Началось в 1957 году, когда в СССР был запущен первый спутник, «Спутник-1». С тех пор люди успели побывать на , а беспилотные космические зонды побывали на всех планетах, за исключением . Спутники, обращающиеся по орбитам вокруг Земли, вошли в нашу жизнь. Миллионы людей благодаря им имеют возможность смотреть телевизор (см. статью « «). На рисунке показано, как часть космического корабля возвращается на Землю с помощью парашута.
Ракеты
История освоения космоса начинается с ракет. Первые ракеты использовались для бомбардировок еще во время второй мировой войны. В 1957 г. была создана ракета, доставившая в космос «Спутник-1». Большую часть ракеты занимают баки с топливом. До орбиты добирается только верхняя часть ракеты, называемая полезным грузом . У ракеты «Ариан-4» три отдельных секции с топливными баками. Их называют ступенями ракеты . Каждая ступень толкает ракету на какое-то расстояние, после чего, опустев, отделяется. В итоге от ракеты остается только полезный груз. Первая ступень несёт 226 тонн жидкого топлива. Топливо и два ускорителя создают необходимую для взлета огромную масса. Вторая ступень отделяется на высоте 135 км. Третья ступень ракеты – её , работающие на жидком и азоте. Топливо здесь сгорает примерно за 12 минут. В результате, от ракеты «Ариан-4» Европейского космического агентства, остается только полезный груз.
В 1950-1960-х гг. СССР и США соревновались в освоении космоса. Первым пилотируемым космическим аппаратом был «Восток». Ракета «Сатурн-5» впервые доставила людей на луну.
Ракеты 1950-х- /960-х гг.:
1. «Спутник»
2. «Авангард»
3. «Юнона-1»
4. «Восток»
5. «Меркурий-Атлант»
6. «Джемини-Титан-2»
8. «Сатурн-1Б»
9. «Сатурн-5»
Космические скорости
Чтобы попасть в космос, ракета должна выйти за пределы . Если ее скорость будет недостаточна, она просто упадет на Землю, из-за действия силы . Скорость, необходимую для выхода в космос, называют первой космической скоростью . Она составляет 40000 км/ч. На орбите космический корабль огибает Землю с орбитальной скоростью . Орбитальная скорость корабля зависит от его расстояния до Земли. Когда космический корабль летит по орбите, он, в сущности, просто падает, но не может упасть, так как теряет высоту как раз настолько, насколько под ним уходит вниз, закругляясь, земная поверхность.
Космические зонды
Зонды - это беспилотные космические аппараты, посылаемые на дальние расстояния. Они побывали на всех планетах, кроме Плутона. Зонд может лететь до места назначения долгие Годы. Когда он подлетает к нужному небесному телу, то выходит на орбиту вокруг него и посылает на Землю добытую информацию. «Миринер-10», единственный зонд, побывавший на . «Пионер-10» стал первым космическим зондом, покинувшим пределы Солнечной системы. До ближайшей звезды он долетит больше чем через миллион лет.
Некоторые зонды предназначены для посадки на поверхность другой планеты, либо они оснащены спускаемыми аппаратами, сбрасываемыми на планету. Спускаемый аппарат может собрать образцы грунта и доставить их на Землю для исследований. В 1966 году впервые на поверхность Луны опустился космический аппарат - зонд «Луна-9». После посадки он раскрылся, как цветок, и начал съемки.
Спутники
Спутник - это беспилотный аппарат, который выводят на орбиту, как правило, земную. 
Спутник имеет конкретную задачу - например, наблюдать за , передавать телеизображение, разведывать залежи полезных ископаемых: есть даже спутники-шпионы. Спутник движется по орбите с орбитальной скоростью. На рисунке вы видите снимок устья реки Хамбер (Англия), сделанный «Лэндсетом» с околоземной орбиты. «Лэндсет» может «рассмотреть на Земле участки площадью всего в 1 кв. м.
Станция - это тот же спутник, но предназначенный для работы людей на его борту. К станции может пристыковываться космический корабль с экипажем и грузами. Пока в космосе работали только три долгосрочные станции: американский «Скайлэб» и российские «Салют» и «Мир». «Скайлэб» был выведен на орбиту в 1973 г. Ни его борту последовательно работали три экипажа. Станция прекратила свое существование в 1979 г.
Орбитальные станции играют огромную роль в изучении влияние невесомости на организм человека. Станции будущего, такие как «Фридом», которую американцы строят сейчас при участии специалистов из Европы, Японии и Канады, будут использоваться для очень долгосрочных экспериментов или для промышленного производства в космосе.
Когда космонавт выходит из станции или корабля в открытый космос, он надевает скафандр . Внутри скафандра искусственно создается , равное атмосферному. Внутренние слои скафандра охлаждаются жидкостью. Приборы следят за давлением и содержанием кислорода внутри. Стекло шлема очень прочное оно выдерживает удары мелких камешков - микрометеоритов.
Правообладатель иллюстрации Thinkstock
Нынешний рекорд скорости в космосе держится уже 46 лет. Корреспондент задался вопросом, когда же он будет побит.
Мы, люди, одержимы скоростью. Так, только за последние несколько месяцев стало известно о том, что студенты в Германии поставили рекорд скорости для электромобиля, а ВВС США планируют так усовершенствовать гиперзвуковые самолеты, чтобы те развивали скорость в пять раз превышающую скорость звука, т.е. свыше 6100 км/ч.
У таких самолетов не будет экипажа, но не потому, что люди не могут передвигаться с такой высокой скоростью. На самом деле люди уже перемещались со скоростью, которая в несколько раз выше скорости звука.
Однако существует ли предел, преодолев который наши стремительно несущиеся тела уже не смогут выдерживать перегрузки?
Нынешний рекорд скорости поровну принадлежит трем астронавтам, которые участвовали в космической миссии "Аполлон 10", - Тому Стаффорду, Джону Янгу и Юджину Сернану.
В 1969 году, когда астронавты облетели вокруг Луны и возвращались обратно, капсула в которой они находились, развила скорость, которая на Земле равнялась бы 39,897 км/час.
"Я думаю, что сто лет назад мы вряд ли могли себе представить, что человек сможет перемещаться в космосе со скоростью почти в 40 тысяч километров в час", - говорит Джим Брей из аэрокосмического концерна Lockheed Martin.
Брей - директор проекта обитаемого модуля для перспективного корабля "Орион" (Orion), который разрабатывается Космическим агентством США НАСА.
По замыслу разработчиков, космический корабль "Орион" – многоцелевой и частично многоразовый - должен выводить астронавтов на низкую орбиту Земли. Очень может быть, что с его помощью удастся побить рекорд скорости, установленный для человека 46 лет назад.
Новая сверхтяжелая ракета, входящая в Систему космических пусков (Space Launch System), должна, согласно плану, совершить свой первый пилотируемый полет в 2021 году. Это будет облет астероида, находящегося на окололунной орбите.
Среднестатистический человек может вынести перегрузку примерно в пять G, прежде чем потеряет сознание
Затем должны последовать многомесячные экспедиции к Марсу. Сейчас, по мысли конструкторов, обычная максимальная скорость "Ориона" должна составлять примерно 32 тысяч км/час. Однако скорость, которую развил "Аполлон 10", можно будет превзойти даже при сохранении базовой конфигурации корабля "Орион".
"Orion предназначен для полетов к различным целям в течение всего своего срока эксплуатации, - говорит Брей. – Его скорость может оказаться значительно выше той, что мы сейчас планируем".
Но даже "Орион" не будет представлять пик скоростного потенциала человека. "По сути дела, не существует другого предела скорости, с какой мы можем перемещаться, кроме скорости света", - говорит Брей.
Скорость света один миллиард км/час. Есть ли надежда, что нам удастся преодолеть разрыв между 40 тысячами км/час и этими величинами?
Удивительным образом скорость как векторная величина, обозначающая быстроту перемещения и направление движения, не является для людей проблемой в физическом смысле, пока она относительно постоянна и направлена в одну сторону.
Следовательно, люди – теоретически – могут перемещаться в пространстве лишь чуть медленнее "скоростного предела вселенной", т.е. скорости света.
Правообладатель иллюстрации NASA Image caption Как будет ощущать себя человек в корабле, летящем с околосветовой скоростью?Но даже если допустить, что мы преодолеем значительные технологические препятствия, связанные с созданием скоростных космических кораблей, наши хрупкие, состоящие в основном из воды тела столкнутся с новыми опасностями, сопряженными с эффектами высокой скорости.
Могут возникнуть и пока только воображаемые опасности, если люди смогут передвигаться быстрее скорости света благодаря использованию лазеек в современной физике или с помощью открытий, разрывающих шаблон.
Как выдержать перегрузки
Впрочем, если мы намерены передвигаться со скоростью свыше 40 тысяч км/час, нам придется достигать ее, а затем замедляться, не спеша и сохраняя терпение.
Быстрое ускорение и столь же быстрое замедление таят в себе смертельную опасность для организма человека. Об этом свидетельствует тяжесть телесных травм, возникающих в результате автомобильных катастроф, при которых скорость падает с нескольких десятков километров в час до нуля.
В чем причина этого? В том свойстве Вселенной, которое носит название инерции или способности физического тела, обладающего массой, противостоять изменению его состояния покоя или движения при отсутствии или компенсации внешних воздействий.
Эта идея сформулирована в первом законе Ньютона, который гласит: "Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние".
Мы, люди, в состоянии переносить огромные перегрузки без тяжких травм, правда, только в течение нескольких мгновений
"Состояние покоя и движение с постоянной скоростью - это нормально для человеческого организма, - объясняет Брей. - Нам скорее следует беспокоиться о состоянии человека в момент ускорения".
Около века назад создание прочных самолетов, которые могли маневрировать на скорости, привело к тому, что пилоты стали говорить о странных симптомах, вызываемых изменениями скорости и направления полета. Эти симптомы включали в себя временную потерю зрения и ощущение либо тяжести, либо невесомости.
Причина заключается в перегрузках, измеряемых в единицах G, которые представляют собой отношение линейного ускорения к ускорению свободного падения на поверхности Земли под воздействием притяжения или гравитации. Эти единицы отражают воздействие ускорения свободного падения на массу, например, человеческого тела.
Перегрузка в 1 G равна весу тела, которое находится в поле тяжести Земли и притягивается к центру планеты со скоростью 9,8 м/сек (на уровне моря).
Перегрузки, которые человек испытывает вертикально с головы до пят или наоборот, являются поистине плохой новостью для пилотов и пассажиров.
При отрицательных перегрузках, т.е. замедлении, кровь приливает от пальцев на ногах к голове, возникает чувство перенасыщения, как при стойке на руках.
Правообладатель иллюстрации SPL Image caption Для того чтобы понять, сколько G смогут выдержать астронавты, их тренируют в центрифуге"Красная пелена" (чувство, которое испытывает человек, когда кровь приливает к голове) наступает, когда распухшие от крови, полупрозрачные нижние веки поднимаются и закрывают зрачки глаз.
И, наоборот, при ускорении или положительных перегрузках кровь отливает от головы к ногам, глаза и мозг начинают испытывать недостаток кислорода, поскольку кровь скапливается в нижних конечностях.
Сначала зрение туманится, т.е. происходит потеря цветного зрения и накатывает, что называется, "серая пелена", потом наступает полная потеря зрения или "черная пелена", но человек остается в сознании.
Чрезмерные перегрузки ведут к полной потере сознания. Это состояние называют обмороком, вызванным перегрузкой. Многие пилоты погибли из-за того, что на их глаза опускалась "черная пелена" - и они разбивались.
Среднестатистический человек может вынести перегрузку примерно в пять G, прежде чем потеряет сознание.
Пилоты, одетые в специальные противоперегрузочные комбинезоны и обученные особым образом напрягать и расслаблять мышцы торса для того, чтобы кровь не отливала от головы, способны управлять самолетом при перегрузках примерно в девять G.
По достижении стабильной крейсерской скорости в 26 000 км/ч на орбите астронавты ощущают скорость не больше, чем пассажиры коммерческих авиарейсов
"На протяжении коротких периодов времени человеческое тело может переносить гораздо более сильные перегрузки, чем девять G, - говорит Джефф Свентек, исполнительный директор Ассоциации аэрокосмической медицины, расположенной в городе Александрия, штат Вирджиния. - Но выдерживать высокие перегрузки на протяжении длительного периода времени способны очень немногие".
Мы, люди, в состоянии переносить огромные перегрузки без тяжких травм, правда, только в течение нескольких мгновений.
Рекорд кратковременной выносливости поставил капитан ВВС США Эли Бидинг-младший на авиабазе Холломэн в штате Нью-Мексико. В 1958 году он при торможении на специальных санях с ракетным двигателем после разгона до 55 км/ч за 0.1 секунду испытал перегрузку в 82.3 G.
Этот результат зафиксировал акселерометр, закрепленный у него на груди. На глаза Бидинга также упала "черная пелена", но он отделался только синяками во время этой выдающейся демонстрации выносливости человеческого организма. Правда, после заезда он провел три дня в госпитале.
А теперь в космос
Астронавты, в зависимости от средства передвижения, также испытывали довольно высокие перегрузки - от трех до пяти G - во время взлетов и при возвращении в плотные слои атмосферы соответственно.
Эти перегрузки переносятся сравнительно легко, благодаря разумной идее пристегивать космических путешественников к креслам в положении лежа лицом по направлению полета.
По достижении стабильной крейсерской скорости в 26 000 км/ч на орбите астронавты ощущают скорость не больше, чем пассажиры коммерческих авиарейсов.
Если перегрузки не будут представлять собой проблему для длительных экспедиций на кораблях "Орион", то с мелкими космическими камнями – микрометеоритами – все сложнее.
Правообладатель иллюстрации NASA Image caption Для защиты от микрометеоритов "Ориону" понадобится своего рода космическая броняЭти частицы размером с рисовое зернышко могут развивать впечатляющие и при этом разрушительные скорости до 300 тысяч км/час. Для обеспечения целостности корабля и безопасности его экипажа "Орион" оснащен внешним защитным слоем, толщина которого варьируется от 18 до 30 см.
Кроме того, предусмотрены дополнительные экранирующие щиты, а также используется хитроумное размещение оборудования внутри корабля.
"Чтобы не лишиться полетных систем, жизненно важных для всего космического корабля, мы должны точно рассчитывать углы подлета микрометеоритов", - говорит Джим Брей.
Будьте уверены: микрометеориты – не единственная помеха для космических экспедиций, во время которых высокие скорости полета человека в безвоздушном пространстве будут играть все более важную роль.
В ходе экспедиции к Марсу придется решать и другие практические задачи, например, по снабжению экипажа продовольствием и противодействию повышенной опасности раковых заболеваний из-за воздействия на человеческий организм космической радиации.
Сокращение времени в пути снизит остроту таких проблем, поэтому быстрота перемещения будет становиться все более желаемой.
Космические полеты следующего поколения
Эта потребность в скорости воздвигнет новые препятствия на пути космических путешественников.
Новые корабли НАСА, которые угрожают побить рекорд скорости "Аполлона 10", по-прежнему будут полагаться на испытанные временем химические системы ракетных двигателей, используемые со времен первых космических полетов. Но эти системы обладают жесткими ограничениями скорости по причине высвобождения малых величин энергии на единицу топлива.
Наиболее предпочтительный, хотя и труднодостижимый источник энергии для быстрого космического корабля - это антиматерия, двойник и антипод обычной материи
Поэтому, чтобы существенно увеличить скорость полета для людей, отправляющихся на Марс и далее, необходимы, как признают ученые, совершенно новые подходы.
"Те системы, которыми мы располагаем сегодня, вполне в состоянии доставить нас туда, - говорит Брей, - однако все мы хотели бы стать свидетелями революции в двигателях".
Эрик Дэвис, ведущий физик-исследователь в Институте перспективных исследований в Остине, штат Техас, и участник программы НАСА по прорывным разработкам в физике движения, шестилетнего исследовательского проекта, завершившегося в 2002 году, выделил три наиболее перспективных средства, с точки зрения традиционной физики, способных помочь человечеству достичь скоростей, разумно достаточных для межпланетных путешествий.
Если коротко, речь идет о явлениях выделения энергии при расщеплении вещества, термоядерном синтезе и аннигиляции антиматерии.
Первый метод заключается в делении атомов и применяется в коммерческих ядерных реакторах.
Второй, термоядерный синтез, заключается в создании более тяжелых атомов из простых атомов – такого рода реакции питают энергией Солнце. Это технология, которая завораживает, но не дается в руки; до ее обретения "всегда остается еще 50 лет" - и так будет всегда, как гласит старый девиз этой отрасли.
"Это весьма передовые технологии, - говорит Дэвис, - но они основаны на традиционной физике и прочно утвердились еще на заре Атомного века". По оптимистическим оценкам, двигательные системы, основанные на концепциях деления атомов и термоядерном синтезе, в теории, способны разогнать корабль до 10% скорости света, т.е. до весьма достойных 100 миллионов км/час.
Правообладатель иллюстрации US Air Force Image caption Летать со сверхзвуковой скоростью - уже не проблема для человека. Другое дело - скорость света, или хотя бы близко к ней...Наиболее предпочтительный, хотя и труднодостижимый источник энергии для быстрого космического корабля - это антиматерия, двойник и антипод обычной материи.
Когда два вида материи приходят в соприкосновение, они уничтожают друг друга, в результате чего выделяется чистая энергия.
Технологии, позволяющие вырабатывать и хранить – пока крайне незначительные – количества антиматерии, существуют уже сегодня.
В то же время производство антивещества в полезных количествах потребует новых специальных мощностей следующего поколения, а инженерной мысли придется вступить в конкурентную гонку по созданию соответствующего космического корабля.
Но, как говорит Дэвис, немало отличных идей уже прорабатывается на чертежных досках.
Космические корабли, приводимые в движение энергией антиматерии, смогут перемещаться с ускорением в течение нескольких месяцев и даже лет и достигать более существенных процентов от скорости света.
При этом перегрузки на борту будут оставаться приемлемыми для обитателей кораблей.
Вместе с тем, такие фантастические новые скорости будут таить в себе и иные опасности для организма человека.
Энергетический град
На скорости в несколько сот миллионов километров в час любая пылинка в космосе, от распыленных атомов водорода до микрометеоритов, неизбежно становится пулей, обладающей высокой энергией и способной прошить корпус корабля насквозь.
"Когда вы передвигаетесь с очень высокой скоростью, это означает, что частицы, летящие вам навстречу, движутся с теми же скоростями", - говорит Артур Эдельстайн.
Вместе с покойным отцом, Уильямом Эдельстайном, профессором радиологии в Медицинской школе Университета имени Джона Хопкинса, он работал над научным трудом, в котором рассматривались последствия воздействия атомов космического водорода (на людей и технику) во время сверхбыстрых космических путешествий в космосе.
Водород начнет разлагаться на субатомные частицы, которые будут проникать внутрь корабля и подвергать воздействию радиации как экипаж, так и оборудование.
Двигатель Алькубьерре понесет вас, как серфингиста, несущегося на доске по гребню волны Эрик Дэвис, физик-исследователь
На скорости, равной 95% скорости света, воздействие такой радиации будет означать почти мгновенную смерть.
Звездолет нагреется до температур плавления, перед которыми не устоит ни один мыслимый материал, а вода, содержащаяся в организме членов экипажа, немедленно закипит.
"Это все крайне неприятные проблемы", - замечает Эдельстайн с мрачным юмором.
Он и его отец приблизительно подсчитали, что для создания некоей гипотетической системы магнитной защиты, способной оградить корабль и находящихся в нем людей от смертоносного водородного дождя, звездолет может перемещаться со скоростью, не превышающей половины скорости света. Тогда люди на борту имеют шанс выжить.
Марк Миллис, физик, занимающийся проблемами поступательного движения, и бывший руководитель программы НАСА по прорывным разработкам в физике движения, предупреждает, что этот потенциальный предел скорости для полетов в космосе остается пока проблемой отдаленного будущего.
"На основании физических знаний, накопленных к настоящему времени, можно сказать, что развить скорость свыше 10% от скорости света будет крайне трудно, - говорит Миллис. – Опасность нам пока не угрожает. Простая аналогия: зачем переживать, что мы можем утонуть, если мы еще даже не вошли в воду".
Быстрее света?
Если допустить, что мы, так сказать, научились плавать, сможем ли мы тогда освоить скольжение по космическому времени - если развивать дальше эту аналогию - и летать со сверхсветовой скоростью?
Гипотеза о врожденной способности к выживанию в сверхсветовой среде хотя и сомнительна, но не лишена определенных проблесков образованной просвещенности в кромешной тьме.
Один из таких интригующих способов перемещения основан на технологиях, подобных тем, что применяются в "варп-двигателе" или "двигателе искривления" из сериала "Звездный путь".
Принцип действия этой силовой установки, известной еще как "двигатель Алькубьерре"* (названного по фамилии мексиканского физика-теоретика Мигеля Алькубьерре), состоит в том, что он позволяет кораблю сжимать перед собой нормальное пространство-время, описанное Альбертом Эйнштейном, и расширять его позади себя.
Правообладатель иллюстрации NASA Image caption Нынешний рекорд скорости принадлежит трем астронавтам "Аполлона 10" - Тому Стаффорду, Джону Янгу и Юджину СернануПо существу, корабль перемещается в некоем объеме пространства-времени, своеобразном "пузыре искривления", который движется быстрее скорости света.
Таким образом, корабль остается неподвижным в нормальном пространстве-времени в этом "пузыре", не подвергаясь деформациям и избегая нарушений универсального предела скорости света.
"Вместо того чтобы плыть в толще воды нормального пространства-времени, - говорит Дэвис, - двигатель Алькубьерре понесет вас, как серфингиста, несущегося на доске по гребню волны".
Есть тут и определенный подвох. Для реализации этой затеи необходима экзотическая форма материи, обладающая отрицательной массой, чтобы сжимать и расширять пространство-время.
"Физика не содержит никаких противопоказаний относительно отрицательной массы, - говорит Дэвис, - но никаких ее примеров нет, и мы никогда не встречали ее в природе".
Существует и другой подвох. В опубликованной в 2012 году работе исследователи из Университета Сиднея предположили, что "пузырь искривления" будет накапливать заряженные высокой энергией космические частицы, поскольку неизбежно начнет взаимодействовать с содержимым Вселенной.
Некоторые частицы будут проникать внутрь самого пузыря и накачивать корабль радиацией.
Застрявшие в досветовых скоростях?
Неужели мы так и обречены застрять на этапе досветовых скоростей по причине нашей деликатной биологии?!
Речь ведь не столько о том, чтобы установить новый мировой (галактический?) рекорд скорости для человека, сколько о перспективе превращения человечества в межзвездное общество.
Со скоростью в половину скорости света - а это тот предел, который, согласно данным изысканий Эдельстайна, способен выдержать наш организм - путешествие к ближайшей звезде в оба конца займет более 16 лет.
(Эффекты расширения времени, под воздействием которых для экипажа звездолета в его системе координат пройдет меньше времени, чем для людей, оставшихся на Земле в своей системе координат, не приведут к драматическим последствиям на скорости, составляющей половину скорости света).
Марк Миллис полон надежд. Принимая во внимание, что человечество изобрело противоперегрузочные костюмы и защиту от микрометеоритов, позволяющие людям безопасно путешествовать в великой голубой дали и усеянной звездами черноте космоса, он уверен, что мы сможем найти способы выживания, на какие бы скоростные рубежи не вышли в будущем.
"Те же самые технологии, которые смогут помочь нам достигать невероятных новых скоростей перемещения, - размышляет Миллис, - обеспечат нас новыми, пока неведомыми возможностями для защиты экипажей".
Примечания переводчика:
*Мигель Алькубьерре выдвинул идею своего "пузыря" в 1994 году. А в 1995 году российский физик-теоретик Сергей Красников предложил концепцию устройства для космических путешествий быстрее скорости света. Идея получила название "трубы Красникова".
Это искусственное искривление пространства времени по принципу так называемой кротовой норы. Гипотетически корабль будет двигаться по прямой от Земли к заданной звезде сквозь искривленное пространство-время, проходя через другие измерения.
Согласно теории Красникова, космический путешественник вернется обратно в то же самое время, когда он отправился в путь.
Наш читатель Никита Агеев спрашивает: в чем основная проблема межзвездных перелетов? Ответ, как и , потребует большой статьи, хотя на вопрос можно ответить и единственным символом: c .
Скорость света в вакууме, c, равна примерно тремстам тысячам километров в секунду, и превысить ее невозможно. Следовательно, нельзя и добраться до звезд быстрее, чем за несколько лет (свет идет 4,243 года до Проксимы Центавра, так что космический корабль не сможет прибыть еще быстрее). Если добавить время на разгон и торможение с более-менее приемлемым для человека ускорением, то получится около десяти лет до ближайшей звезды.
В каких условиях лететь?
И этот срок уже существенное препятствие сам по себе, даже если отвлечься от вопроса «как разогнаться до скорости, близкой к скорости света». Сейчас не существует космических кораблей, которые позволяли бы экипажу автономно жить в космосе столько времени — космонавтам постоянно привозят свежие припасы с Земли. Обычно разговор о проблемах межзвездных перелетов начинают с более фундаментальных вопросов, но мы начнем с сугубо прикладных проблем.
Даже спустя полвека после полета Гагарина инженеры не смогли создать для космических кораблей стиральную машину и достаточно практичный душ, а рассчитанные на условия невесомости туалеты ломаются на МКС с завидной регулярностью . Перелет хотя бы к Марсу (22 световые минуты вместо 4 световых лет) уже ставит перед конструкторами сантехники нетривиальную задачу: так что для путешествия к звездам потребуется как минимум изобрести космический унитаз с двадцатилетней гарантией и такую же стиральную машину.
Воду для стирки, мытья и питья тоже придется либо брать с собой, либо использовать повторно. Равно как и воздух, да и еду тоже необходимо либо запасать, либо выращивать на борту. Эксперименты по созданию замкнутой экосистемы на Земле уже проводились, однако их условия все же сильно отличались от космических хотя бы наличием гравитации. Человечество умеет превращать содержимое ночного горшка в чистую питьевую воду, но в данном случае требуется суметь сделать это в невесомости, с абсолютной надежностью и без грузовика расходных материалов: брать к звездам грузовик картриджей для фильтров слишком накладно.
Стирка носков и защита от кишечных инфекций могут показаться слишком банальными, «нефизическими» ограничениями на межзвездные полеты - однако любой опытный путешественник подтвердит, что «мелочи» вроде неудобной обуви или расстройства желудка от незнакомой пищи в автономной экспедиции могут обернуться угрозой для жизни.
Решение даже элементарных бытовых проблем требует столь же серьезной технологической базы, как и разработка принципиально новых космических двигателей. Если на Земле изношенную прокладку в бачке унитаза можно купить в ближайшем магазине за два рубля, то уже на марсианском корабле нужно предусмотреть либо запас всех подобных деталей, либо трехмерный принтер для производства запчастей из универсального пластикового сырья.
В ВМС США в 2013 году всерьез занялись трехмерной печатью после того, как оценили затраты времени и средств на ремонт боевой техники традиционными методами в полевых условиях. Военные рассудили, что напечатать какую-нибудь редкую прокладку для снятого с производства десять лет назад узла вертолета проще, чем заказать деталь со склада на другом материке.
Один из ближайших соратников Королева, Борис Черток, писал в своих мемуарах «Ракеты и люди» о том, что в определенный момент советская космическая программа столкнулась с нехваткой штепсельных контактов. Надежные соединители для многожильных кабелей пришлось разрабатывать отдельно.
Кроме запчастей для техники, еды, воды и воздуха космонавтам потребуется энергия. Энергия будет нужна двигателю и бортовому оборудованию, так что отдельно придется решить проблему с мощным и надежным ее источником. Солнечные батареи не годятся хотя бы по причине удаленности от светил в полете, радиоизотопные генераторы (они питают «Вояджеры» и «Новые горизонты») не дают требуемой для большого пилотируемого корабля мощности, а полноценные ядерные реакторы для космоса до сих пор делать не научились.
Советская программа по созданию спутников с ядерной энергоустановкой была омрачена международным скандалом после падения аппарата «Космос-954» в Канаде, а также рядом отказов с менее драматичными последствиями; аналогичные работы в США свернули еще раньше. Сейчас созданием космической ядерной энергоустановки намерены заняться в Росатоме и Роскосмосе, но это все-таки установки для ближних перелетов, а не многолетнего пути к другой звездной системе.
Возможно, вместо ядерного реактора в будущих межзвездных кораблях найдут применение токамаки. О том, насколько сложно хотя бы правильно определить параметры термоядерной плазмы, в МФТИ этим летом . Кстати, проект ITER на Земле успешно продвигается: даже те, кто поступил на первый курс, сегодня имеют все шансы приобщиться к работе над первым экспериментальным термоядерным реактором с положительным энергетическим балансом.
На чем лететь?
Для разгона и торможения межзвездного корабля обычные ракетные двигатели не годятся. Знакомые с курсом механики, который читают в МФТИ в первом семестре, могут самостоятельно рассчитать то, сколько топлива потребуется ракете для набора хотя бы ста тысяч километров в секунду. Для тех, кто еще не знаком с уравнением Циолковского, сразу озвучим результат - масса топливных баков получается существенно выше массы Солнечной системы.
Уменьшить запас топлива можно за счет повышения скорости, с которой двигатель выбрасывает рабочее тело, газ, плазму или что-то еще, вплоть до пучка элементарных частиц. В настоящее время для перелетов автоматических межпланетных станций в пределах Солнечной системы или для коррекции орбиты геостационарных спутников активно используют плазменные и ионные двигатели, но у них есть ряд других недостатков. В частности, все такие двигатели дают слишком малую тягу, ими пока нельзя придать кораблю ускорение в несколько метров на секунду в квадрате.
Проректор МФТИ Олег Горшков - один из признанных экспертов в области плазменных двигателей. Двигатели серии СПД - производят в ОКБ «Факел», это серийные изделия для коррекции орбиты спутников связи.
В 1950-е годы разрабатывался проект двигателя, который бы использовал импульс ядерного взрыва (проект Orion), но и он далек от того, чтобы стать готовым решением для межзвездных полетов. Еще менее проработан проект двигателя, который использует магнитогидродинамический эффект, то есть разгоняется за счет взаимодействия с межзвездной плазмой. Теоретически, космический корабль мог бы «засасывать» плазму внутрь и выбрасывать ее назад с созданием реактивной тяги, но тут возникает еще одна проблема.
Как выжить?
Межзвездная плазма - это прежде всего протоны и ядра гелия, если рассматривать тяжелые частицы. При движении со скоростями порядка сотни тысяч километров в секунду все эти частицы приобретают энергию в мегаэлектронвольты или даже десятки мегаэлектронвольт - столько же, сколько имеют продукты ядерных реакций. Плотность межзвездной среды составляет порядка ста тысяч ионов на кубический метр, а это значит, что за секунду квадратный метр обшивки корабля получит порядка 10 13 протонов с энергиями в десятки МэВ.
Один электронвольт, эВ , ― это та энергия, которую приобретает электрон при пролете от одного электрода до другого с разностью потенциалов в один вольт. Такую энергию имеют кванты света, а кванты ультрафиолета с большей энергией уже способны повредить молекулы ДНК. Излучение или частицы с энергиями в мегаэлектронвольты сопровождает ядерные реакции и, кроме того, само способно их вызывать.
Подобное облучение соответствует поглощенной энергии (в предположении, что вся энергия поглощается обшивкой) в десятки джоулей. Причем эта энергия придет не просто в виде тепла, а может частично уйти на инициацию в материале корабля ядерных реакций с образованием короткоживущих изотопов: проще говоря, обшивка станет радиоактивной.
Часть налетающих протонов и ядер гелия можно отклонять в сторону магнитным полем, от наведенной радиации и вторичного излучения можно защищаться сложной оболочкой из многих слоев, однако эти проблемы тоже пока не имеют решения. Кроме того, принципиальные сложности вида «какой материал в наименьшей степени будет разрушаться при облучении» на стадии обслуживания корабля в полете перейдут в частные проблемы - «как открутить четыре болта на 25 в отсеке с фоном в пятьдесят миллизиверт в час».
Напомним, что при последнем ремонте телескопа «Хаббл» у астронавтов поначалу не получилось открутить четыре болта, которые крепили одну из фотокамер. Посовещавшись с Землей, они заменили ключ с ограничением крутящего момента на обычный и приложили грубую физическую силу. Болты стронулись с места, камеру успешно заменили. Если бы прикипевший болт при этом сорвали, вторая экспедиция обошлась бы в полмиллиарда долларов США. Или вовсе бы не состоялась.
Нет ли обходных путей?
В научной фантастике (часто более фантастической, чем научной) межзвездные перелеты совершаются через «подпространственные туннели». Формально, уравнения Эйнштейна, описывающие геометрию пространства-времени в зависимости от распределенных в этом пространстве-времени массы и энергии, действительно допускают нечто подобное - вот только предполагаемые затраты энергии удручают еще больше, чем оценки количества ракетного топлива для полета к Проксиме Центавра. Мало того, что энергии нужно очень много, так еще и плотность энергии должна быть отрицательной.
Вопрос о том, нельзя ли создать стабильную, большую и энергетически возможную «кротовую нору» - привязан к фундаментальным вопросам об устройстве Вселенной в целом. Одной из нерешенных физических проблем является отсутствие гравитации в так называемой Стандартной модели - теории, описывающей поведение элементарных частиц и три из четырех фундаментальных физических взаимодействий. Абсолютное большинство физиков довольно скептически относится к тому, что в квантовой теории гравитации найдется место для межзвездных «прыжков через гиперпространство», но, строго говоря, попробовать поискать обходной путь для полетов к звездам никто не запрещает.
Вниманию читателей представлены самые быстрые ракеты в мире за всю историю создания.
Скорость 3,8 км/с
Самая быстрая ракета средней баллистической дальности с максимальной скоростью 3,8 км в секунду открывает рейтинг самых быстрых ракет в мире. Р-12У являлся модифицированным вариантом Р-12. Ракета отличалась от прототипа отсутствием промежуточного днища в баке окислителя и некоторыми незначительными изменениями конструкции - в шахте нет ветровых нагрузок, что позволило облегчить баки и сухие отсеки ракеты и отказаться от стабилизаторов. С 1976 года ракеты Р-12 и Р-12У начали сниматься с вооружения и заменяться на подвижные грунтовые комплексы «Пионер». Они были сняты с вооружения в июне 1989 года, и в период по 21 мая 1990 года на базе Лесная в Белоруссии были уничтожены 149 ракет.
Скорость 5,8 км/с
Одна из самых быстрых американских ракет-носителей с максимальной скоростью 5,8 км в секунду. Является первой разработанной межконтинентальной баллистической ракетой, принятой на вооружение США. Разрабатывалась в рамках программы MX-1593 с 1951 года. Составляла основу ядерного арсенала ВВС США в 1959-1964 годах, но затем была быстро снята с вооружения в связи с появлением более совершенной ракеты «Минитмэн». Послужила основой для создания семейства космических ракет-носителей Атлас, эксплуатирующегося с 1959 и поныне.
Скорость 6 км/с
UGM -133 A Trident II - американская трехступенчатая баллистическая ракета, одна из самых быстрых в мире. Её максимальная скорость составляет 6 км в секунду. “Трезубец-2” разрабатывался с 1977 года параллельно с более легким “Трайдентом-1”. Принят на вооружение в 1990 году. Стартовая масса - 59 тонн. Макс. забрасываемый вес - 2,8 тонны при дальности пуска 7800 км. Максимальная дальность полета при уменьшенном числе боевых блоков - 11 300 км.
Скорость 6 км/с
Одна из самых быстрых твердотопливных баллистических ракет в мире, стоящая на вооружении России. Имеет минимальный радиус поражения 8000 км, примерную скорость 6 км/с. Разработка ракеты ведётся с 1998 года Московским институтом теплотехники, разработавшим в 1989-1997 гг. ракету наземного базирования «Тополь-М». К настоящему времени произведено 24 испытательных пусков «Булавы», пятнадцать из них признаны успешными (в ходе первого пуска запускался массогабаритный макет ракеты), два (седьмой и восьмой) - частично успешными. Последний испытательный пуск ракеты состоялся 27 сентября 2016 года.
Скорость 6,7 км/с
Minuteman LGM -30 G - одна из самых быстрых межконтинентальных баллистических ракет наземного базирования в мире. Её скорость составляет 6,7 км в секунду. LGM-30G «Минитмэн» III имеет расчетную дальность полета от 6000 километров до 10 000 километров в зависимости от типа боеголовки. Минитмен-3 стоит на вооружении США с 1970 года по сегодняшний день. Она является единственной ракетой шахтного базирования в США. Первый пуск ракеты состоялся в феврале 1961 года, модификации II и III были запущены в 1964 году и 1968 соответственно. Ракета весит около 34 473 килограмм, оснащена тремя твердотопливными двигателями. Планируется, что ракета будет стоять на вооружении вплоть до 2020 года.
Скорость 7 км/с
Самая быстрая противоракета в мире, предназначенная для поражения высокоманевренных целей и высотных гиперзвуковых ракет. Испытания серии 53Т6 комплекса «Амур» были начаты в 1989 году. Её скорость составляет 5 км в секунду. Ракета представляет собой 12-метровый остроконечный конус без выступающих частей. Ее корпус изготовлен из высокопрочных сталей с использованием намотки из композиционных материалов. Конструкция ракеты позволяет выдерживать большие перегрузки. Перехватчик стартует со 100-кратным ускорением и способен перехватывать цели, летящие со скоростью до 7 км в секунду.
Скорость 7,3 км/с
Самая мощная и быстрая ядерная ракета в мире со скоростью 7,3 км в секунду. Предназначена она, прежде всего, для того чтобы разрушать самые укрепленные командные пункты, шахты баллистических ракет и авиабазы. Ядерная взрывчатка одной ракеты может разрушить большой город, весьма большую часть США. Точность попадания – около 200-250 метров. Ракета размещается в самых прочных в мире шахтах. SS-18 несет 16 платформ, одна из которых загружена ложными целями. Выходя на высокую орбиту все головки «Сатаны» идут «в облаке» ложных целей и практически не идентифицируются радарами».
Скорость 7,9 км/с
Межконтинентальная баллистическая ракета (DF-5A) с максимальной скоростью 7,9 км в секунду открывает тройку самых быстрых в мире. Китайская МБР DF-5 поступила в эксплуатацию в 1981 году. Она может нести огромную боеголовку на 5 мт и имеет диапазон более чем 12,000 км. У DF-5 отклонение приблизительно в 1 км, что означает, что у ракеты одна цель - уничтожать города. Размер боеголовки, отклонение и факт, что на её полную подготовку к запуску требуется всего час, все это означают, что DF-5 - карательное оружие, предназначенное для наказания любых потенциальных нападающих. Версия 5A имеет увеличенный диапазон, улучшение отклонения на 300 м и способность нести несколько боеголовок.
Р-7 Скорость 7,9 км/с
Р-7 - советская, первая межконтинентальная баллистическая ракета, одна из самых быстрых в мире. Ее предельная скорость составляет 7,9 км в секунду. Разработку и выпуск первых экземпляров ракеты осуществило в 1956-1957 годах подмосковное предприятие ОКБ-1. После успешных пусков она была использована в 1957 году для запуска первых в мире искусственных спутников Земли. С тех пор ракеты-носители семейства Р-7 активно применяются для запуска космических аппаратов различного назначения, а с 1961 года эти ракеты-носители широко используются в пилотируемой космонавтике. На основе Р-7 было создано целое семейство ракет-носителей. С 1957 по 2000 год выполнены запуски более 1800 ракет-носителей на базе Р-7, из них более 97 % стали успешными.
Скорость 7,9 км/с
РТ-2ПМ2 «Тополь-М» (15Ж65) - самая быстрая межконтинентальная баллистическая ракета в мире с максимальной скоростью 7,9 км в секунду. Предельная дальность - 11 000 км. Несёт один термоядерный боевой блок мощностью 550 кт. В шахтном варианте базирования принята на вооружение в 2000 году. Метод старта - миномётный. Маршевый твёрдотопливный двигатель ракеты позволяет ей набирать скорость намного быстрее предыдущих типов ракет аналогичного класса, созданных в России и Советском Союзе. Это значительно затрудняет её перехват средствами ПРО на активном участке полёта.
Чтобы преодолеть силу земного притяжения и вывести космический аппарат на орбиту Земли, ракета должна лететь со скоростью не менее 8 километров в секунду . Это и есть первая космическая скорость. Аппарат, которому сообщается первая космическая скорость, после отрыва от Земли становится искусственным спутником, то есть двигается вокруг планеты по круговой орбите. Если же аппарату сообщить скорость меньше первой космической, то он будет двигаться по траектории, которая пересекается с поверхностью земного шара. Иначе говоря, он упадет на Землю.
Снарядам A и B сообщается скорость ниже первой космической - они упадут на Землю;
снаряду C, которому сообщили первую космическую скорость, выйдет на круговую орбиту
Но для такого полета необходимо очень много топлива. 3а пару минут реактивный, двигатель съедает его целую железнодорожную цистерну, а для того, чтобы придать ракете необходимый разгон, требуется огромный железнодорожный состав топлива.
Заправочных станций в космосе нет, поэтому приходится все горючее брать с собой.
Баки с топливом очень велики и тяжелы. Когда баки опустеют, они становятся лишним грузом для ракеты. Ученые придумали способ избавляться от ненужной тяжести. Ракета собирается как конструктор и состоит из нескольких уровней, или ступеней. Каждая ступень имеет свой двигатель и свой запас топлива.
Первая ступень тяжелее всех. Здесь находится самый мощный двигатель и больше всего топлива. Она должна сдвинуть ракету с места и придать ей необходимый разгон. Когда топливо первой ступени израсходуется, она отсоединяется от ракеты и падает на землю, ракета становится легче, и ей не надо тратить дополнительное топливо на перевозку пустых баков.
Затем включаются двигатели второй ступени, которая меньше первой, так как ей нужно тратить меньше энергии на подъем космического аппарата. Когда баки с горючим опустеют, и эта ступень «отстегнется» от ракеты. Затем вступит в действие третья, четвертая...
После окончания работы последней ступени космический аппарат оказывается на орбите. Он может летать вокруг Земли очень долго, не затрачивая при этом ни капли топлива.
С помощью таких ракет отправляются в полет космонавты, спутники, межпланетные автоматические станции.
А знаете ли вы...
Первая космическая скорость зависит от массы небесного тела. Для Меркурия, масса которого в 20 раз меньше, чем у Земли, она равна 3,5 километров в секунду, а для Юпитера, масса которого больше массы Земли в 318 раз - почти 42 километра в секунду!