Поэтому механика выхода на орбиту прежде всего должна обеспечить достижение очень высокой скорости, а не очень большой высоты. Космос, по международному соглашению, начинается на высоте всего лишь 100 км. Гагарин облетел Землю на высоте 300 км, близкой к обычной высоте полетов космических «Шаттлов», а космический корабль «Аполлон» пользовался на своем пути к Луне «парковочной орбитой» на высоте всего 185 км. Орбитальная скорость большинства таких полетов составляет 28 160 км/ч.
Выше орбитальной скорости скорость, необходимая для преодоления гравитационного поля Земли. И для крошечного спутника, и для огромного пилотируемого корабля она одинакова — около 40 225 км/ч. На временной орбите космический корабль «Аполлон» использовал двигатели третьей ступени, чтобы перейти от орбитальной, первой космической скорости, к скорости ухода от Земли, второй космической — чтобы преодолеть притяжение Земли и начать свое путешествие к Луне.
Скорость пули, выпущенной из самой мощной винтовки — 4344 км/ч. Этот факт поможет нам оценить силу, необходимую для ускорения всего космического корабля до 28 160 км/ч. В таком случае необходима вся возможная помощь. Даже выбор места для стартовой площадки значительно влияет на то, сколько энергии потребуется ракете, чтобы выйти на орбиту, потому что ракета может «занять» скорость у самого вращения Земли. Земля вращается на восток со скоростью, которая изменяется в зависимости от высоты. В нескольких метрах от Северного полюса скорость вращения крайне мала, но на экваторе поверхность планеты движется со скоростью, равной приблизительно 1670 км/ч. Двигатели ракеты только выигрывают от того, что могут воспользоваться любой возможной помощью, поэтому ракеты обычно запускают на восток, чтобы добавить планетарную скорость вращения. Ракетчики также просят строить их стартовые площадки по возможности ближе к экватору, чтобы максимально воспользоваться свободной скоростью. В 1952 году Вернер фон Браун признался, что фактор помощи вращения будет столь важным, что потребует от США расположить свой главный ракетный полигон на острове Джонстон в Тихом океане. Огромная стоимость транспортировки грузов на эту удаленную точку будет, как он представлял, компенсироваться выигрышем кинетической энергии, обеспечиваемой расположением ближе к экватору. Принцип использования скорости вращения заставил писателя-фантаста Жюля Верна в 1865 году разместить его воображаемый американский космический полигон во Флориде, самом южном континентальном штате США. Очень высокая стоимость доставки материальной базы на остров в Тихом океане заставила создать космический центр НАСА имени Кеннеди в штате, который предсказал Жюль Верн, естественно на Атлантическом побережье, так как запуски будут осуществляться в восточном направлении.
У русских было менее выгодное географическое расположение, так как в СССР не было территорий, расположенных особенно близко к югу. Для максимального использования скорости вращения они были вынуждены обосноваться в удаленном местечке в Казахстане. Расположенный на широте 45°57′ космодром на Байконуре имеет ту же широту что и Северная Дакота. А расположенный еще ближе к северу космодром в Плесецке (на той же широте, что и Аляска) был построен для обслуживания спутников, запускаемых на полярные орбиты, которые не могут использовать скорость вращения Земли, а также для советских МКБР. Соединенные Штаты построили соответствующую стартовую площадку для полярных орбитальных запусков на побережье Калифорнии, к северу от Лос-Анджелеса, на базе военно-воздушных сил Ванденберг.
Физики XIX столетия прекрасно умели решать уравнения для расчета силы тяги и вычислять величину тяги, заключенной в данном количестве жидкого ракетного топлива. Они думали, что доказали невозможность создания орбитальной ракеты. Они обнаружили парадокс, заключавшийся в том, что любая ракета, достаточно большая, чтобы нести в себе необходимое количество топлива, будет слишком тяжелой для этого топлива и не сможет выйти на орбиту. Делайте ракету больше или меньше — любая реальная конструкция, достаточно прочная, чтобы содержать в себе это топливо, будет слишком тяжелой для этого топлива, чтобы с его помощью можно было придать ей орбитальную скорость. Физики и инженеры подходили к решению этой задачи с разных сторон, но она казалась неразрешимой.
Спустя годы, когда Вернер фон Браун и его команда разработали в Германии ракету ФАУ-2, они совершили столько инженерных открытий, что британская разведка сочла первые сообщения о ракете фикцией, все еще доверяясь старым парадоксальным уравнениям. Хотя модифицированная ФАУ-2 смогла достичь космоса, после этого она снова падала на Землю. Но фон Браун знал, что делать дальше.
Русский теоретик Константин Циолковский в начале XX века разрешил этот парадокс, выдвинув идею ступеней. Ракета, построенная с сегментарными топливными баками, по мере того как они пустели, могла сбрасывать их, сокращая общий вес оставшегося на ракете топлива. К тому времени, когда останется последняя ступень, топливо будет необходимо лишь для небольшого космического корабля, и у него будет возможность вывести корабль на орбиту. Но конструирование такого достаточного легкого космического корабля все еще было сложной, но уже выполнимой задачей. Многоступенчатая ракета давала реальный шанс выйти на орбиту.
Полуостров Флорида с борта «Аполлона-7», 7 апреля 1968 года
Это и было решением, которым воспользовались участники космической гонки: первые спутники были выведены на орбиту многоступенчатыми ракетами. Советская Р-7 состояла из основной части ракеты со спутником в носовом конусе, четыре «пристегнутых» дополнительных ускорителя обеспечивали тягу при запуске и сбрасывались, когда топливо сгорало, оставляя центральный ракетный двигатель маршевой ступени, который и вел ракету, которая стала легче, ввысь. Первый американский спутник «Эксплорер-1» был выведен в космос с помощью вертикальной связки из четырех ступеней, если считать и ракету, куда был встроен спутник. Вначале для запуска таких ракет нужно было учитывать буквально последние граммы тяги.
Для размещения более тяжелой полезной нагрузки требовались большие по размеру ракеты, которые и США, и СССР продолжали выпускать в последующие несколько лет. С обеих сторон инженеры искали творческие решения для улучшения полетных характеристик своих ракетных конструкций. Конечно, чтобы ракета поднялась, требовалась минимальная конструкция. Американские конструкторы ракеты «Атлас» решили для экономии веса сделать топливные баки более тонкими не толще монеты в 10 центов. Осуществление такого проекта привело к созданию, по сути гигантского воздушного шара из нержавеющей стали. Этот сверхтонкий бак не мог выдержать даже собственный вес, и консервативные немецкие инженеры команды фон Брауна сомневались в таком радикальном решении. Фокус заключался в том, что построенная таким образом ракета будет прекрасно стоять, пока в ней находится закачанный под давлением воздух или топливо. Подобно воздушному шару, бак, когда заполнился сжатым топливом, становится достаточно жестким, чтобы выдержать даже нагрузки, возникающие при запуске. «Атлас» действительно взлетел, в конце концов, достаточно успешно, чтобы Джон Гленн полетел в своей капсуле «Меркурий» на борту такой ракеты.
С тех пор инженеры ищут все новые ракетные характеристики, создавая легкое топливо, такое как жидкий водород, и более мощные ракетные двигатели разных типов. Однако за последние 50 лет основные принципы ракетостроения не изменились, и чтобы достичь орбиты, ракеты все еще должны быть многоступенчатыми и максимально использовать силу вращения Земли.
Джон Гленн позирует рядом с капсулой «Фрэндшип-7», с которой он вышел на орбиту, февраль 1962 года
6. Оживление космической гонки
Двадцатого февраля 1962 года глаза нации с пристальным вниманием были обращены на мыс Канаверал. В этот день первый американец должен был оказаться на околоземной орбите. Астронавт «Меркурия» Джон Гленн получил желанную отмашку совершить этот полет. Родившийся в штате Огайо, Гленн был пилотом военно-морских сил, боевым ветераном Второй мировой и корейской войн, прославленным летчиком-испытателем. В июле 1957 года Гленн установил новый межконтинентальный рекорд скорости — 3 часа 23 минуты и 8,4 секунды, замечательный воздушный подвиг, его средняя крейсерская скорость была сверхзвуковой. НАСА выбрало Гленна для этой очень рискованной космической миссии в большой степени за то, что он представлял поразительный сплав летного опыта, технического мастерства и кипучей энергии.
В качестве носителя была выбрана модернизированная ракета «Атлас», приспособленная НАСА для пилотируемых полетов. В носовой части Гленн занимал крошечное место в корабле «Фрэндшип-7», маленьком конусообразном командном модуле. Полчища репортеров со всех основных средств массовой информации прибыли на мыс, передавая непрерывные телерепортажи от рассвета до заката. Комфортная температура — около 22 °C — привлекла огромные толпы зевак, которые собрались на близлежащих пляжах, чтобы наблюдать за запуском. Мыс Канаверал приобрел новую славу как плацдарм для американской, все еще неблагополучной космической программы. За четыре года после запуска советского спутника НАСА оставило свой след на мысе в виде монтажно-испытательных корпусов, ангаров, стартовых площадок и вспомогательных полигонов. Большинство американцев смотрели на успешный запуск корабля «Фрэндшип» в рамках проекта «Меркурий» как на возможность восстановить национальный престиж и сократить имеющийся разрыв с русскими.
