказывается для этого недостаточной.
Правда, чтобы не быть несправедливым по отношению к химии, надо указать на одну возможность, хотя в настоящее время еще неизвестно, удастся ли когда-нибудь ее реализовать. Зато уж очень заманчивые перспективы сулит она астронавтике!
Эта возможность связана с так называемым атомарным топливом. Оказывается, существуют такие химические реакции, которые приводят к выделению необычайно больших количеств тепла — это реакции образования некоторых молекул из отдельных атомов. Можно представить себе, например, двигатель, в камере сгорания которого вместо обычного горения происходит реакция образования молекул водорода из его атомов. Это был бы замечательный двигатель! Во-первых, для него не нужно было бы двух различных веществ — горючего и окислителя, достаточно одного вещества — водорода. Во-вторых, скорость истечения газов из подобного двигателя могла бы превысить… 10 километров в секунду! Вот с какой огромной скоростью молекулы водорода, образовавшиеся в двигателе из атомов, вытекали бы из сопла двигателя в атмосферу. Не нужно было бы и никакой системы зажигания для такого двигателя — атомы водорода обладают, как говорят, огромной химической активностью, они стремятся слиться по два, то есть образовать молекулы.
Именно эта необычная химическая активность атомов водорода и других атомов, выделяющих при соединении в молекулы много тепла, мешает создать двигатели, работающие на атомарном топливе. Свободные атомы водорода могут существовать ничтожные доли секунды — они практически мгновенно соединяются друг с другом, образуя молекулы.
Обычно атомарный водород получают путем пропускания струи водорода через мощный электрический разряд. При этом электрическая энергия затрачивается на расщепление молекул водорода на атомы. Но как только атомы водорода покидают электрическую дугу, они немедленно образуют снова молекулы, выделяя полученную ими ранее электрическую энергию уже в виде тепла. Вот если бы можно было найти способ предотвратить это обратное воссоединение атомов в молекулы, если бы можно было научиться хранить водород в атомарном состоянии! Тогда достаточно было впустить струю атомарного водорода в камеру двигателя, чтобы в ней произошла, как говорят, рекомбинация молекул водорода и раскаленная струя вытекающего газа создала бы огромную силу тяги. С таким двигателем можно было бы добиться немалых побед в борьбе за покорение мирового пространства.
Но, увы, пока это только мечта. До последнего времени даже теоретически не было известно ни одного метода, с помощью которого можно было бы научиться хранить атомарные газы. Лишь в 1956 году появились какие-то проблески надежды: исследователи научились сохранять активные химические частицы в течение нескольких часов.[24] Для этого полученные атомарные газы сразу же подвергаются очень сильному, или, как говорят, глубокому, охлаждению. Температура их резко снижается до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Удастся ли использовать этот принцип для хранения атомарного топлива ракетных двигателей, покажет будущее.
Но и, помимо атомарного топлива, далеко не все еще ресурсы химии, не все возможности химических топлив уже использованы. Дальнейшие исследования по подбору новых, более эффективных топлив способны увеличить скорость истечения, достигнутую в настоящее время, примерно на 50 процентов. Это значительно увеличило бы скорость и дальность полета ракет, было бы крупнейшим шагом вперед в развитии реактивной техники, а значит, и важной победой в борьбе за покорение мирового пространства.
Однако, чтобы сделать такой шаг, одержать такую победу, мало найти новые, более эффективные топлива. Нужно обеспечить надежную работу двигателя на этих топливах.
Жидкостные ракетные двигатели работают в значительно более тяжелых условиях, чем любые другие двигатели: авиационные, автомобильные, судовые и проч. Поэтому жидкостные ракетные двигатели обладают меньшей надежностью, меньшей продолжительностью работы, меньшим сроком жизни. Эти тяжелые условия работы жидкостных ракетных двигателей связаны с тем, что рабочие газы в них имеют высокое давление, необычайно высокую температуру и движутся с колоссальной скоростью.
Такие условия работы жидкостных ракетных двигателей делают исключительно важной и сложной проблему их охлаждения. Газы, заполняющие двигатель при давлении в десятки атмосфер и температуре 3000° и даже больше, движутся относительно стенок двигателя, со скоростью, во много раз превышающей в некоторых частях двигателя, например в сопле, скорость звука. Естественно, что стенкам двигателя каждую секунду передается огромное количество тепла. Если это тепло не отводить от стенок двигателя, то они очень быстро прогорят и двигатель моментально выйдет из строя. Ведь не известен ни один материал, который мог бы выдержать такие температуры при подобных давлениях. Вот почему для жидкостных ракетных двигателей важнейшим условием их надежности является хорошая система охлаждения.
Уже сейчас некоторые более калорийные сорта топлива не удается применять из-за трудностей, связанных с охлаждением двигателей. Это объясняется тем, что при использовании более калорийных топлив увеличивается и температура газов в камере сгорания. Именно поэтому, например, двигатель дальней ракеты, описанной в главе 6, работает не на чистом спирте, а на спирте с добавкой 25 процентов воды. Эта добавка снижает температуру газов и облегчает охлаждение, хотя она ухудшает характеристики двигателя, уменьшая его тягу почти на 20 процентов — на 5 тонн.
Понятно, что применение новых, гораздо более калорийных топлив, необходимых для космических кораблей, требует существенного усовершенствования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей.
Одним из перспективных методов охлаждения является так называемое проникающее охлаждение, или «охлаждение выпотеванием», как его иногда называют. В этом случае стенки жидкостного ракетного двигателя изготовляются пористыми, с бесчисленным множеством крохотных отверстий диаметром в тысячные доли миллиметра. Через эти отверстия внутрь двигателя проходит специальная охлаждающая жидкость. При таком методе охлаждения внутренняя поверхность стенок, соприкасающихся с раскаленными газами, покрывается сплошным тонким слоем охлаждающей жидкости, защищающим стенку от перегрева. Стенки как бы «потеют», откуда и произошло название этой системы охлаждения. Возможно, что наиболее горячие части двигателей космических кораблей будут иметь именно такое охлаждение.
Исследования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей ведутся в настоящее время весьма интенсивно. Можно надеяться, что двигатели межпланетных кораблей будут вполне надежно работать в течение нескольких минут или, самое большое, нескольких десятков минут (больше заведомо не потребуется) и на более калорийных топливах будущего.
Конечно, для этого, кроме проблемы охлаждения, придется решить немало других сложных инженерных и научных проблем. Достаточно упомянуть, например, о такой задаче, волнующей в настоящее время ученых и конструкторов жидкостных ракетных двигателей, как обеспечение устойчивого горения, борьба с так называемым пульсационным, или вибрационным, сгоранием. При подобном сгорании в камере двигателя возникают сильные, иногда быстрые, а иногда сравнительно медленные, колебания давления горящих газов. Даже за очень короткое время это может вызвать прогорание стенок камеры, разрушение топливной системы двигателя, полный выход его из строя, не говоря уже о том, что такое сгорание приводит к резкому снижению развиваемой двигателем тяги. К сожалению, изучение явлений, происходящих в двигателе при неустойчивом сгорании, представляет собой исключительно сложную теоретическую и экспериментальную задачу, а ведь без такого изучения невозможно и создание надежного двигателя. Неудивительно, что известнейшие ученые в области автоматического регулирования, сгорания, теории движения газов с огромными скоростями, математики, физики, как и лучшие конструкторы и инженеры, трудятся над решением этой и других задач, связанных с созданием двигателя для межпланетных кораблей будущего.
Так как обычные химические топлива содержат в себе недостаточно энергии для того, чтобы обеспечить скорость истечения газов, необходимую для совершения космических полетов, то понятен интерес, который проявляется учеными, работающими в области астронавтики, к другим возможным источникам энергии, помимо химической. И, конечно, на первом плане стоит проблема использования атомной энергии.
Но вовсе нет нужды ждать, пока будет создан атомный двигатель, пока астронавтикой будет освоено использование атомной энергии, чтобы начать штурм мирового пространства.
Все, что мы знаем о современной реактивной технике, свидетельствует о наличии уже сейчас реальных возможностей для начала такого штурма.
Первым результатам этого штурма и планам дальнейших атак посвящена третья часть нашей книги.
Часть третья
ШТУРМ МИРОВОГО ПРОСТРАНСТВА
…Расстояние от самых безумных фантазий до совершенно реальной действительности сокращается с поразительной быстротой.
Глава 9
АТМОСФЕРА — ПАНЦИРЬ ЗЕМЛИ
Мы обычно не задумываемся над тем, как многим обязаны в своей жизни окружающей нас атмосфере.
При отсутствии атмосферы жизнь на Земле была бы невозможна. Содержащийся в атмосфере кислород необходим для жизнедеятельности любого организма. К счастью, в ней находится огромное количество кислорода, которое все время пополняется растениями. Превращенный в жидкость, кислород атмосферы покрыл бы Землю сплошным слоем толщиной 2,2 метра!
Окружающая нас атмосфера нужна нам не только как источник кислорода. Она обеспечивает и исключительно благоприятные условия для жизни на Земле. Мощный слой атмосферы защищает жизнь, бурлящую на поверхности Земли, от непосредственного сурового воздействия бескрайнего мирового пространства, в котором ничтожной песчинкой плывет наша планета.
В мировом пространстве царит жесточайший холод: температура тела, находящегося в мировом пространстве на большом удалении от звезд — например, на таком, как одна звезда от другой, — была бы близкой к абсолютному нулю, то есть около минус 273°. Только тепловое излучение далеких звезд повысило бы температуру этого тела на несколько градусов по отношению к абсолютному нулю. Не будь атмосферы, температура земной поверхности, не обращенной к Солнцу, достигала бы минус 160°, а под палящими солнечными лучами превышала бы плюс 100°. Именно такие условия существуют, например, на Луне. Каково было бы нам жить на столь неуютной планете?.
Атмосфера, укутывающая Землю как бы толстым пуховым одеялом, служит мощным теплоизоляционным экраном. Но атмосфера — это особый, «хитрый» экран, и ни одно пуховое одеяло с ним сравниться не может. Она пропускает солнечные лучи, мчащиеся к Земле, когда светит Солнце, но не позволяет Земле расстаться с полученным ею теплом, рассеять его в мировом пространстве, когда Солнце заходит. Благодаря атмосфере земная поверхность не подвергается такому резкому охлаждению, а суточные колебания температуры на ней оказываются сравнительно небольшими. Мы живем на Земле как бы внутри гигантского термоса хитроумной конструкции, пропускающего тепло в одну сторону и не пропускающего в другую. И страшно подумать, что было бы без этого «термоса»!
В результате неравномерного нагревания атмосферы в ней возникают воздушные течения и ветры. Энергия ветра с древних времен служит человеку. Благодаря воздушным течениям происходит выравнивание температуры в атмосфере, переносятся с места на место облака и тучи, проливаясь благодатным дождем над колосящимися нивами, создавая круговорот воды, столь необходимый человеку. Атмосфера — это та среда, в которой зарождается земной климат со всеми его особенностями.
Но атмосфера — не только тепловой экран, и не одни только тепловые явления происходят в ней. Наряду с тепловыми лучами Солнце шлет на Землю в изобилии и так называемые ультрафиолетовые лучи. Именно под действием этих лучей наша кожа приобретает тот замечательный бронзовый цвет, который мы называем загаром. Однако некоторая часть ультрафиолетовых лучей вместо пользы может причинить вред. И здесь снова невидимым защитником всего живого выступает атмосфера: она поглощает вредную часть ультрафиолетового излучения Солнца. Если бы поток этих лучей достигал земной поверхности неослабленным, то жизнь на ней, вероятно, была бы невозможной.
Не только от излучения Солнца защищает нас земная атмосфера, смягчая и ослабляя его, отфильтровывая и поглощая вредные лучи. Наука установила, что к нам на Землю со всех сторон из мирового пространства мчатся особые лучи, получившие название космических.
Космические лучи в действительности представляют собой потоки частиц вещества, главным образом ядер атомов водорода, а также гелия и некоторых других химических элементов. Эти частицы мчатся с огромной скоростью. Их энергия в миллионы раз больше энергии, выделяющейся при распаде атомов урана. Если бы не было земной атмосферы, принимающей на себя эту страшную бомбардировку, то не исключено, что неослабленные космические лучи, врываясь в человеческий организм, могли бы причинить ему большой вред.[25]
Однако эти невидимые стремительные снаряды не достигают земной поверхности — они гибнут в атмосфере, сталкиваясь с атомами составляющих ее газов и рассеивая в ней свою энергию. Лишь «внуки» и «правнуки» частиц, врывающихся в атмосферу, достигают дна воздушного океана — обломки ядер тех атомов, с которыми сталкиваются эти частицы в атмосфере. Энергия частиц, достигающих земной поверхности и пронизывающих не только нас с вами, но и самую Землю на глубину в десятки и сотни метров, огромна, но все же она неизмеримо меньше энергии исходных, первичных частиц. Интенсивность космических лучей у поверхности Земли такова, что они не представляют опасности для людей, и этим мы тоже обязаны земной атмосфере.
Земная атмосфера защищает нас не только от действия смертоносных лучей и бомбардировки невидимыми частицами — мировое пространство бомбардирует Землю и более существенными «снарядами»: небесными камнями — метеоритами. Многие миллионы таких снарядов врываются каждую минуту в земную атмосферу со скоростью в десятки и сотни тысяч километров в час. Это во много раз больше, чем скорость снаряда, вылетающего из ствола артиллерийского орудия. Правда, размеры подавляющего большинства таких снарядов очень невелики — они подобны крохотным песчинкам, но при огромной скорости и песчинки становятся опасными. Если бы не атмосфера, в которой большинство небесных камней разрушается и сгорает, то один только такой каменный «дождь» сделал бы жизнь на Земле невозможной или, по крайней мере, очень опасной.
Без атмосферы не существовало бы звука: мы не могли бы ни говорить, ни слышать. Каким бедным стал бы из-за этого человеческий мир!
А неоценимая служба, которую несет атмосфера, снабжая кислородом бесчисленное множество различных тепловых двигателей, предоставляя опору крыльям самолетов, несущим винтам вертолетов, воздушным шарам!
Наряду с теми услугами, которые оказывает нам атмосфера, делая нашу жизнь на Земле не только возможной, но и окружая ее всяческими удобствами, она является источником многих замечательных красот природы, тысячелетиями воспеваемых поэтами всех народов. Голубой цвет неба, яркая игра красок восхода и заката Солнца, вереницы облаков причудливых очертаний, мерцание звезд, нежность сумерек и неповторимый фейерверк северного сияния — всем этим мы обязаны земной атмосфере.
Всем хороша атмосфера, когда мы имеем в виду жизнь на Земле. Но когда мы собираемся покинуть Землю и совершить межпланетный полет — то она не помогает, а мешает. Куда бы мы ни направили полет межпланетного корабля, он должен пересечь земную атмосферу, пробить этот «панцирь», преодолеть трудности, связанные с очень быстрым полетом в воздухе. Еще большие трудности ждут корабль при его возвращении на Землю.
Чтобы победить врага, надо его знать. Что же представляет собой атмосфера, как высоко простирается она над Землей, какие опасности подстерегают корабль на его пути в атмосфере, как их можно избежать — вот вопросы, которые, естественно, интересуют и конструктора и командира межпланетного корабля.
Земная атмосфера, то есть воздушная оболочка Земли, простирается на огромную высоту. Однако нельзя сказать точно, где кончается атмосфера и начинается мировое пространство: на высоте 100, 1000 или 10 тысяч километров. Атмосфера постепенно, незаметно переходит в мировое пространство, и никакой резкой грани между ними провести нельзя.
С увеличением высоты над Землей плотность атмосферы уменьшается, число молекул воздуха в единице объема становится все меньшим. Основная масса атмосферы находится у самой земной поверхности, на малых высотах. Если мы вырежем из атмосферы вертикальный, бесконечно длинный столбик поперечным сечением в 1 квадратный сантиметр, то вес воздуха в этом столбике будет равен примерно 1 килограмму. Стоит нам отрезать от этого столбика его нижний конец длиной всего в 1 километр, как вес воздуха в столбике уменьшится сразу на 100 граммов, то есть на 10 процентов. Вес воздуха в нижнем конце такого столбика длиной 5,5 километра составит 0,5 килограмма, то есть половину общего веса воздуха в столбике. Нижний конец столбика длиной 18 километров будет заключать в себе 14/15 всего воздуха в столбике. Если мы поднимемся вдоль такого столбика на высоту примерно 150 километров, то вес воздуха над нами будет равен всего только одной стомиллионной части общего веса воздуха в столбике, то есть примерно одной сотой миллиграмма. Весь остальной воздух будет находиться под нами.
Поэтому можно было бы считать, что уже на таких высотах атмосферы практически нет, однако и на этой высоте в кубическом сантиметре находится все еще примерно 100 миллиардов молекул воздуха. Даже на высотах в тысячи километров еще имеются следы атмосферы, в миллиарды миллиардов раз более разреженной, чем у земной поверхности, — в кубическом сантиметре там находится всего несколько сотен молекул. И даже то, что мы называем обычно безвоздушным мировым пространством, в действительности не вовсе лишено вещества — в нем плавают отдельные молекулы и атомы.
В среднем в 1 кубическом сантиметре этого пространства находится 2–3 атома водорода, который является наиболее распространенным химическим элементом во Вселенной. Имеются атомы и других веществ, но в значительно меньших количествах — на каждую тысячу атомов водорода приходится примерно 100 атомов гелия, второго по распространенности элемента, по 10 атомов приходится вместе на кислород, углерод, азот, неон и по 2–3 атома вместе на другие элементы, такие, как железо, калий, кальций, кремний, магний и пр. Выходит, что по плотности атмосферы нельзя установить ее границу — она может быть только условной.[26]
Немногим поможет нам в определении границ атмосферы использование и других ее свойств. Если, например, иметь в виду «комфортные» свойства атмосферы, то есть те ее свойства, которые создают благоприятные условия для жизни людей, то граница атмосферы будет лежать очень недалеко от земной поверхности.
Уже на сравнительно небольших высотах человек испытывает «кислородное голодание» в связи с уменьшением содержания кислорода в окружающем воздухе. На поверхности Земли из общего давления атмосферы 760 миллиметров ртутного столба примерно 160 миллиметров приходится на долю кислорода, остальное — на долю азота. Когда высота над уровнем моря становится равной 4 километрам, давление кислорода в воздухе снижается примерно до 100 миллиметров ртутного столба. Дальнейшее увеличение высоты приводит к тому, что с вдыхаемым воздухом в легкие попадает слишком мало кислорода. Недостаток кислорода прежде всего начинают ощущать клетки головного мозга, наиболее нуждающиеся в непрерывном подводе этого «жизненного газа». Вот почему на высоте примерно 4 километров летчик должен надеть кислородную маску, чтобы восполнить недостаток кислорода подводом его из баллона или газификатора жидкого кислорода. Такая маска помогает делу примерно до 10–11 километров, а при дальнейшем увеличении высоты даже вдыхание чистого кислорода не устраняет кислородного голодания. На высоте примерно 15 километров поступление кислорода в кровь прекращается вовсе, так как на этой высоте легкие оказываются заполненными продуктами дыхания и свежий воздух в них не проникает — его давление оказывается недостаточным для этого. Вот эту-то высоту и можно считать границей атмосферы с точки зрения дыхания. Как показывает опыт, на высоте 15 километров даже тренированный человек теряет сознание из-за кислородного голодания через 10–15 секунд, причем это время не меняется при дальнейшем увеличении высоты. Только исключительная физическая выносливость Коккинаки позволила ему достичь высоты 14,5 километра в рекордном полете 21 ноября 1935 года.
Но не только удушение вследствие недостатка кислорода грозит человеку при увеличении высоты. Оказывается, на больших высотах даже самый хладнокровный человек рискует… вскипятиться, только не в переносном, а в буквальном смысле. Уже на высотах порядка 8 километров у человека начинаются так называемые декомпрессионные расстройства, связанные с уменьшением атмосферного давления. Эти расстройства аналогичны «кессонной болезни» водолазов. При этом газы, заключенные в жидкостях и тканях человеческого тела, начинают выделяться из раствора, образуя пузырьки. Это касается прежде всего азота в крови и в тканях, в особенности жировых, а также углекислоты, водяных паров и др. Такие газовые пузырьки образуются в кровеносных сосудах, в полостях суставов, в тканях, вызывая нарушение нормальной деятельности органов человеческого тела и причиняя нестерпимую боль.
По мере снижения атмосферного давления выделение газов увеличивается, но настоящая катастрофа происходит, когда давление окружающего воздуха становится равным 47 миллиметрам ртутного столба, что соответствует примерно высоте 19 километров. Когда давление снижается до этой величины, температура кипения воды, которая, как известно, уменьшается при уменьшении давления, снижается как раз до 37°, то есть до температуры человеческого тела. Это значит, что все жидкости в человеческом теле начинают кипеть, переходить в парообразное состояние (в действительности картина более сложна, в частности, углекислота приводит к кипению при меньших температурах). Опыты, проведенные на собаках, убедительно показали, что дело происходит именно так. Когда подопытных собак подвергали внезапной декомпрессии, понижая давление с нормального или слегка пониженного до 30 миллиметров ртутного столба, что соответствует примерно высоте 22 километра, то через 30 секунд подкожная клетчатка начинала быстро вздуваться. Не более чем через минуту после этого прекращалось дыхание, еще через минуту останавливалось сердце. Так физиология человеческого организма устанавливает еще одну границу атмосферы и начало Космоса.
Фильтрующее действие атмосферы проявляется на несколько больших высотах. Космические лучи оказываются почти неослабленными уже на высоте 20–25 километров; ультрафиолетовые лучи Солнца — на высоте свыше 30–35 километров. Серьезных неприятностей от встреч с метеоритами можно ожидать на высоте 100–110 километров — именно на этой высоте обычно вспыхивают «падающие звезды».
Таким образом, с точки зрения перечисленных выше свойств атмосферы мировое пространство начинается уже на высоте 15–20 километров и становится «абсолютным» на высоте свыше 100 километров. Однако некоторые явления в атмосфере происходят на гораздо больших высотах — в частности, северные сияния полыхают на высотах до 1000 и даже более километров (наибольшая зарегистрированная высота равна 1200 километрам).
Сопротивление, которое оказывает атмосфера какому-нибудь телу, передвигающемуся в ней с определенной скоростью, зависит от плотности воздуха. На тех высотах, где плотность становится ничтожно малой, и сопротивление оказывается исключительно малым. Можно полагать, что это относится уже к высотам порядка 100 километров,[27] однако некоторые ученые считают, что при полетах с огромной, космической скоростью сопротивление воздуха должно не только приниматься в расчет, но что оно может играть относительно большую роль даже на высоте многих сотен километров.
Обычно считают, что с высоты 800 — 1000 километров начинается уже так называемая зона рассеяния. Из этой зоны часть молекул воздуха улетучивается в мировое пространство, чтобы рассеяться в нем. Воздух в этой зоне так разрежен, что молекула пролетает сотни километров до очередного столкновения с какой-нибудь другой молекулой. Эти столкновения там почти отсутствуют, тогда как у земной поверхности столкновения молекул происходят сотни тысяч раз на пути в 1 сантиметр.
Строение земной атмосферы неоднородно, и межпланетная ракета, пересекающая атмосферу, будет переходить из одной ее зоны в другую, как альпинист, пересекающий различные климатические зоны при высокогорном восхождении.
Ближайший к земной поверхности слой атмосферы, так называемая тропосфера, имеет высоту 7-18 километров, в зависимости от времени года и географической широты (меньше — на полюсе, больше — на экваторе). Тропосфера — это кузница погоды; в ней, в основном, происходят процессы, определяющие погоду: зарождаются дожди, ветры, туманы. Температура воздуха в тропосфере, по мере увеличения высоты, непрерывно падает, достигая минус 50–60° на верхней границе тропосферы. Это объясняется тем, что тропосфера нагревается теплом, которое излучает земная поверхность: чем дальше от этой «печки», тем холоднее воздух. В тропосфере находится около 80 процентов всей атмосферы.
Выше тропосферы начинается стратосфера, хотя часто различают еще небольшой промежуточный слой — тропопаузу. Было время, когда считали, что температура воздуха в стратосфере с высотой не меняется, оставаясь равной примерно минус 60°, а затем постепенно снижается, так что у границ атмосферы уже царит холод мирового пространства. В действительности же оказалось, что мороз в 60° сохраняется лишь до высоты 30–40 километров, а затем температура воздуха начинает вдруг повышаться, достигая на высоте 50–60 километров примерно нуля градусов. Вслед за этим температура опять резко падает: на высоте 80 километров уже снова мороз, да такой крепкий, что и на полюсе холода, в якутском селении Оймяконе, подобного не бывает, — минус 80° и более.[28] Но это уже последнее снижение. Здесь температура снова начинает расти: на высоте 200 километров она достигает плюс 800-1000°, а на высоте 1000–1100 километров становится равной 3000°. По мнению некоторых ученых, на еще больших высотах температура воздуха достигает десятков тысяч градусов.
Это оказывается не только неожиданным, но, на первый взгляд, и очень грозным обстоятельством для будущих межпланетных путешественников. Неужели межпланетному кораблю придется сотни километров лететь в условиях, существующих в топках котлов или в мартеновских печах, если не худших? К счастью, на самом деле все обстоит совсем иначе, и никаких «зон огня» межпланетному кораблю преодолевать не придется — понятие температуры на очень больших высотах становится иным, чем у Земли.
Поделиться книгой: