На первый взгляд может показаться, судя по обычным земным представлениям, что сравнительно небольшое расстояние, которое должно быть пройдено межпланетным кораблем в полете на Луну, в сотни раз меньшее, чем в любом другом межпланетном полете, дает еще одно очень важное, если не решающее, преимущество — оно требует меньшего расхода топлива. Может показаться, что в связи с необходимостью большого расхода топлива в настоящее время возможны лишь межпланетные полеты на сравнительно небольшие расстояния — в частности полет на Луну, а более дальние полеты на планеты пока невозможны.
Однако такое впечатление было бы ошибочным. В любом земном путешествии, все равно — по суше, воде или воздуху, чем больше расстояние, которое мы должны проехать, тем больше количество расходуемого топлива, потому что двигатель автомобиля, парохода или самолета работает в течение всего времени путешествия. Иначе получается в межпланетном путешествии. Здесь во много раз более дальний полет может потребовать во много раз меньшего количества топлива — в этом заключается одна из особенностей полета в мировом пространстве. В межпланетном полете двигатель корабля работает, расходуя топливо, лишь ничтожную часть общего времени полета. Во все остальное время двигатель остановлен и корабль летит за счет накопленной при работе двигателя кинетической энергии. Примерно так поступают шоферы, когда они ездят «с накатом» — сначала автомобиль разгоняют, а потом двигатель выключают и машина идет за счет приобретенной скорости. Только в случае межпланетного полета такой «накат» осуществляется обычно 1–2 раза, в начале пути и при необходимости изменить направление или скорость движения корабля.
Расход топлива в межпланетном полете определяется поэтому не проходимым расстоянием, а другими факторами, главным образом тем, какие поля тяготения приходится преодолевать кораблю в полете, и, значит, тем, какой массой обладает небесное тело, к которому совершается полет. А в этом отношении Луна — далеко не идеальная цель из-за своей сравнительно большой массы. Неудивительно, что путешествие на Луну потребует большего расхода топлива, чем некоторые другие межпланетные полеты на расстояния, в десятки и сотни раз большие, — например полет на многие астероиды.
Луна является совершенно своеобразным небесным телом, исключением в семье спутников планет солнечной системы — семье, насчитывающей, кроме Луны, 30 известных членов.[63] Это отличие заключается в том, что Луна — спутник-гигант, она гораздо ближе по размерам и по массе к своей планете — Земле, чем какой-либо другой спутник.[64] Диаметр Луны меньше земного всего примерно в 3¾ раза, он равен 3476 километрам. В этом отношении другие спутники сильно уступают Луне. Спутник Нептуна, Тритон, меньше своей планеты в 10 с лишним раз,[65] первый спутник Урана, Титания, — примерно в 30 раз, спутники Марса, Юпитера и Сатурна меньше своих планет в сотни раз. Примерно такое же соотношение и в величинах масс спутников. Масса Луны меньше массы Земли примерно в 81,5 раза, масса Тритона меньше массы Нептуна в 290 раз; массы спутников Юпитера и Сатурна меньше массы своих планет в десятки и сотни тысяч раз.
Мы можем, если угодно, гордиться такой «исключительностью» пары Земля — Луна и той редкой по красоте картиной, которая предстанет перед глазами будущих межпланетных путешественников, наблюдающих эту «двойную звезду» с борта космического корабля где-нибудь на трассе Земля — Венера. Однако, с точки зрения интересов астронавтики, мы не можем не пожалеть о том, что Земля так велика и что мы живем, например, не на Марсе, масса которого в 10 раз меньше земной. Точно так же мы не можем не пожалеть и о том, что Луна так велика и что мы не имеем крохотного, недалеко расположенного спутника, подобного, например, марсианским Фобосу и Деймосу, диаметр которых равен всего 16 и 8 километрам и которые находятся от Марса на расстоянии всего 9380 и 23 500 километров. Если бы мы жили на Марсе, не говоря уже о Меркурии, то, пожалуй, межпланетные корабли уже бороздили бы безбрежные дали мирового пространства: скорость отрыва от Марса, равная всего 5 километрам в секунду, без особого труда может быть достигнута современной реактивной техникой. Если бы Земля поменялась с Марсом спутниками, мы получили бы замечательные межпланетные базы, и в этом случае не было бы необходимости в сооружении искусственных маленьких «лун» только потому, что настоящая Луна «плоха» с точки зрения астронавтики.
В поле тяготения Земли и Луны. Показаны поверхности, в любой точке которых отношение сил притяжения к Земле и Луне одинаково (указано цифрами).
Астронавтику не устраивает ни значительная масса Луны, из-за которой она обладает собственным полем тяготения (с ним приходится серьезно считаться), ни сравнительно большое расстояние ее от Земли.
Поле тяготения Луны как бы накладывается на земное. Если двигатель межпланетного корабля уже выключен, а сопротивление воздуха отсутствует (или мы им пренебрегаем), причем полет совершается так близко от Земли, что мы считаемся лишь с земным тяготением, то на корабль действует только одна сила тяжести, направленная к центру Земли.[66] Чем ближе к Луне, тем притяжение к ней больше, и, наконец, мы вынуждены начать с ним считаться. Теперь уже на корабль действуют две силы: одна — направленная к центру Земли, другая — к центру Луны. Равнодействующая сила должна быть найдена, очевидно, по правилу параллелограмма; она уже будет направлена не к центру Земли, а куда-то между Землей и Луной.[67]
Наконец в своем полете к Луне корабль, по какому бы маршруту он ни летел, обязательно достигнет такой точки, в которой обе силы притяжения, к Земле и Луне, уравняются. Конечно, это будет гораздо ближе к Луне, чем к Земле, ибо масса Земли больше. Так как сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния, а отношение масс Земли и Луны равно примерно 81, то, например, на полпути между Землей и Луной сила притяжения к Земле будет все еще в 81 раз больше, чем к Луне. Очевидно, что обе силы сравняются, когда расстояния корабля до центров Земли и Луны будут относиться, как √81:1, то есть когда расстояние до центра Земли будет примерно в 9 раз больше, чем расстояние до центра Луны.
Очевидно, что точек, отвечающих этому условию, существует в пространстве между Землей и Луной бесконечно много, так что эти точки образуют целую поверхность. Эта поверхность обладает замечательной особенностью. Она является как бы своеобразной границей: по одну сторону от этой поверхности корабль будет падать на Землю, а по другую — на Луну.
Особенный интерес представляет одна точка этой поверхности, лежащая на прямой, соединяющей центры Земли и Луны; она находится на расстоянии всего 38 тысяч километров от центра Луны. Очевидно, в этой точке на корабль не действуют вообще никакие силы: две равные и противоположно направленные силы не дают равнодействующей. Значит, в этой точке, которую называют критической, или нейтральной, корабль, если он не обладает собственной скоростью (то есть скоростью относительно системы Земля — Луна), теоретически должен был бы находиться бесконечно долго. В критической точке вес тела равен нулю, но уже не потому, что тело не давит на опору, свободно падающую вместе с ним, как на искусственном спутнике, а потому, что на него на самом деле не действует сила притяжения.
«Путешествие» с Земли на Луну.
Путешественник, который решил бы добраться до Луны по лестнице, как это рассказывается в сказках, до критической точки поднимался бы вверх головой, в самой этой точке мог бы отдохнуть, не пользуясь лестницей, а дальше должен был бы повернуться головой к Земле: теперь для него «низ» был бы уже на Луне.[68]
