Какой громкой бывает отрыжка?

Прошу прощения.

Почему самолеты не могут подняться в космос?

Потому что самолетам, чтобы летать, требуется давление воздуха, а в космосе с ним напряженка…

— При чем тут давление воздуха? Почему пилот не может просто направить самолет прямо вверх и вылететь в космос. Это было бы здорово.

Да, здорово. Вы могли бы поплавать там в невесомости. Могли бы увидеть всю Землю целиком, как большой голубой шар. Могли бы запускать оттуда спутники и космические станции…

— Вот именно!

… но, к сожалению, обычный самолет никогда не сможет этого сделать. Чтобы летать, самолетам требуется давление воздуха на крылья, а за пределами земной атмосферы воздуха совсем нет.

— Но разве не двигатели заставляют самолет лететь?

И да, и нет. Реактивные или винтовые двигатели создают направленную вперед силу, или тягу,[21] которая толкает самолет, преодолевая сопротивление воздуха. Но что реально поднимает самолет вверх и удерживает в воздухе, так это крылья. С нижней стороны они почти прямые, а с верхней изогнутые. Поэтому молекулам воздуха, которые обтекают крылья сверху, приходится преодолевать большее расстояние до задней кромки крыла, чем молекулам, скользящим по крылу снизу. В результате воздух, движущийся над крылом, становится более «разреженным», и его давление на крыло уменьшается. Разница между высоким давлением снизу и низким сверху создает силу, которая поднимает крылья — и весь самолет — вверх. Однако без воздуха этот принцип не будет работать. Без плотного потока воздуха, обтекающего крылья на большой скорости, не будет подъемной силы, и самолет не сможет больше лететь.

— Но хотя бы до границы с космосом они смогут долететь? До того места, где кончается атмосфера и начинается космос?

Вряд ли, потому что у атмосферы нет четкой границы, просто она становится все более разреженной и постепенно переходит в безвоздушное космическое пространство.

— А подробнее можно?

Ученые выделяют в атмосфере пять слоев на основании таких ее свойств, как высота над землей, температура и так далее. Самый нижний слой называется тропосферой. Он простирается от поверхности земли до высоты 6-18 километров (тоньше на полюсах и толще на экваторе). Это слой, в котором мы живем и в котором летают почти все воздушные суда.

Над ним располагается стратосфера, которая тянется до высоты примерно 50 км над поверхностью планеты. Еще выше находятся мезосфера (до 80 км), термосфера (500 км) и, наконец, экзосфера, которая простирается больше чем на 10 тысяч километров. Космические челноки выходят на орбиту в термосфере. Орбиты искусственных спутников пролегают в экзосфере. Абсолютный рекорд высоты полета самолета составляет 29 400 м. К тому же он был поставлен беспилотным самолетом, который ученые NASA создали специально для полета на высотах, где давление воздуха в сто раз меньше, чем на уровне земли.

(Для справки: в 1976 году SR-71 забрался на 25 929,031 м, а в 1977 году летчик-испытатель А. Федотов установил на МИГ-25 абсолютный мировой рекорд высоты полета — 37 650 м. Что касается 29 км, то это рекорд для винтовых машин, поставленный в 2001 году самолетом «Helios», который работал на солнечной энергии).

— Но если самолеты не могут подниматься так высоко, как это удается ракетам?

В них используются ракетные двигатели, которые работают иначе, чем авиационные, и поэтому движение ракеты не зависит от наличия вокруг нее воздуха. В топливные баки ракеты заправляется твердое или жидкое топливо, а также жидкий кислород, который служит окислителем. Внутри двигателя топливо вступает во взрывную реакцию с окислителем, а образующиеся раскаленные газы с огромной силой вырываются из задней части ракеты через сопло, толкая ракету в противоположном направлении. Когда сопло двигателя направлено назад, ракета движется вперед. На стартовой площадке сопла двигателей направлены вниз, и поэтому ракета поднимается вверх.

— А если поставить ракетные двигатели на самолет, тогда он сможет подняться так высоко?

Да, сможет. И кстати, такое уже было сделано. Совсем недавно были разработаны двухступенчатые космопланы, способные поднимать туристов, желающих совершить космическое путешествие, на высоту 100 км. На первом этапе полета эти летательные аппараты используют стандартные реактивные авиационные двигатели, после чего включают ракетные двигатели на метане, которые поднимают пассажиров на реально большую высоту, после чего в планирующем полете возвращают на Землю.

— Космопланы?! Это полный улет!

Еще какой.

— Даже название улетное. Космоплан.

Согласен.

— И когда я смогу на нем полетать?

Точно сказать трудно. Первые регулярные полеты космопланов планируется открыть к 2012 году, но билет обойдется недешево.

— Сколько?

150 тысяч фунтов. Как минимум.

— Ничего себе…

Так что лучше начинайте копить денежки!

Научные факты: авиационные рекордные высоты

Летательный (год) — достигнутая высота

«Флаер» братьев Райт (1903) — 3 м

Ракетный самолет Bell Х-1 «Glamorous Glennis» (1947) — 21 380 м

Ракетный самолет Х-15 (1963) — 107 900 м

«Spaceship One» (космоплан с ракетным двигателем) (2004) — 111 860 м

Смогут ли ракеты когда-нибудь заменить самолеты?

Может, да, а может, нет. Самолеты с ракетными двигателями существуют уже почти пятьдесят лет и, возможно, скоро станут возить туристов на границу с космосом. Но как транспорт для воздушных путешествий самолеты все еще дешевле, безопаснее и эффективнее ракет, и пока такое положение сохранится, мы от них не откажемся.

— Что?! Вы хотите сказать, что самолеты с ракетными двигателями существуют уже давно?

Да. Первые самолеты на ракетной тяге появились в Европе в 1940-х и 1950-х годах, во время и после Второй мировой войны. Самый успешный из них — ракетный самолет X-15 ВВС США — в 1960-х годах во время летных испытаний достиг высоты 107 900 м. Что с формальной точки зрения сделало пилота астронавтом.

— Но почему мы их не используем?

В основном по двум причинам: для космических путешествий они не так хороши, как обычные ракеты, а для воздушных не так хороши, как обычные самолеты. Так сказать, ни рыба ни мясо.

— Но все же у них ракетные двигатели. Так в чем проблема? Почему они хуже самолетов, хотя и намного быстрее?

Быстрее — не обязательно значит лучше. На данный момент самым быстрым самолетом в мире является космический орбитальный шаттл, который возвращается в атмосферу на скорости больше 2 800 км/ч. Но на нем нельзя, например, слетать на отдых в Испанию и обратно. Подумайте, почему?

— Потому что такой остался всего один и работает исключительно на NASA?

И поэтому тоже… Всего шаттлов было построено шесть штук, но они используются по очереди. Но предположим, что их станет чуть больше. Столько, что хватит по одному на каждый аэропорт. Какие еще возникнут проблемы?

— Ну… для взлета им будут нужны гигантские стартовые площадки?

Правильно. Шаттл не может взлететь сам, как обычный самолет. Его нужно запускать в космос с помощью ракетных ускорителей, которые сжигают миллионы литров топлива. И это делает их полеты довольно дорогим удовольствием.

— …Кроме того, всегда можно промахнуться мимо Франции и приземлиться где-нибудь в Антарктиде. Правда, можно сделать пару витков вокруг Земли, чтобы прицелиться…

Вот именно. Ракеты хороши, когда нужно что-нибудь вывести на орбиту, но их довольно сложно запускать, да и стоят они намного дороже самолетов. Что до ракетных самолетов, то они не могут нести достаточно много топлива и развить высокую скорость, чтобы выйти на орбиту, и поэтому не годятся для космических путешествий.

С другой стороны, у них есть примерно такие же, как у ракет, проблемы с запуском и затратами, что делает их (во всяком случае на данный момент) менее пригодными для воздушных путешествий по сравнению с самолетами. Например, легендарный ракетный самолет Х-15 приходилось сначала доставлять на самолете-носителе в стратосферу, после чего он запускал двигатель, поскольку не мог взлететь самостоятельно.

— Выходит, нам пока придется летать на больших, толстых реактивных самолетах. Фе! Полный отстой.

Не скажите. Их реактивные двигатели совершенствуются и уже могут потягаться в скорости с ракетными.[22] Рекорд скорости для реактивного самолета составляет около 3 500 км/ч, что всего вдвое меньше рекорда скорости, установленного Х-15 в 1967 году. Кроме того, пассажирские лайнеры становятся все больше[23] и быстрее, а в будущем у них, возможно, появятся двигатели, позволяющие взлетать и садиться вертикально, подобно некоторым сегодняшним военным самолетам. Да и ракетные самолеты тоже еще не сказали последнего слова. Как раз сейчас несколько компаний ударными темпами создают космопланы на ракетной тяге, чтобы совершать коммерческие полеты с туристами к границе с космосом.

— Звучит заманчиво. Расскажите подробнее.

Первый частный космоплан многоразового использования был построен американской аэрокосмической компанией «Scales Composites». Их опытная модель «Spaceship One» поднялась на высоту 111 860 м, превысив рекорд, установленный Х-15. Так же как Х-15, «Spaceship One» запускал двигатель на большой высоте, куда он был доставлен специально созданным самолетом-носителем «White Knight». Получив финансирование от транснациональной корпорации «Virgin Group», эта компания занимается сейчас созданием «Spaceship Two» (в комплекте с «White Knight Two») и строительством космопорта в пустыне Мохаве на юго-западе США.

— Космопорт? Круууууто.

Но этот проект космоплана не единственный. Планируется, что к 2012 году в обычных аэропортах уже будет взлетать и садиться другая машина, построенная европейской компанией EADS. Она представляет собой маленький реактивный самолет с расположенным на фюзеляже ракетным двигателем и баком, наполовину заполненным ракетным топливом. Машина будет взлетать как обычный самолет, подниматься на высоту 12 тысяч метров, затем на короткое время включать ракетный двигатель, чтобы подпрыгнуть до 100 километров. Там пассажиры смогут отстегнуть привязные ремни и поплавать в невесомости около трех минут. Кроме того, они смогут полюбоваться Землей через иллюминаторы, расположенные по всей кабине. Затем пассажиры снова пристегнутся, а самолет вернется в атмосферу и совершит обычную посадку в аэропорту.

— То, что требовалось. Я обязательно полечу.

Вы и еще 15 тысяч человек в год.

— Да, но я буду первым.

И это будет недешево.

— Плевать, все равно полечу.

Что ж, тогда отправляйтесь в космопорт!

— Эй! Вернитесь! Я пошутил.

Если ракеты «сгорают» в атмосфере, то почему этого не происходит с нами?

Потому что, в отличие от ракет, которые сгорают, когда возвращаются в атмосферу, мы уже находимся в ней. Кроме того, мы движемся вместе с атмосферой, и поэтому нас не волнует проблема трения…

— В каком это смысле «мы уже в ней»? Я думал, что ракеты проходят через атмосферу, чтобы вернуться на Землю…

Так и есть. Но они не проходят сквозь нее, чтобы выйти с другой стороны. Атмосфера — это не скорлупа, через которую ракета должна пробиться, а слой газов, находящийся между космосом и поверхностью земли. Можно даже сказать, что там она начинается.[24]

— В каком смысле?

Атмосфера Земли — это просто громадное облако воздуха (состоящего из азота, кислорода и небольших примесей других газов), которое Земля удерживает рядом с собой силой своего притяжения. Мы живем в тоненьком слое у поверхности, где воздух самый плотный. Но по мере удаления от Земли сила ее притяжения слабеет. Поэтому, чем выше (а точнее, чем дальше от поверхности) мы будем подниматься, тем более разреженной (то есть менее плотной) будет становиться атмосфера. Когда космический корабль выводится на орбиту, он покидает атмосферу или, по крайней мере, оказывается так далеко от Земли, что воздуха там почти нет. Проблема возникает, когда приходит время возвращаться на Землю, потому что для этого нужно снова войти в атмосферу. Неправильный вход может привести к тому, что космический корабль сгорит или развалится на части.

— Все равно не въезжаю. Вы говорите, что мы живем в атмосфере и прекрасно себя чувствуем…

Верно.

— …но если ракета попытается войти в нее и сделает это неправильно, то она может взорваться. Тогда почему атмосфера не заставляет взрываться нас?

Потому что атмосфера сама по себе не нагревает и не разрушает космический корабль. Это делают трение и перегрузки, создаваемые кораблем, который на высокой скорости врывается в плотные слои атмосферы и трется о воздух. Иначе говоря, встреча корабля с атмосферой опасна тем, что они движутся с разными скоростями. Но мы уже находимся в атмосфере и движемся вместе с ней с одинаковой скоростью, поэтому между нами не возникает трения. С космическим кораблем все по-другому.

К примеру, космическому шаттлу, чтобы удержаться на орбите, приходится поддерживать скорость около 7,7 км/с, или 2 800 км/ч. Это почти в восемь раз быстрее пули, выпущенной из мощного ружья. Поэтому, когда корабль сходит с орбиты и возвращается в атмосферу, он врезается в нее с чудовищной скоростью и пробивается через плотный воздух, создавая мощнейшее трение, которое и нагревает корабль.

— Но если вся причина в слишком высокой скорости, то почему бы астронавту просто не сбросить скорость, пока он находится в космосе, чтобы потом благополучно вернуться на Землю без трения, нагревания и всего прочего?

К сожалению, для этого нужно иметь больше топлива, чем шаттл способен поднять в космос. Только для вывода на орбиту тратится около миллиона литров топлива, а после того как оно сгорает, твердотопливные ускорители и бак из-под жидкого топлива отстреливаются, чтобы корабль стал легче. Сам шаттл способен нести лишь минимальное количество топлива для возращения домой. Он не может сбросить скорость до уровня, необходимого для безопасного снижения, и вынужден просто развернуться, сжечь небольшой запас топлива и уменьшить скорость лишь настолько, чтобы сойти с орбиты и начать «падать» по направлению к Земле. После вхождения в атмосферу шаттл фактически использует создаваемое им трение для торможения. В результате выделяется тепло, и нижняя поверхность корабля раскаляется докрасна.

— Это показывали по телику. Но почему ракеты начинают плавиться, когда входят в атмосферу?

По правде говоря, плавятся лишь некоторые из них. И это делается специально.

— Что?!

В связи с тем что шаттлы и другие космические корабли используют трение для торможения, они не могут избежать сильного нагрева. Поэтому некоторые корабли, возвращающиеся после полета на Землю (такие есть у русских, китайцев и Европейского космического агентства), покрывают толстым слоем специального материала, который называется теплозащитным (или абляционным) экраном. При вхождении в атмосферу этот материал должен понемногу плавиться. Постепенное расплавление экрана дает кораблю время на то, чтобы снизить скорость до уровня, позволяющего раскрыть парашют. У шаттла же теплозащитный экран состоит из жаропрочных плиток, которые можно заменить при подготовке к последующим полетам.

— И что происходит с ним?

Если все проходит штатно, то шаттл снижает скорость до нескольких сотен километров в час и планирует до места посадки почти как обычный самолет и поэтому выпускает тормозные парашюты сразу после касания земли.

— Наверное, у всех, кто внутри, просто дух захватывает. На что это похоже?

Во время возвращения в атмосферу слышен оглушительный рев бушующего вокруг корабля воздуха, и около тридцати минут вся кабина трясется и болтается под действием огромных перегрузок. Пожалуй, это будет пострашнее самого страшного аттракциона в тематическом парке. Раз в сто.

— Скорее, в миллион!

Между прочим, взлет не слишком отличается от посадки. Шум, огонь, перегрузки… полный комплект удовольствий. В этом заключается одна из причин, по которым астронавтам и космонавтам приходится тренироваться годами, чтобы научиться противостоять психологическому и физическому стрессу.

— Трудно даже представить, что кто-то прошел через все это первым. Этот парень, наверное, был настоящим храбрецом. Или ненормальным…

Возможно, в нем было всего понемногу! Юрий Гагарин, молодой русский космонавт, 12 апреля 1961 года отважился пройти через весь этот кошмар, чтобы стать первым человеком в космосе. Как военному летчику-испытателю, ему регулярно приходилось управлять экспериментальными самолетами на сумасшедших скоростях. Но в процессе подготовки к полету в космос его тренировали на центрифуге, которая создавала огромные перегрузки, и закрывали на двадцать четыре часа в тесном помещении без звука или света, чтобы приучить к тесноте и темноте внутри спускаемой капсулы. Когда его корабль «Восток» стал с ревом подниматься в воздух, он с энтузиазмом взмахнул рукой и сказал: «Поехали!»

— Наверное, я бы сказал что-нибудь больше похожее на «ААААААААААААААЙЙЙ!» Да… Когда первым отправляешься в неизвестность и не знаешь, вернешься ли назад, — это действительно страшно.

Между прочим, прежде чем в космос отправился Гагарин, туда запускали разных «братьев наших меньших» — просто чтобы проверить, сможет ли человек в принципе выжить в этих условиях. Так что первыми земными существами в космосе были мыши, собаки, обезьяны и фруктовые мушки.

— Наверное, это было очень трудно.

Что именно?

— Ну, надевать на фруктовую мушку скафандр и все такое.

Что?!

— Я в том смысле, что шлем для нее должен быть совсем крошечным…

Если обычные автомобильные двигатели загрязняют окружающую среду, то почему мы не используем электрические?

Потому что у электрических двигателей все еще немало недостатков, и если вам нужно будет зарядить аккумулятор энергией из ископаемого топлива, то загрязнения все равно не избежать. И хотя электрические и гибридные двигатели наносят меньший ущерб экологии, сами по себе они не могут успешно решить проблему загрязнения.

— Недостатки? Но ведь у бензиновых двигателей тоже есть недостатки, не так ли?

Конечно, есть. Автомобили, работающие на продуктах переработки нефти, выделяют оксиды азота и другие вредные загрязняющие вещества, которые вступают в реакцию с озоном и солнечным светом, образуя фотохимический смог. Облака смога образуют темные, дурнопахнущие, полупрозрачные слои над перегруженными транспортом городами, вызывая у жителей проблемы со здоровьем. Кроме того, бензиновые двигатели выделяют большое количество двуокиси углерода, которая действует как парниковый газ. Она удерживает тепло и нагревает Землю, чем вносит значительный вклад в процесс глобального потепления.[25]