Статья И. Н. Хибарина.
В настоящее время о межпланетных путешествиях можно говорить не только в фантастических романах. По крайней мере возможность межпланетных путешествий теперь можно считать научно обоснованной.
Мысль о полетах с Земли на другие мировые тела — не новая мысль, она давно прельщала людей, в особенности людей с богатым воображением — писателей, о чем свидетельствует большое число литературных произведений на эту тему. Но дальше фантазий здесь дело не шло... Теперь же не то, теперь идея межпланетных путешествий из фантазии превратилась в научную задачу, которая, как и всякая научная задача, будет, в конце концов, разрешена...
В прежнее время задачу межпланетных путешествий смешивали с задачей летания по воздуху; но теперь всякому ясно, что это две совершенно различные задачи: воздух облекает земной шар сравнительно нетолстым слоем (300—500 верст), межпланетное же пространство лишено воздуха, поэтому путешествовать в нем — значит путешествовать в пустоте, для чего наши аэропланы и аэростаты, приспособленные для летания в океане земной атмосферы, непригодны; таким образом, проблема межпланетных путешествий есть проблема заатмосферного летания.
Главное, с чем приходится считаться при решении задачи заатмосферного летания, это — сила тяготения.
Как известно, более 250 лет тому назад великий Ньютон открыл, что частицы вещества, как крупные, вроде мировых тел, так и мелкие, вроде пылинок, притягивают друг друга. Ньютон так формулировал закон всемирного тяготения: всякие две частицы вещества притягивают друг друга с силой прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату их расстояния; т.-е. с увеличением массы, скажем, вдвое, сила притяжения также увеличивается вдвое, с уменьшением же массы вдвое и сила притяжения уменьшается в два раза, а с увеличением расстояния, положим, в два раза, сила притяжения уменьшается в четыре раза, а с уменьшением расстояния в два раза, сила притяжения увеличивается в четыре раза.
Все мы и все, что нас окружает на Земле, притягивается земным шаром: Земля держит нас невидимыми, но очень крепкими цепями силы тяготения и разорвать эти цепи, преодолеть силу земного притяжения и есть главное, что нужно решить в задаче межпланетных путешествий.
Какова природа силы притяжения? К сожалению, наука не дала еще на это ответа.
Преодолима ли сила земного притяжения? Ежедневный опыт показывает, что да: ведь. бросая, например, кверху камень, мы частично ее преодолеваем: а раз так, раз сила земного притяжения не бесконечна, то есть надежда преодолеть ее совершенно, другими словами, оторваться от Земли и вылететь на широкий простор мирового пространства.
Но как это сделать? Обратимся к писателям фантастам и мы найдем у них несколько проэктов преодоления земного притяжения.
Более пятидесяти лет тому назад Жюль-Верн в двух своих романах: «От Земли до Луны» и «Вокруг Луны» предложил такой оригинальный проэкт путешествий на планеты: герои этих романов отправляются на Луну в громадном ядре-вагоне, пущенном из специально построенной для этой цели колоссальной пушки.
Что сказать по поводу такого проэкта решения задачи межпланетных путешествий. Возможно ли вообще послать ядро (хотя бы без людей) на Луну. — Теоретически вполне возможно. Вычисления показывают, что если какому либо телу сообщить начальную скорость не менее 11 километров в секунду, то такое тело совершенно преодолеет силу земного притяжения и навсегда удалится от Земли. Так что если бы все дело сводилось к простому перекидыванию ядер с Земли на другие планеты, к установлению своего рода межпланетной почты, то задача была бы сравнительно легко решаема, но путешествовать на планеты таким способам невозможно и вот почему.
Прежде всего, для путешественников, отправляющихся на планеты в ядре-вагоне по способу Жюль Верна, будет смертельным первый удар: ядро в канале пушки в течение незначительных долей секунды развивает скорость от 0 до 16 километров в секунду1), так что секундное ускорение его будет равно 640 километрам; следовательно, пол ядра ударит пассажиров с неимоверной силой или, другими словами, пассажиры будут с неимоверной силой придавлены к полу. Какова эта сила — покажет следующее сравнение: секундное ускорение, свободно падающего на землю тела, равно всего 10 метрам, а ядро имеет секундное ускорение в 640 километров, т.-е. в 64.000 раз больше; таким образом, в течение ничтожных долей секунды пассажиры почувствовали бы себя в десятки тысяч раз тяжелее и под действием такой огромной тяжести были бы прямо раздавлены.
Но если-бы какое нибудь чудо спасло пассажиров при первом ударе, смерть ждала бы их при выходе из пушки. Роковым для них в этом случае оказалось бы сопротивление воздуха. При небольших скоростях это сопротивление мало заметно, но с возрастанием скорости движущегося тела возрастает и сопротивление воздуха, о чем свидетельствуют и обыденные явления, например, быстрая езда на велосипеде. Для тел, движущихся с громадной быстротой, воздух становится как бы непроницаемым: так, метеоры, врезывающиеся в нашу атмосферу со скоростью не меньшей 10—20 кил. в сек., еще высоко над землей, в редких слоях воздуха встречают сильное препятствие со стороны последнего и, загораясь от трения, обычно, сгорают и рассыпаются в прах. Таким образом, Жюль-Верново ядро при выходе из пушки, встретив сопротивление воздуха, внезапно остановилось бы, а пассажиры, продолжая двигаться в силу инерции, с чудовищной силой ударились бы о потолок ядра...
Можно ли избавиться от этой двойной опасности. Первого удара можно избежать, продлив время наростания скорости ядра, а для этого пришлось бы удлинить канал пушки, и вычисления показывают, что длина пушки в таком случае должна быть не менее 300 верст. Другой способ избегнуть первого удара — это наполнить ядро соленой водой, а пассажиров одеть в водолазные костюмы2) и по выходе ядра из пушки, когда оно будет двигаться с постоянной скоростью, выпустить воду. От второго же удара можно избавиться, поместив пушку так, чтобы жерло ее выходило за пределы земной атмосферы...
Но если бы и удалось достигнуть всего этого, то сейчас же явились бы другие трудности: перелетев счастливо мировое пространство, Жюль-Верново ядро с громадной силой ударилось бы о поверхность той планеты, на которую оно пущено (или об атмосферу, окружающую данную планету), что также было бы смертельно для пассажиров, и, наконец, пусть все затруднения будут устранены, то не было бы возможности снова вернуться на Землю, так как Жюль-Верново ядро — аппарат неуправляемый.
Таким образом, проэкт гениального писателя-фантаста при ближайшем рассмотрении не выдерживает критики; Жюль-Верн своим пророческим взором провидел, что люди будут летать на другие планеты, но он недостаточно вдумался в подробности решения этой задачи.
Другой любопытный проэкт решения задачи межпланетных путешествий предложил талантливый английский писатель Уэллс в своем романе: «Первые люди на Луне». Герой этого романа Кэвор нашел особый заслон от силы тяготения, подобно тому, как мы имеем заслоны от других сил — электричества, тепла, света... Вещество, укрывающее от силы тяготения, названо в романе «кэворитом». Кэвор в сотрудничестве с другим героем романа Бэдфордом сооружает стеклянный шар, наружная поверхность которого покрыта аллюминиевыми шторами. Последние могут открываться и закрываться все зараз и поодиночке. Шторы покрываются «кэворитом». Герои романа (Кэвор и Бэдфорд) садятся в шар, взяв с собой необходимые вещи, закрывают все шторы, и шар, защищенный «кэворитом» от земного притяжения, выбрасывается в мировое пространство. Очутившись в межпланетном пространстве, герои романа открывают несколько штор со стороны Луны и, таким образом, подвергают шар силе лунного притяжения. Шар, следовательно, несется по направлению к Луне. Чтобы избежать сильного удара при падении на лунную поверхность, открываются противоположные от Луны шторы с целью подвергнуть шар притяжению Солнца или Земли, что, конечно, должно ослабить быстроту падения на Луну. Подобным же образом один из героев романа возвращается обратно с Луны на Землю.
На первый взгляд проэкт Уэллса поражает своей простотой и логичностью, но, присматриваясь к нему ближе, мы заметим целый ряд трудностей.
Прежде всего то, что мы почти ничего не знаем о сущности силы тяготения, и говорить о создании заслона от нее — в настоящее время, значит — только фантазировать.
Но главная трудность и, пожалуй, невозможность осуществления проэкта Уэллса не в этом. В науке есть закон, известный под именем закона сохранения энергии, открытый в сороковых годах прошлого столетия двумя германскими учеными: Р. Майером и Г. Гельмгольцем3). Закон этот гласит, что общий запас энергии во Вселенной никогда ни при каких обстоятельствах не уменьшается и не увеличивается, а всегда остается постоянным. Энергия, хотя бы в самой малой степени, не создается из ничего; так, например, часы идут потому, что мы «заводим» (закручиваем) пружину, следовательно, производим известную работу, паровоз движется потому, что в топке при горении освобождается скрытая химическая энергия горючего вещества и т. п. А вот уэллсовский проэкт как раз и идет в разрез с этим основным научным законом. Представим себе следующую картину: мы имеем уже «кэворитовый» заслон, по своему желанию подкладываем его под какой угодно груз, последний поднимается, затем мы отнимаем кэворитовый заслон, груз падает и при падении может, конечно, совершить известную работу, например, поднимать воду из колодца. Что произойдет в таком случае? Как будто получение энергии из ничего... Так значит — закон сохранения энергии нарушается? Но ведь он ненарушим, ведь нельзя получить работу без затраты соответствующей силы энергии. Так в чем же дело? Дело в том, что и здесь мы затрачиваем энергию, именно — когда подводим под груз заслон от силы тяготения, ведь в данном случае мы как бы перерезаем невидимые цепи силы притяжения, значит затрачиваем таки энергию... Вернемся к шару, на котором Уэллс переносит своих героев с Земли на Луну. Когда закроется последняя «кэворитовая» штора, шар выходит из поля земного притяжения; вспомним, что сила тяготения уменьшается с увеличением расстояния, и когда расстояние равно бесконечности, сила тяготения делается равной нулю. А раз мы вынесли шар из поля земного притяжения, мы как бы удалили его на бесконечное расстояние от Земли и совершили эту грандиозную работу в каких нибудь две-три секунды. Получается безвыходный круг: для того, чтобы воспользоваться «кэворитовым» заслоном, нужно преодолеть силу земного притяжения, т.-е., другими словами, сделать сначала то, для чего такой заслон должен был бы служить...
В фантастических романах есть и другие проэкты решения задачи межпланетных путешествий: упомянем об одном из них, наиболее любопытном, именно: автор одного фантастического романа переносит своих героев на другие планеты на лучах света. «Как, на лучах света?» — вероятно, удивится читатель, — «разве лучи света могут что-нибудь переносить»?
Оказывается — могут... Строго научными опытами доказано, что световые лучи производят известное давление на те предметы, на которые они падают... Вычисления показывают, что если частичка вещества имеет в поперечнике не больше 16-ти стотысячных долей миллиметра, то такая частичка может переноситься световыми лучами. Как же переносить на световых лучах более крупные и более тяжелые предметы? Для этого нужно озаряемую поверхность данного предмета сделать во столько раз больше озаряемой поверхности упомянутой частички, во сколько раз вес предмета превосходит все частички. И в фантастическом романе рисуется следующая картина: герои романа сооружают каюту с прикрепленным к ней громадным зеркалом. Лучи света, падая на зеркало, уносят каюту в мировое пространство. Регулируя зеркало, герои романа изменяют скорость и направление движения каюты... Но все это хорошо только в романе, в действительности же выходит совершенно не то: точные вычисления показывают, что для того, чтобы отражательная поверхность в один квадратный метр могла быть унесена световыми лучами, она должна весить всего один миллиграмм, т.-е. тысячную долю грамма. А для этого (даже в случае с наиболее легким материалом) ее пришлось бы расплющить до такой тонины, перед которой останавливается всякое воображение... А для того, чтобы переносить световыми лучами аппарат для межпланетных путешествий с людьми и вещами — все это будет весить в миллионы раз больше миллиграмма — нужно к тому же зеркало в несколько квадратных верст...
Таким образом, мы приходим к выводу, что все рассмотренные нами проэкты решения задачи полетов на планеты, предложенные романистами, практически не осуществимы. Но неужели же и в наше время, как и прежде, об этом можно только мечтать? Неужели нельзя надеяться на близкое осуществление этой мечты? Нет, дело не безнадежно... Есть вполне осуществимый проэкт межпланетных путешествий... Рассмотрением этого проэкта мы сейчас и займемся.
В науке есть, так называемый, «третий закон Ньютона», готорый гласит, что «всякое действие сопровождается равным противодействием» или точнее: «действующая сила всегда вызывает равную силу противодействующую». Следующий пример велихолепно иллюстрирует этот закон: всякий, стрелявший из ружья, знает, что в момент выстрела ружье делает «отдачу», т.-е. бьет стрелка в плечо, это происходит потому, что образовавшиеся при взрыве в ружье газы, выбрасывают пулю в одну сторону и с такой же силой толкают ружье в противоположную сторону. Силы действующая и противодействующая равны, но эффект их зависит от массы тел: чем масса тела больше (другими словами, чем тело тяжелее) тем эффект действующей или противодействующей силы на него будет меньше; в приведенном примере приклад ружья ударяет стрелка не так сильно, как пуля, пущенная в упор, потому что ружье во много раз тяжелее пули, или, выражаясь научным языком, масса ружья больше массы пули.
Среди живой природы мы видим ряд примеров движения по принципу «отдачи», или, как еще говорят — «движения возвратным ударом». Так, каракатица движется таким образом: она набирает воду в жаберную полость и выбрасывает сильную струю через особое отверстие впереди тела; струя воды устремляется вперед, а каракатица по «закону действия и противодействия» отбрасывается назад. Подобным же образом движутся и другие водные животные. Применение закона «равенства действия и противодействия» встречаем также в технике (вращение турбины).
Но особенно наглядно способ движения по закону равенства действия и противодействия проявляется в полете ракеты. Газы, образовавшиеся при взрыве в самой ракете, стремительно выбрасываются вниз, ракета же получает от этого обратный толчек вверх и движется, таким образом, «возвратным ударом». Если пустить ракету в пустоте, т.-е. в безвоздушном пространстве, — она полетит и там. И вот, вообразим себе ракету громадных размеров, снабженную большим количеством сильнейших взрывчатых веществ, взрывная сила которых «отдачей» бросала бы такую ракету со скоростью 11 километров в секунду, т.-е. со скоростью, достаточной для того, чтобы оторвать движущееся тело от земного притяжения; вообразим далее, что в этой ракете имеется особое помещение, где могут находиться люди, управляющие взрывами, и перед нами будет аппарат для межпланетных путешествий.
И такой проэкт решения задачи межпланетных путешествий был предложен русским инженером К. Э. Циолковским. Рассмотрим несколько подробнее этот проэкт.
Циолковский предлагает построить грандиозный снаряд удлиненной формы, одна часть которого должна быть отведена под помещение для людей, припасов, аппаратов и пр., а другая (большая) — для хранения взрывчатых веществ (автор проэкта предлагает для взрывов брать жидкий кислород и водород). Скорости в 11 километров в секунду, необходимой для преодоления земного притяжения, можно достигать не сразу, а постепенно, последовательными взрывами, так что благополучное отправление с земли в данном случае может быть обеспечено. При приближении к какой-либо планете отдельными, противоположными движению снаряда, взрывами можно уменьшить скорость падения и благополучно опуститься на поверхность той или иной планеты. Чтобы избежать сопротивления воздуха при отлете с Земли, можно развивать громадную скорость, при которой воздух делается для движущегося тела почти непроницаемым, высоко над Землей, даже за пределами атмосферы. Для управления таким кораблем в межпланетном пространстве (в пустоте) служит особый руль, помещающийся в задней части корабля и состоящий из двух взаимно-перпендикулярных плоскостей: струи газов, пускаемые на эти плоскости, могут изменять направление движения корабля. С'естные припасы и вода для питья могут быть взяты в достаточном количестве; для дыхания может быть также взято достаточное количество сжатого кислорода в особых резервуарах, необходимо будет также иметь аппараты для поглощения выделяемой ядовитой углекислоты. Благополучное возвращение обратно на Землю также гарантировано: достаточно взять лишь необходимый запас взрывчатых веществ и с помощью взрывов преодолеть силу притяжения какой-либо планеты. Наконец, если путешественники прибудут на такую планету, где нет воздуха или воздух будет ядовит для нас, жителей Земли, то выходить из корабля в таком случае можно будет в особых «скафандрах» (водолазных костюмах) с мешком сжатого кислорода за плечами для дыхания. Остается еще один вопрос — о продолжительности межпланетных путешествий; но и с этой стороны все обстоит благополучно. При скорости около 40 километров в секунду4), Луны можно достичь в 2—3 суток, до Марса придется лететь дней 55, до Венеры около месяца, месяцев пять-шесть до Юпитера, до Сатурна более года, года три-четыре до Урана и лет пять-шесть до последней из известной до сих пор планет Солнечной системы — Нептуна.
Сейчас уже приступлено и к практическому осуществлению проэкта полетов на планеты в ракетном снаряде; мы имеем в виду опыты американского ученого Годдарда; эти опыты стоят того, чтобы сказать о них два слова.
Годдард сконструировал ракету, схема которой изображена на прилагаемом рисунке. В камеру Р, закладывается взрывчатое вещество, газы, образовавшиеся при взрыве, истекают по трубке Т. При опытах удавалось получить скорость несколько более двух километров в секунду... Годдард добился и того, что взрывы происходили постепенно в разных камерах и ракета автоматически освобождалась от ненужных более частей, именно — частей трубки Т. Это последнее, конечно, уменьшало вес ракеты, благодаря чему скорость движения ракеты возрастала. Годдард уверен, что, в конце концов, ему удастся добиться возможности переброса таких ракет с Земли на Луну... Конечно, опыты Годдарда носят еще, так сказать, «лабораторный» характер, но важность их отрицать ни в коем случае нельзя.
Это — сегодня, а чего ожидать завтра? — Конечно, практического осуществления.
Рано или поздно человек будет летать по Вселенной не только на крыльях фантазии и смелой научной мысли.
Много цепей разорвал уже человек с помощью науки, разорвет он, наконец, и крепкие цепи силы тяготения и вылетит на широкий простор мирового пространства.
1) В данном случае пришлось бы сообщить ядру скорость более 11 килом. в сек. (около 16 кил.) для преодоления не только земного притяжения, но и сопротивления воздуха.
2) Известно, что если хотя бы самую хрупкую вещь поместить в герметически закрытый сосуд, наполненный жидкостью, одинаковой с данной вещью удельного веса, то хрупкая вещь, находясь в таком сосуде, не будет страдать от толчков и сотрясений.
3) Необходимо заметить, что почти за сто лет до Майера и Гельмгольца закон сохранения энергии ясно представлял себе гениальный русский ученый М. В. Ломоносов.
4) Преодолев силу земного притяжения, в межпланетном пространстве необходимо будет развить скорость не ненее 40 кил. в сек. для преодоления солнечного притяжения.