Если все топливо, имеющееся на корабле, то есть предназначенное на два взлета и на две посадки, на торможение и на управление, израсходовать только на разгон корабля в безвоздушном пространстве, при отсутствии силы тяжести (это условное пространство Циолковский назвал «свободным»), то скорость корабля была бы, конечно, гораздо больше скорости отрыва — не 11,2, а примерно 23 километра в секунду. Эта скорость носит название идеальной. Она показывает, сколько топлива нужно взять для полета на Луну и обратно.
Сколько же именно? Если произвести подсчет по формуле Циолковского, то станет ясно, почему невозможны были межпланетные путешествия лет 20–25 назад. В те времена скорость истечения газов из жидкостных ракетных двигателей не превосходила трех километров в секунду. В этом случае, как показывает формула Циолковского, для достижения идеальной скорости вес топлива на корабле при взлете должен превышать вес самого корабля со всей полезной нагрузкой в… 2 150 раз! Это, конечно, немыслимо. Использование Кавказского межпланетного вокзала несколько облегчает дело, так как необходимая идеальная скорость уменьшается до 22 километров в секунду. Примерно 2/3 километра сообщается кораблю при разгоне на эстакаде и остальная треть километра — за счет вращения Земли вокруг оси. Но и при 22 километрах в секунду запас топлива должен все еще в 1900 раз превышать вес корабля.
Какие же способы решения этой главной задачи были в нашем распоряжении, какой из них мы избрали? Одним из способов, указанных еще Циолковским, было использование искусственного спутника Земли в качестве топливозаправочной станции в мировом пространстве. Другой способ — использование ракетных «поездов», то есть составных ракет. Однако эти способы, уменьшая трудности, не устраняют их целиком, когда речь идет о посылке на Луну межпланетного корабля с людьми.
Оставался третий путь: поиски более совершенного топлива, с большей скоростью истечения газов. На первых порах нас ожидало разочарование. Ракетная техника, правда, использует сейчас гораздо лучшие топлива, чем 20 лет назад. Современные ракетные самолеты летят из Москвы в Пекин всего полчаса. Скорость истечения газов у двигателей этих самолетов доходит до 4,5 километра в секунду. Но для полета на Луну и этого недостаточно, потому что в этом случае вес топлива должен в 131 раз превышать вес корабля и груза.
Помощь пришла со стороны атомной техники. Ее новые успехи позволили создать атомный ракетный двигатель со скоростью истечения 10 километров в секунду. На нашем корабле установлен именно такой двигатель. При скорости истечения 10 километров в секунду вес топлива на корабле при взлете должен превышать вес самого корабля с пассажирами и всем прочим только в 8 раз (точнее говоря, здесь имеется в виду не топливо, а рабочее вещество — вода. Об этом подробно рассказано в статье «Атомный двигатель»). Конечно, соотношение 8: 1 по сравнению с 1900: 1 — огромная удача, делающая сам полет осуществимым. Но все же не так просто построить и снарядить корабль, который был бы в 9 раз легче его содержимого (в 9, а не в 8, так как 10 % веса корабля приходится на долю полезной нагрузки). Напомню, что обыкновенное ведро весит в 7 раз меньше, чем налитая в него вода. Здесь соотношение 7: 1, а на нашем корабле 9: 1, то есть относительный вес сложного корабля со всеми механизмами, двигателями и оборудованием должен быть меньше, чем у простого ведра.
Создание такой экономичной, сверхлегкой и вместе с тем прочной конструкции было сложнейшей задачей.
«Луна-1» будет весить при взлете примерно 450 тонн. Из них около 400 тонн придется на долю топлива, главным образом для атомного двигателя (на долю воды), а также для рулевых жидкостных ракетных двигателей, установленных на концах крыльев и служащих для управления в полете. Из остальных 50 тонн 45 тонн весит корпус корабля, двигатели и баки. Всего 5 тонн — полезный груз, куда входит вес пассажирской кабины, четырех членов экипажа, пятинедельного запаса пищи — по 1 килограмму в сутки на человека (всего 140 килограммов на четверых), столько же воды, по одному литру жидкого кислорода (около 150 килограммов). Прибавьте к этому посуду, одежду, скафандры, установки отопления, охлаждения, очистки воздуха, конденсации воды, аптечку, необходимые инструменты, механизмы управления, радиостанцию и радиолокаторы, телескоп, киноаппарат и фотоаппараты со всеми необходимыми материалами, книги, карты, таблицы и справочники, приборы для физических, химических и физиологических опытов и наблюдений, генератор, который снабжает все приборы, аппараты и механизмы энергией, и вам станет ясно, с какой тщательностью мы отбирали только самое необходимое, с какой страстностью спорили, обсуждая каждую возможность даже небольшого сокращения веса. Можете представить себе, как мы изощрялись, чтобы найти возможность послать на Луну экспедицию из четырех, а не из трех человек, как вначале предполагалось.
Но теперь все споры позади. 25 ноября корабль «Луна-1» отправляется в путь.
Атомный двигатель
Начальник группы конструкторского бюро «Л» инженер В. С. Красавин.
На корабле «Луна-1» установлен атомно-ракетный двигатель. Могучая энергия, скрытая в невидимых ядрах атома, понесет советских ученых по космическим просторам.
Атомный двигатель начнет работать, как только корабль оторвется от вершины Казбека. До той поры его будут разгонять на взлетной эстакаде двигатели стартовой платформы. Это сделано и для экономии топлива и для безопасности провожающих. Ведь при работе атомного двигателя возникает радиоактивное излучение, очень вредное для людей. Экипаж же корабля надежно защищен специальной перегородкой.
Создавая двигатель, мы приложили много усилий, чтобы облегчить и уменьшить его. В результате наш двигатель весит всего несколько тонн, диаметр его около полутора метров.
В обычных (неатомных) ракетных двигателях имеется камера сгорания и сопло для выхода газов. В камере сгорания идет химическая реакция, и раскаленные газы, продукты этой реакции, стремительно вырываются из сопла, толкая ракету с большой силой в обратную сторону.
В нашем атомно-ракетном двигателе нет камеры сгорания; ее заменяет реактор. В нем происходит реакция, но не химическая, а ядерная. Сюда из баков подается раствор одной из солей урана-235. Баки устроены так, что в каждом из них реакция не может развиться. Но когда уран поступает из нескольких баков одновременно и соединяется несколько его порций, начинается цепная ядерная реакция, то есть непрерывный распад атомных ядер. В ходе ядерной реакции развивается очень высокая температура. Самые тугоплавкие вещества, которые были известны 20 лет назад, расплавились бы. Наш двигатель построен из новых жаростойких материалов. Но и они работают в двигателе только благодаря хорошему охлаждению.
Жар атомного котла используется для нагревания рабочего вещества. Пример рабочего вещества — вода в паровозе. В паровозной топке горит уголь, при этом вода нагревается и превращается в пар, который и движет машину. В нашей атомной топке «сгорает» уран. За счет его энергии нагревается рабочее вещество (тоже вода). При нагреве вода распадается на кислород и водород, и горячие, ослепительно светящиеся газы вылетают из ракеты со скоростью около 10 километров в секунду. Такой скорости истечения нельзя получить ни при одной химической реакции. Там рекорд — 4,5 километра в секунду.
Уран доставляет энергию, тепло, вода играет здесь пассивную роль — она нагревается, превращается в раскаленные газы и выбрасывается из ракеты. Многие жидкости могут быть рабочим веществом в атомном двигателе: вода, сжиженный аммиак и другие, например жидкий водород. Жидкий водород — одно из самых заманчивых рабочих веществ. Он дает наибольшую скорость истечения. Но для хранения его нужны объемистые баки (ведь жидкий водород в 15 раз легче воды) и специальные устройства, чтобы предохранить водород от испарения. Атомно-водородная ракета получалась у нас слишком громоздкой, слишком тяжелой в конечном итоге. И мы выбрали воду. Вода дешева, на Земле всегда под рукой, безопасна в обращении, не горит, не взрывается, не разъедает баков, поэтому воде предоставлена честь везти людей в первый межпланетный полет.