Путешествия к Луне

Рис. 1.8. Летучие селениты по К. Фламмариону.

В то же время ученые откликнулись на мистификации более внимательным изучением Луны. Наблюдая в 1834 г. заход звезд за лимб Луны, Фридрих Бессель не обнаружил у нее даже следов атмосферы. В 1838 г. астроном обсерватории Берлинского университета Иоганн Мёдлер привел доказательства того, что все «искусственные сооружения» Груйтуйзена есть не что иное, как сочетание скальных стен и впадин, которые при определенной фазе либрации Луны и положении терминатора – границы между светлой и темной сторонами диска – представляются в виде крепостных валов и стен (см. рис. 5.11 и 5.12). К концу XIX столетия, казалось, были отброшены последние надежды встретить на Луне жизнь, но в середине XX в. они появились вновь.

В Солнечной системе Луна, как и Земля, занимает наиболее благоприятное для жизни место. Чуть ближе к Солнцу слишком жарко (пример – Венера), а чуть дальше от Солнца слишком холодно (Марс). И только на орбите Земли – Луны средняя температура поверхности планеты немного выше О °С – идеальная температура для жизни. На Земле жизнь есть. Почему бы ей не быть и на Луне?

Ответ кажется очевидным: для жизни важна не только подходящая средняя температура, но и отсутствие сильных колебаний температуры, а на лишенной атмосферы Луне эти колебания значительно сильнее, чем на Земле. Строго говоря, у Луны все же есть атмосфера: по исследованиям американских астронавтов, концентрация газа в окололунном пространстве в тысячи раз превышает его концентрацию в межпланетном пространстве. В кубическом сантиметре окололунного пространства количество газовых частиц в ночное время превышает 105, а в дневное снижается до 104. Основные компоненты газовой оболочки Луны – водород, гелий, неон и аргон. Напомним, что у поверхности Земли концентрация молекул воздуха равна 2,7х1019 см-3. Иными словами, в литровой банке земного воздуха содержится столько же молекул, сколько в кубическом километре окололунного пространства! Естественно, крайне разреженная атмосфера Луны не способна сгладить разницу дневной и ночной температуры поверхности, и она меняется с амплитудой в 300 °C! Второе неблагоприятное свойство лунной поверхности – отсутствие жидкой или газовой среды: в вакууме живая клетка быстро высыхает, и активные биологические процессы в ней прекращаются.

К началу XX в. были составлены подробнейшие карты лунной поверхности, было уже совершенно ясно, что поверхность Луны безводна и безвоздушна. Но о природе этой поверхности, не говоря уже о ее происхождении, бытовали самые противоречивые суждения. Вот пример всего лишь столетней давности.

Новая гипотеза лунных кратеров

До сих пор происхождение лунных кратеров объясняли различными, главным образом вулканическими, причинами. Немецкий астроном проф. Фойгт дает им новое объяснение, во всяком случае, не лишенное остроумия. Он спрашивает: какой вид имело бы наше морское дно, если бы удалить воду? И он думает, что во многих местах, например у тропиков, оно представляло бы большое сходство с рельефом Луны. Так как «кратеры» морского дна – не более как коралловые постройки, то он думает, что то же происхождение имеют и лунные кратеры. Эта гипотеза построена на том предположении, что и часть Луны раньше была покрыта водой. Против этого, как думают специалисты, никаких теоретических возражений выставить нельзя, и гипотеза Фойгта смело может фигурировать наряду с другими.

«Вестник знания», 1904 г. (Цит. по: Наука и жизнь, 2004, № 3, с. 54)

Кому-то покажется, что эта гипотеза граничит с шуткой. Однако к середине XX в. биологи убедились в высокой приспособляемости жизни, которую удалось обнаружить и в жерлах вулканов, и в глубоководных впадинах, и в стратосфере, и в горячих серных источниках, и в антарктических льдах. Оказалось, что простейшие формы жизни не нуждаются в водной среде. Поэтому вопрос о жизни на Луне вновь стал актуальным, особенно в 1960-е гг., в период подготовки лунных экспедиций. Радиоастрономические измерения показали, что не прикрытая атмосферой поверхность Луны днем нагревается Солнцем до +130 °C, а ночью остывает до -170 °C. Однако под верхним слоем лунного грунта, уже на глубине 1 м, почти не ощущаются колебания температуры: там постоянно около -40 °C. Поскольку нельзя было исключить, что в таких условиях жизнь возможна, то в первых лунных экспедициях соблюдались строгие условия карантина, чтобы не допустить заражения Земли возможными лунными микробами. Например, сразу после возвращения на Землю корабля «Аполлон-11» астронавтов прямо в океане (куда приводнился их посадочный аппарат) одели в биоизоляционные костюмы, перевезли вертолетом на авианосец и поместили в изолированную камеру, в которой и доставили их на берег, где держали еще три недели, чтобы убедиться в отсутствии внеземных форм жизни. Доставленные экспедицией образцы лунного грунта также прошли биологический контроль, доказавший их безжизненность, и лишь после этого попали в руки геологов.

В дальнейшем сотни килограммов лунного грунта были подробно исследованы в лаборатории, но никаких следов органической жизни в них не обнаружилось. Теперь ясно, что еще одна недооцененная ранее функция земной атмосферы – это защита живых организмов от влияния космической радиации. На открытую лунную поверхность беспрепятственно попадают губительные для жизни ультрафиолетовые и рентгеновские солнечные лучи, а также заряженные космические частицы, которые на Земле в основном задерживаются в атмосфере. Поэтому сейчас ученые уверены: на поверхности Луны условий для жизни нет; органическая жизнь не могла там зародиться, и там нет условий для ее поддержания.

1.4. Эпоха первых лунных экспедиций

…Мещанина Никифора Никитина за крамольные речи о полете на Луну сослать в киргизское поселение Байконур…

«Московские губернские новости», 1848 г.

О полетах на Луну человечество (в лице немногих его представителей) мечтало давно, но вплоть до XIX в. эти мечты не были подкреплены техническим расчетом. Успехи артиллерии и астрономии позволили Жюлю Верну создать поразительно правдоподобные романы «С Земли на Луну» и «Вокруг Луны». С этого момента полет к Луне стал лишь проблемой времени. Вопрос о том, нужно ли лететь на Луну и зачем это нужно, вообще не обсуждался – разумеется, нужно! К середине XX в. стало очевидно, что лететь нужно на ракете. Накануне космической эры полет к Луне обсуждался, но пока еще в довольно отвлеченной форме. Например, английские специалисты в книге «Исследование мирового пространства» (Бэйтс, 1959), изданной в Лондоне в 1957 г., за несколько месяцев до запуска первого спутника, в основном обсуждают трудности полета к Луне и относят возможность самого полета «на ближайшие десятилетия». Но сразу после запуска первых спутников возможность полета к Луне уже рассматривалась как реальная перспектива, хотя задачи полета были не совсем ясны. Известный американский знаток ракетного дела и космических исследований Вилли Лей в 1958 г. писал: «Для астрономов идея создания обсерватории на Луне должна быть исключительно привлекательной, так как она позволяет избежать той никогда не прекращающейся борьбы, которую астрономы ведут на Земле с плотной и капризной атмосферой». А что кроме астрономии? Лей осторожен: «Может случиться так, что Луна представит для исследователей столь незначительный интерес, что первый же полет на нее будет последним, по крайней мере до тех пор, пока не будут созданы условия для создания „лунной обсерватории“ и „лунной космической базы“» (Лей, 1961).

Но вот первый человек в космосе, и настроение сразу же меняется: «Каким способом человек высадится на Луну и кто первый добьется успеха – СССР или США, станет, вероятно, известно к концу этого десятилетия» (Гэтленд, 1964). Стремительно сжимается масштаб времени – всем специалистам уже ясно, что не десятилетия, а годы отделяют человечество от первого межпланетного полета.

Достижения Советского Союза в первые годы космической эры были ошеломляющими:

В аналогичных достижениях американцы отставали от нас, бывало, на годы, порой – на месяцы, а иногда – всего лишь на несколько дней. Но спорт есть спорт: кто считает сотые доли секунды, если чемпионом может быть только первый! До 1965 г. достижения американцев были значительно скромнее советских:

Как видим, в прикладных (связь, метеорология) и научных космических исследованиях американцы быстро нас догнали, однако рекорды в пилотируемых полетах долго оставались за СССР. Но затем ситуация изменилась: 21–27 декабря 1967 г. американский экипаж на борту «Аполлона-8» совершил первую экспедицию к Луне, и с этого момента NASA завоевало первенство в глазах мировой общественности, а Советский Союз стал вторым.

В начале 1960-х гг. советская космонавтика была фаворитом, по крайней мере в общественном мнении. В те годы президент США Джон Кеннеди неоднократно предлагал главе СССР Н. С. Хрущеву совместную программу покорения Луны. Хрущев отверг эти предложения. В результате мы проиграли лунную гонку, затратив на нее колоссальные ресурсы и не получив ни научных, ни политических дивидендов. Сегодня ситуация обратная: фавориты в космосе – американцы. По части исследования Луны и планет Россия сейчас не входит даже в лидирующую пятерку. Теперь уже мы предлагаем американцам сотрудничество в организации полетов к Луне, но они отказываются. Жизнь покажет, намного ли это дальновиднее со стороны американцев, чем тогдашний отказ Хрущева. Разразившийся в конце 2008 г. всемирный экономический кризис оказал серьезное влияние на космические программы всех стран. Совместные усилия в этой области были бы, очевидно, ко всеобщей пользе.

Тут самое время вспомнить эпизод «случайного сотрудничества» между СССР и США на первом этапе исследования Луны. Долгие годы его держали в секрете, и лишь спустя 40 лет о нем рассказал участник первых лунных программ Виктор Арсеньевич Ефимов, сотрудник НИИ телевидения, готовивший фототелевизионную камеру «Енисей» для АМС «Луна-3», которая передала на Землю в 1959 г. первые изображения обратной стороны Луны, как говорили тогда – ее второго лица (раздел 5.7). На этой АМС съемка Луны проводилась пленочным фотоаппаратом, затем пленка проявлялась (протягивалась через губки, пропитанные соответствующим химическим раствором); кадры сканировались телекамерой и по радиоканалу передавались на Землю. Скорость передачи была очень низка: вдали от Земли один кадр передавался 30 минут, именно поэтому нельзя было использовать прямую телесъемку Луны, и требовался промежуточный накопитель информации в виде фотопленки.

Так в чем же состояло «сотрудничество» между СССР и США в период их напряженной конкуренции в исследовании Луны? Вот как описывает это В. А. Ефимов.

«История примененной в камере „Енисей“ фотопленки типа АШ шириной 35 мм достаточно забавна. По свидетельству заместителя главного конструктора темы „Енисей“ П. Ф. Брацлавца и ведущего инженера по бортовой камере Ю. П. Лагутина, наша промышленность к тому времени еще не освоила производство фотопленки, удовлетворявшей всем требованиям заказа „Енисей“. Но выручил „господин случай“.

Во второй половине 1950-х гг. США – наш бывший союзник по антигитлеровской коалиции – стали использовать в разведывательных целях воздушные шары. Возможность их применения для разведки основывалась на особенностях воздушных течений над нашей страной – постоянных перемещениях воздушных масс с запада на восток. Шары, снабженные специальной фотоаппаратурой, запускались с военных баз США в странах Западной Европы и, несомые воздушными течениями, появлялись над СССР, фотографируя территорию нашей страны по пути движения. Таких шаров запускалось много. Они создавали угрозу полетам самолетов. Сбито этих злополучных „шариков“ было тоже немало.

Некоторое количество фотопленки с этих шаров-шпионов оказалось в академии им. А. Ф. Можайского, с которой сотрудничал ВНИИ телевидения. После исследования упомянутой фотопленки оказалось, что она по своим параметрам пригодна для использования в бортовой аппаратуре „Енисей“. Тогда было принято втайне от высокого начальства решение разрезать ее на требуемый размер, отперфорировать и применить для фотографирования невидимой стороны Луны. Отсюда становится понятным несколько озорное обозначение типа фотопленки „AШ – „американские шарики“» (Ефимов, 2000).

Рис. 1.9. Так все начиналось: запуск первой ракеты на мысе Канаверал (шт. Флорида). Эту ракету «Фау-2» немецкие инженеры создали под руководством Вернера фон Брауна еще в 1940-х гг. в гитлеровской Германии. Позже она стала американским трофеем, вместе с инженерами. В качестве второй ступени на ней установлена американская жидкостная ракета «ВАК-Кап-рал», которая, отделившись на высоте 32 км, достигла высоты 400 км, неся в головной части датчики температуры и космических лучей. Через два десятилетия отсюда же к Луне летали все пилотируемые экспедиции «Аполлон».

Над этим эпизодом можно посмеяться, а можно и задуматься: неожиданно быстро обратную сторону Луны удалось сфотографировать, результат был получен, и он был бы еще лучше, если бы сотрудничество было не тайным, а открытым. Но в ту эпоху об этом не могло быть речи: мы опережали американцев и желали закреплять свой приоритет. В 1958–1960 гг. предпринимались попытки попасть аппаратом в Луну; с нашими весьма увесистыми АМС «Луна» соревновались маленькие американские «Пионеры» (табл. 3 Приложений). В 1959 г. «Луна-2» достигла цели, а все американские запуски оказались неудачными.

Чтобы попасть в Луну, потребовалось решить множество технических задач. На трассе перелета необходимо было проводить коррекции траектории, а для этого нужно было знать положение аппарата и его ориентацию в пространстве. Удалившийся от Земли аппарат переставал быть заметным для оптического телескопа и радиолокатора. Определять его положение в пространстве помогла идея московского астрофизика И. С. Шкловского (ГАИШ МГУ), предложившего по пути к Луне превращать зонд в «искусственную комету». Для этого на борту последней ступени ракеты-носителя, вместе с которой двигался зонд, имелось устройство, испаряющее 1 кг натрия в течение 5–7 с. Под действием солнечного ультрафиолета расширяющееся натриевое облако ярко излучало в желтой резонансной линии, позволяя измерять положение зонда с помощью наземных телескопов. Впервые эту идею реализовали при запуске «Луны-1»: на расстоянии 113 ООО км от Земли яркость искусственной кометы составила 6m. При полете «Луны-2» искусственная комета была образована на расстоянии около 150 000 км; с Земли ее видели как объект 4–5m в течение 5–6 минут.

Рис. 1.10. «Луна-2» (СССР, 1959) – первый искусственный объект, достигший поверхности Луны. Масса зонда составляла 390 кг.

Решение следующей задачи чуть было не закончилось ядерными взрывами на Луне. Поскольку наши первые аппараты жестко врезались в лунную поверхность и мгновенно разрушались, требовалось доказать, что они действительно достигали поверхности Луны, а не просто переставали функционировать. В 1957 г. академик Я. Б. Зельдович предложил осуществить на поверхности Луны взрыв атомной бомбы, доставленной туда ракетой. Ожидалось, что атомный взрыв будет сопровождаться такой световой вспышкой, что ее легко зафиксируют все обсерватории, которые будут иметь возможность в этот момент наблюдать Луну. Это и станет доказательством попадания ракеты в Луну. Несмотря на настороженное отношение к этому проекту со стороны С. П. Королева и М. В. Келдыша, в ОКБ-1 был изготовлен макет лунного контейнера с макетным атомным зарядом. Конструктивно макет напоминал морскую мину, так как для того, чтобы гарантировать взрыв при любой ориентации контейнера в момент удара о поверхность, он весь был утыкан свинцовыми штырями с гальваническими элементами взрывателей.

Рис. 1.11. Так выглядели «Пионер-3» и «Пионер-4». Первый не вышел на орбиту, а второй пролетел далеко от Луны и стал спутником Солнца. Американцы шутили: «Пионер-4» – это первый американский позолоченный астероид весом 6 кг. Фиберглассовая поверхность аппарата позолочена для лучшей электропроводимости и расчерчена черными полосами для поглощения солнечного света и излучения избытка тепла.

Однако перед окончательным утверждением проекта Я. Б. Зельдович провел дополнительные расчеты длительности и яркости вспышки от ядерного взрыва на лунной поверхности. Получалось, что из-за отсутствия атмосферы она окажется настолько кратковременной, что нет никакой гарантии ее регистрации наземными телескопами. От опасной идеи отказались.

В американской лунной программе успех выпал на долю аппаратов серии «Рейнджер». Правда, поначалу их пытались сделать слишком сложными. Все эти аппараты предназначались для жесткого попадания в поверхность Луны и были снабжены телекамерами, транслирующими на Землю изображения поверхности вплоть до момента удара.

Рис. 1.12. Подготовка «Пионера-3», запущенного 6.XII.1958 в сторону Луны четырехступенчатой ракетой «Джуно II» (на основе баллистической ракеты «Юпитер») с мыса Канаверал во Флориде.

Рис. 1.13. Зонды «Рейнджер-3…5» должны были не только передавать изображения лунной поверхности, но и доставить на нее сейсмометры, заключенные для амортизации удара в шарообразный деревянный контейнер.

Но редко отмечается тот факт, что «Рейнджер-3-5» имели также отделяемую капсулу для доставки на поверхность сейсмометра. Эта капсула имела собственный тормозной двигатель, а сейсмометр для амортизации удара был заключен в толстостенный шар из бальзового дерева (!). При ударе капсулы о поверхность Луны со скоростью 150 м/с аппаратура испытывала ускорение 3000 g, но не должна была пострадать. Предполагалось, что сейсмометр будет передавать на Землю данные в течение 30 суток. Любопытная деталь: чтобы не занести на Луну земные формы жизни, капсулу перед стартом стерилизовали. К сожалению, ни один их этих аппаратов не попал на Луну и даже не передал изображений ее поверхности. Следующие «Рейнджеры» несли только телевизионную аппаратуру и работали вполне успешно.

Настоящая лунная гонка развернулась в 1966–1968 гг. Советские и американские инженеры шли, что называется, ноздря в ноздрю: мягкая посадка на поверхность Луны, искусственный спутник Луны, облет Луны с возвращением на Землю. По каждому из этих достижений американцы отставали от нас на несколько месяцев, но при этом их технические и научные результаты были намного весомее. В конце 1968 г. состоялась первая пилотируемая экспедиция к Луне: «Аполлон-8» совершил 10 оборотов вокруг Луны и вернулся на Землю. В этот момент американцы стали лидерами в глазах общественного мнения и уже не уступали эту позицию.

В конце книги вы найдете таблицы с подробными сведениями о полетах к Луне, в большинстве глав также рассказано об эпизодах некоторых экспедиций, поэтому здесь я лишь дополню информацию отдельными любопытными деталями.

Первое замечание касается научной фантастики. В связи с путешествиями к Луне нельзя не вспомнить поразительный пример, демонстрирующий отличие научной фантастики от ненаучной – фэнтези. Речь идет о знаменитых произведениях Жюля Верна (1828–1905) «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут» (1865 г.) и «Вокруг Луны» (1870 г.). За 100 лет до первого полета астронавтов к Луне на корабле «Аполлон-8» автор этих увлекательных книг предугадал поразительно много деталей. Правда, запущены были космические корабли разными методами: у Ж. Верна – из пушки, а в жизни – ракетой, но в полете для коррекции траектории и торможения герои Жюля Верна использовали именно ракетные двигатели. Оба космических корабля, фантастический и реальный, стартовали с Земли вертикально вверх, хотя еще в первой половине XX в. инженеры и ученые сомневались в практичности такого старта. А вот вам и совпадения: оба запуска произошли с полуострова Флорида (с местом старта писатель «ошибся» примерно на 170 км); полет произошел в декабре, с экипажем из трех человек; оба космических аппарата были в основном сделаны из алюминия (редкого и дорогого металла во времена Ж. Верна), причем имели почти одинаковый размер и близкий вес (у «Аполлона» – без ракетного топлива). При возвращении на Землю оба аппарата приводнились в Тихом океане!

Мистика? А вы перечитайте Ж. Верна. Во-первых, обнаружите еще множество других удивительных совпадений, и не только технических. А во-вторых, узнаете много интересного о Луне, о телескопах, об артиллерийских орудиях, о перегрузках и невесомости, о национальных особенностях французов и американцев, а главное – сможете оценить глубину проработки автором этих тем.

Рис. 1.14. «Через несколько мгновений из люка на верхушке конуса с торжествующим видом появился секретарь „Пушечного клуба“. За время „опыта“ он еще больше растолстел». Недельный эксперимент по пребыванию в герметически закрытом снаряде «Колумбиады» прошел успешно. Вскоре герои Жюля Верна отправились в этом снаряде к Луне; «…нужен был смелый гений американцев, чтобы возникла мысль о завоевании нашего спутника». (Иллюстрация Henri de Montaut к изданию 1868 г.)

При внимательном прочтении видно, что Жюль Верн не просто угадал будущее, а сделал весьма точный научно-технический прогноз, опираясь на хорошо разработанную к тому времени небесную механику и прочие достижения естественных наук. Кстати, кажется, никто до сих пор не отметил, что Ж. Верн первым предложил изучать Землю из космоса: его герои на пути к Луне пытались наблюдать Северный и Южный полюсы, чтобы узнать, что там находится; ведь в XIX в. люди еще не бывали на полюсах. По глубине научной проработки своих литературных произведений с Ж. Верном мог сравниться только Артур Кларк, предложивший геостационарные спутники и самостоятельно пришедший к идее космического лифта. Это и есть научная фантастика.

Разумеется, не только Ж. Верну удался мысленный эксперимент с полетом к Луне. Замечательно точную картину нарисовал и Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935) в своей фантастической повести «На Луне» (1887 г.); в ней он высказал предположения, которые были доказаны лишь много десятилетий спустя.

Рис. 1.15. Корабль «Аполлон» в конфигурации, достаточной для путешествия к Луне без посадки на ее поверхность. По размеру, материалу и экипажу он практически совпадает со снарядом из фантазии Жюля Верна.

Так, он весьма точно описал нагрев и охлаждение поверхности Луны, хотя достоверные сведения о температуре лунной поверхности были получены только в 1920-е гг. А вот фантазия Герберта Уэллса (1866–1946) в его романе «Первые люди на Луне» (1901 г.) разыгралась не на шутку: «Представьте себе рассвет на Луне! Оттаивает мерзлый воздух, оживает и шевелится почва, бесшумно и быстро поднимаются стебли и растут листья». А затем появились злобные селениты, чем-то напоминавшие марсиан из «Войны миров» (1898 г.). Как видим, Уэллс был склонен скорее к социальным, чем к научно-техническим прогнозам.

Рис. 1.16. Командный модуль «Аполлона». Он так же отправился к Луне с полуострова Флорида и вернулся на Землю практически в той же области Тихого океана, что и снаряд жюль-верновской «Колумбиады».

Второе мое замечание касается уже не научной фантастики, а научной космонавтики. Никто не скрывает, что развитие ракетной техники началось и долгое время продолжалось из-за военных нужд. Полеты зондов к Луне и планетам – побочное дитя «холодной войны». Естественное требование к военным разработкам – секретность. Но США нашли возможность очень рано, в самом начале космической эры, в 1958 г. параллельно военным ракетным организациям создать гражданское космическое ведомство NASA, чем и обеспечили свои успехи в изучении Солнечной системы и в развитии внеатмосферной астрономии. У нашей страны не хватило для этого экономической мощи. В нашей космонавтике наука жила и живет «по остаточному принципу», подчиняясь всем традициям оборонной тематики – с ее секретностью и полной безответственностью перед обществом. Правда, в 1992 г. у нас возникло «полугражданское» ведомство – Федеральное космическое агентство (Роскосмос), но по сути у него мало общего с NASA. Поскольку Роскосмос занимается и гражданской, и военной тематикой, легко понять, чему отдается приоритет и чем (и кем) определяется стиль работы.