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.
Долгожданный полет Гленна откладывался не менее десяти раз. Первый раз НАСА объявило датой запуска 16 января 1962 года. Столкнувшись с техническими трудностями, связанными с топливными баками «Атласа», НАСА отменило назначенную дату. Время запуска назначалось с ошеломляющей непредсказуемостью, а затем в последнюю минуту все отменялось — и так день за днем. Техники НАСА сражались с постоянной технической неразберихой и плохой погодой. Для Гленна и огромной армии зрителей напряжение достигло высшего уровня 27 января, когда обратный отсчет дошел до отметки «осталось 20 минут» — и старт был отложен — на этот раз по велению Господа Бога, так как тяжелые тучи внезапно повисли над полигоном мыса Канаверал.
Январь сменился февралем, а техники НАСА теперь пытались устранить утечку топлива в ускорителе «Атласа». Решив эту проблему, НАСА назначило запуск на 15 февраля — и опять безуспешно, из-за наступившей ненастной погоды. Наконец наступило многообещающее 20 февраля — не было явных технических отказов, и была великолепная погода. Отсрочки, которые назначались при полном стечении народа, усилили общее понимание того, что Соединенные Штаты действительно отстают от русских. Годом раньше русские совершили два орбитальных полета. Первый полет, совершенный Юрием Гагариным, стал поразительным событием — человек впервые полетел в открытый космос. Герман Титов во время своего полета 17 раз облетел Землю. Но даже опережаемое русскими НАСА настойчиво шло по намеченному пути, уверенное в гарантированности конечного успеха, и стремилось убедить в этом же общественность.
