Текст книги "Путешествие к далеким мирам"

Автор книги: Карл Гильзин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 26 страниц)

Жидкостные ракетные двигатели работают в значительно более тяжелых условиях, чем любые другие двигатели: авиационные, автомобильные, судовые и проч. Поэтому жидкостные ракетные двигатели обладают меньшей надежностью, меньшей продолжительностью работы, меньшим сроком жизни. Эти тяжелые условия работы жидкостных ракетных двигателей связаны с тем, что рабочие газы в них имеют высокое давление, необычайно высокую температуру и движутся с колоссальной скоростью.

^{Сравнительная дальность полета ракет, работающих на различных топливах. За единицу принята дальность ракеты, работающей на бензине и азотной кислоте.}

Такие условия работы жидкостных ракетных двигателей делают исключительно важной и сложной проблему их охлаждения. Газы, заполняющие двигатель при давлении в десятки атмосфер и температуре 3000° и даже больше, движутся относительно стенок двигателя, со скоростью, во много раз превышающей в некоторых частях двигателя, например в сопле, скорость звука. Естественно, что стенкам двигателя каждую секунду передается огромное количество тепла. Если это тепло не отводить от стенок двигателя, то они очень быстро прогорят и двигатель моментально выйдет из строя. Ведь не известен ни один материал, который мог бы выдержать такие температуры при подобных давлениях. Вот почему для жидкостных ракетных двигателей важнейшим условием их надежности является хорошая система охлаждения.

Уже сейчас некоторые более калорийные сорта топлива не удается применять из-за трудностей, связанных с охлаждением двигателей. Это объясняется тем, что при использовании более калорийных топлив увеличивается и температура газов в камере сгорания. Именно поэтому, например, двигатель дальней ракеты, описанной в главе 6, работает не на чистом спирте, а на спирте с добавкой 25 процентов воды. Эта добавка снижает температуру газов и облегчает охлаждение, хотя она ухудшает характеристики двигателя, уменьшая его тягу почти на 20 процентов – на 5 тонн.

Понятно, что применение новых, гораздо более калорийных топлив, необходимых для космических кораблей, требует существенного усовершенствования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей.

Одним из перспективных методов охлаждения является так называемое проникающее охлаждение, или «охлаждение выпотеванием», как его иногда называют. В этом случае стенки жидкостного ракетного двигателя изготовляются пористыми, с бесчисленным множеством крохотных отверстий диаметром в тысячные доли миллиметра. Через эти отверстия внутрь двигателя проходит специальная охлаждающая жидкость. При таком методе охлаждения внутренняя поверхность стенок, соприкасающихся с раскаленными газами, покрывается сплошным тонким слоем охлаждающей жидкости, защищающим стенку от перегрева. Стенки как бы «потеют», откуда и произошло название этой системы охлаждения. Возможно, что наиболее горячие части двигателей космических кораблей будут иметь именно такое охлаждение.

Исследования систем охлаждения жидкостных ракетных двигателей ведутся в настоящее время весьма интенсивно. Можно надеяться, что двигатели межпланетных кораблей будут вполне надежно работать в течение нескольких минут или, самое большое, нескольких десятков минут (больше заведомо не потребуется) и на более калорийных топливах будущего.

Конечно, для этого, кроме проблемы охлаждения, придется решить немало других сложных инженерных и научных проблем. Достаточно упомянуть, например, о такой задаче, волнующей в настоящее время ученых и конструкторов жидкостных ракетных двигателей, как обеспечение устойчивого горения, борьба с так называемым пульсационным, или вибрационным, сгоранием. При подобном сгорании в камере двигателя возникают сильные, иногда быстрые, а иногда сравнительно медленные, колебания давления горящих газов. Даже за очень короткое время это может вызвать прогорание стенок камеры, разрушение топливной системы двигателя, полный выход его из строя, не говоря уже о том, что такое сгорание приводит к резкому снижению развиваемой двигателем тяги. К сожалению, изучение явлений, происходящих в двигателе при неустойчивом сгорании, представляет собой исключительно сложную теоретическую и экспериментальную задачу, а ведь без такого изучения невозможно и создание надежного двигателя. Неудивительно, что известнейшие ученые в области автоматического регулирования, сгорания, теории движения газов с огромными скоростями, математики, физики, как и лучшие конструкторы и инженеры, трудятся над решением этой и других задач, связанных с созданием двигателя для межпланетных кораблей будущего.

Так как обычные химические топлива содержат в себе недостаточно энергии для того, чтобы обеспечить скорость истечения газов, необходимую для совершения космических полетов, то понятен интерес, который проявляется учеными, работающими в области астронавтики, к другим возможным источникам энергии, помимо химической. И, конечно, на первом плане стоит проблема использования атомной энергии.

Но вовсе нет нужды ждать, пока будет создан атомный двигатель, пока астронавтикой будет освоено использование атомной энергии, чтобы начать штурм мирового пространства.

Все, что мы знаем о современной реактивной технике, свидетельствует о наличии уже сейчас реальных возможностей для начала такого штурма.

Первым результатам этого штурма и планам дальнейших атак посвящена третья часть нашей книги.

Часть третья
ШТУРМ МИРОВОГО ПРОСТРАНСТВА

…Расстояние от самых безумных фантазий до совершенно реальной действительности сокращается с поразительной быстротой.

М. Горький

Глава 9
АТМОСФЕРА – ПАНЦИРЬ ЗЕМЛИ

Мы обычно не задумываемся над тем, как многим обязаны в своей жизни окружающей нас атмосфере.

При отсутствии атмосферы жизнь на Земле была бы невозможна. Содержащийся в атмосфере кислород необходим для жизнедеятельности любого организма. К счастью, в ней находится огромное количество кислорода, которое все время пополняется растениями. Превращенный в жидкость, кислород атмосферы покрыл бы Землю сплошным слоем толщиной 2,2 метра!

Окружающая нас атмосфера нужна нам не только как источник кислорода. Она обеспечивает и исключительно благоприятные условия для жизни на Земле. Мощный слой атмосферы защищает жизнь, бурлящую на поверхности Земли, от непосредственного сурового воздействия бескрайнего мирового пространства, в котором ничтожной песчинкой плывет наша планета.

В мировом пространстве царит жесточайший холод: температура тела, находящегося в мировом пространстве на большом удалении от звезд – например, на таком, как одна звезда от другой, – была бы близкой к абсолютному нулю, то есть около минус 273°. Только тепловое излучение далеких звезд повысило бы температуру этого тела на несколько градусов по отношению к абсолютному нулю. Не будь атмосферы, температура земной поверхности, не обращенной к Солнцу, достигала бы минус 160°, а под палящими солнечными лучами превышала бы плюс 100°. Именно такие условия существуют, например, на Луне. Каково было бы нам жить на столь неуютной планете?.

Атмосфера, укутывающая Землю как бы толстым пуховым одеялом, служит мощным теплоизоляционным экраном. Но атмосфера – это особый, «хитрый» экран, и ни одно пуховое одеяло с ним сравниться не может. Она пропускает солнечные лучи, мчащиеся к Земле, когда светит Солнце, но не позволяет Земле расстаться с полученным ею теплом, рассеять его в мировом пространстве, когда Солнце заходит. Благодаря атмосфере земная поверхность не подвергается такому резкому охлаждению, а суточные колебания температуры на ней оказываются сравнительно небольшими. Мы живем на Земле как бы внутри гигантского термоса хитроумной конструкции, пропускающего тепло в одну сторону и не пропускающего в другую. И страшно подумать, что было бы без этого «термоса»!

В результате неравномерного нагревания атмосферы в ней возникают воздушные течения и ветры. Энергия ветра с древних времен служит человеку. Благодаря воздушным течениям происходит выравнивание температуры в атмосфере, переносятся с места на место облака и тучи, проливаясь благодатным дождем над колосящимися нивами, создавая круговорот воды, столь необходимый человеку. Атмосфера – это та среда, в которой зарождается земной климат со всеми его особенностями.

Но атмосфера – не только тепловой экран, и не одни только тепловые явления происходят в ней. Наряду с тепловыми лучами Солнце шлет на Землю в изобилии и так называемые ультрафиолетовые лучи. Именно под действием этих лучей наша кожа приобретает тот замечательный бронзовый цвет, который мы называем загаром. Однако некоторая часть ультрафиолетовых лучей вместо пользы может причинить вред. И здесь снова невидимым защитником всего живого выступает атмосфера: она поглощает вредную часть ультрафиолетового излучения Солнца. Если бы поток этих лучей достигал земной поверхности неослабленным, то жизнь на ней, вероятно, была бы невозможной.

Не только от излучения Солнца защищает нас земная атмосфера, смягчая и ослабляя его, отфильтровывая и поглощая вредные лучи. Наука установила, что к нам на Землю со всех сторон из мирового пространства мчатся особые лучи, получившие название космических.

Космические лучи в действительности представляют собой потоки частиц вещества, главным образом ядер атомов водорода, а также гелия и некоторых других химических элементов. Эти частицы мчатся с огромной скоростью. Их энергия в миллионы раз больше энергии, выделяющейся при распаде атомов урана. Если бы не было земной атмосферы, принимающей на себя эту страшную бомбардировку, то не исключено, что неослабленные космические лучи, врываясь в человеческий организм, могли бы причинить ему большой вред. [25]25
  О действии различных видов излучения на человеческий организм подробно говорится в главе 22.


[Закрыть]

Однако эти невидимые стремительные снаряды не достигают земной поверхности – они гибнут в атмосфере, сталкиваясь с атомами составляющих ее газов и рассеивая в ней свою энергию. Лишь «внуки» и «правнуки» частиц, врывающихся в атмосферу, достигают дна воздушного океана – обломки ядер тех атомов, с которыми сталкиваются эти частицы в атмосфере. Энергия частиц, достигающих земной поверхности и пронизывающих не только нас с вами, но и самую Землю на глубину в десятки и сотни метров, огромна, но все же она неизмеримо меньше энергии исходных, первичных частиц. Интенсивность космических лучей у поверхности Земли такова, что они не представляют опасности для людей, и этим мы тоже обязаны земной атмосфере.

Земная атмосфера защищает нас не только от действия смертоносных лучей и бомбардировки невидимыми частицами – мировое пространство бомбардирует Землю и более существенными «снарядами»: небесными камнями – метеоритами. Многие миллионы таких снарядов врываются каждую минуту в земную атмосферу со скоростью в десятки и сотни тысяч километров в час. Это во много раз больше, чем скорость снаряда, вылетающего из ствола артиллерийского орудия. Правда, размеры подавляющего большинства таких снарядов очень невелики – они подобны крохотным песчинкам, но при огромной скорости и песчинки становятся опасными. Если бы не атмосфера, в которой большинство небесных камней разрушается и сгорает, то один только такой каменный «дождь» сделал бы жизнь на Земле невозможной или, по крайней мере, очень опасной.

Без атмосферы не существовало бы звука: мы не могли бы ни говорить, ни слышать. Каким бедным стал бы из-за этого человеческий мир!

А неоценимая служба, которую несет атмосфера, снабжая кислородом бесчисленное множество различных тепловых двигателей, предоставляя опору крыльям самолетов, несущим винтам вертолетов, воздушным шарам!

Наряду с теми услугами, которые оказывает нам атмосфера, делая нашу жизнь на Земле не только возможной, но и окружая ее всяческими удобствами, она является источником многих замечательных красот природы, тысячелетиями воспеваемых поэтами всех народов. Голубой цвет неба, яркая игра красок восхода и заката Солнца, вереницы облаков причудливых очертаний, мерцание звезд, нежность сумерек и неповторимый фейерверк северного сияния – всем этим мы обязаны земной атмосфере.

Всем хороша атмосфера, когда мы имеем в виду жизнь на Земле. Но когда мы собираемся покинуть Землю и совершить межпланетный полет – то она не помогает, а мешает. Куда бы мы ни направили полет межпланетного корабля, он должен пересечь земную атмосферу, пробить этот «панцирь», преодолеть трудности, связанные с очень быстрым полетом в воздухе. Еще большие трудности ждут корабль при его возвращении на Землю.

Чтобы победить врага, надо его знать. Что же представляет собой атмосфера, как высоко простирается она над Землей, какие опасности подстерегают корабль на его пути в атмосфере, как их можно избежать – вот вопросы, которые, естественно, интересуют и конструктора и командира межпланетного корабля.

Земная атмосфера, то есть воздушная оболочка Земли, простирается на огромную высоту. Однако нельзя сказать точно, где кончается атмосфера и начинается мировое пространство: на высоте 100, 1000 или 10 тысяч километров. Атмосфера постепенно, незаметно переходит в мировое пространство, и никакой резкой грани между ними провести нельзя.

С увеличением высоты над Землей плотность атмосферы уменьшается, число молекул воздуха в единице объема становится все меньшим. Основная масса атмосферы находится у самой земной поверхности, на малых высотах. Если мы вырежем из атмосферы вертикальный, бесконечно длинный столбик поперечным сечением в 1 квадратный сантиметр, то вес воздуха в этом столбике будет равен примерно 1 килограмму. Стоит нам отрезать от этого столбика его нижний конец длиной всего в 1 километр, как вес воздуха в столбике уменьшится сразу на 100 граммов, то есть на 10 процентов. Вес воздуха в нижнем конце такого столбика длиной 5,5 километра составит 0,5 килограмма, то есть половину общего веса воздуха в столбике. Нижний конец столбика длиной 18 километров будет заключать в себе  ¹⁴/ ₁₅ всего воздуха в столбике. Если мы поднимемся вдоль такого столбика на высоту примерно 150 километров, то вес воздуха над нами будет равен всего только одной стомиллионной части общего веса воздуха в столбике, то есть примерно одной сотой миллиграмма. Весь остальной воздух будет находиться под нами.

Поэтому можно было бы считать, что уже на таких высотах атмосферы практически нет, однако и на этой высоте в кубическом сантиметре находится все еще примерно 100 миллиардов молекул воздуха. Даже на высотах в тысячи километров еще имеются следы атмосферы, в миллиарды миллиардов раз более разреженной, чем у земной поверхности, – в кубическом сантиметре там находится всего несколько сотен молекул. И даже то, что мы называем обычно безвоздушным мировым пространством, в действительности не вовсе лишено вещества – в нем плавают отдельные молекулы и атомы.

В среднем в 1 кубическом сантиметре этого пространства находится 2–3 атома водорода, который является наиболее распространенным химическим элементом во Вселенной. Имеются атомы и других веществ, но в значительно меньших количествах – на каждую тысячу атомов водорода приходится примерно 100 атомов гелия, второго по распространенности элемента, по 10 атомов приходится вместе на кислород, углерод, азот, неон и по 2–3 атома вместе на другие элементы, такие, как железо, калий, кальций, кремний, магний и пр. Выходит, что по плотности атмосферы нельзя установить ее границу – она может быть только условной. [26]26
  В этой связи интересно упомянуть о гипотезе американского ученого Чепмена, по которой земная атмосфера постепенно переходит в… солнечную. По мнению этого ученого, высказанному им в 1957 году, солнечная атмосфера простирается далеко за орбиту Земли. По расчетам, на этом расстоянии от Солнца его атмосфера имеет плотность порядка 1000 частиц на 1 куб. сантиметр и температуру более 200 000°. Эта гипотеза удовлетворительно объясняет некоторые до сих пор не объясненные явления, в частности тепловые потоки в ионосфере. Конечно, гипотеза должна поучить дальнейшее подтверждение, чтобы считать ее серьезной научной теорией.


[Закрыть]

Немногим поможет нам в определении границ атмосферы использование и других ее свойств. Если, например, иметь в виду «комфортные» свойства атмосферы, то есть те ее свойства, которые создают благоприятные условия для жизни людей, то граница атмосферы будет лежать очень недалеко от земной поверхности.

Уже на сравнительно небольших высотах человек испытывает «кислородное голодание» в связи с уменьшением содержания кислорода в окружающем воздухе. На поверхности Земли из общего давления атмосферы 760 миллиметров ртутного столба примерно 160 миллиметров приходится на долю кислорода, остальное – на долю азота. Когда высота над уровнем моря становится равной 4 километрам, давление кислорода в воздухе снижается примерно до 100 миллиметров ртутного столба. Дальнейшее увеличение высоты приводит к тому, что с вдыхаемым воздухом в легкие попадает слишком мало кислорода. Недостаток кислорода прежде всего начинают ощущать клетки головного мозга, наиболее нуждающиеся в непрерывном подводе этого «жизненного газа». Вот почему на высоте примерно 4 километров летчик должен надеть кислородную маску, чтобы восполнить недостаток кислорода подводом его из баллона или газификатора жидкого кислорода. Такая маска помогает делу примерно до 10–11 километров, а при дальнейшем увеличении высоты даже вдыхание чистого кислорода не устраняет кислородного голодания. На высоте примерно 15 километров поступление кислорода в кровь прекращается вовсе, так как на этой высоте легкие оказываются заполненными продуктами дыхания и свежий воздух в них не проникает – его давление оказывается недостаточным для этого. Вот эту-то высоту и можно считать границей атмосферы с точки зрения дыхания. Как показывает опыт, на высоте 15 километров даже тренированный человек теряет сознание из-за кислородного голодания через 10–15 секунд, причем это время не меняется при дальнейшем увеличении высоты. Только исключительная физическая выносливость Коккинаки позволила ему достичь высоты 14,5 километра в рекордном полете 21 ноября 1935 года.

^{Строение земной атмосферы.}

Но не только удушение вследствие недостатка кислорода грозит человеку при увеличении высоты. Оказывается, на больших высотах даже самый хладнокровный человек рискует… вскипятиться, только не в переносном, а в буквальном смысле. Уже на высотах порядка 8 километров у человека начинаются так называемые декомпрессионные расстройства, связанные с уменьшением атмосферного давления. Эти расстройства аналогичны «кессонной болезни» водолазов. При этом газы, заключенные в жидкостях и тканях человеческого тела, начинают выделяться из раствора, образуя пузырьки. Это касается прежде всего азота в крови и в тканях, в особенности жировых, а также углекислоты, водяных паров и др. Такие газовые пузырьки образуются в кровеносных сосудах, в полостях суставов, в тканях, вызывая нарушение нормальной деятельности органов человеческого тела и причиняя нестерпимую боль.

По мере снижения атмосферного давления выделение газов увеличивается, но настоящая катастрофа происходит, когда давление окружающего воздуха становится равным 47 миллиметрам ртутного столба, что соответствует примерно высоте 19 километров. Когда давление снижается до этой величины, температура кипения воды, которая, как известно, уменьшается при уменьшении давления, снижается как раз до 37°, то есть до температуры человеческого тела. Это значит, что все жидкости в человеческом теле начинают кипеть, переходить в парообразное состояние (в действительности картина более сложна, в частности, углекислота приводит к кипению при меньших температурах). Опыты, проведенные на собаках, убедительно показали, что дело происходит именно так. Когда подопытных собак подвергали внезапной декомпрессии, понижая давление с нормального или слегка пониженного до 30 миллиметров ртутного столба, что соответствует примерно высоте 22 километра, то через 30 секунд подкожная клетчатка начинала быстро вздуваться. Не более чем через минуту после этого прекращалось дыхание, еще через минуту останавливалось сердце. Так физиология человеческого организма устанавливает еще одну границу атмосферы и начало Космоса.

Фильтрующее действие атмосферы проявляется на несколько больших высотах. Космические лучи оказываются почти неослабленными уже на высоте 20–25 километров; ультрафиолетовые лучи Солнца – на высоте свыше 30–35 километров. Серьезных неприятностей от встреч с метеоритами можно ожидать на высоте 100–110 километров – именно на этой высоте обычно вспыхивают «падающие звезды».

Таким образом, с точки зрения перечисленных выше свойств атмосферы мировое пространство начинается уже на высоте 15–20 километров и становится «абсолютным» на высоте свыше 100 километров. Однако некоторые явления в атмосфере происходят на гораздо больших высотах – в частности, северные сияния полыхают на высотах до 1000 и даже более километров (наибольшая зарегистрированная высота равна 1200 километрам).

Сопротивление, которое оказывает атмосфера какому-нибудь телу, передвигающемуся в ней с определенной скоростью, зависит от плотности воздуха. На тех высотах, где плотность становится ничтожно малой, и сопротивление оказывается исключительно малым. Можно полагать, что это относится уже к высотам порядка 100 километров, [27]27
  На этой высоте давление и плотность воздуха в 10 миллионов раз меньше, чем на Земле.


[Закрыть]однако некоторые ученые считают, что при полетах с огромной, космической скоростью сопротивление воздуха должно не только приниматься в расчет, но что оно может играть относительно большую роль даже на высоте многих сотен километров.

Обычно считают, что с высоты 800 – 1000 километров начинается уже так называемая зона рассеяния. Из этой зоны часть молекул воздуха улетучивается в мировое пространство, чтобы рассеяться в нем. Воздух в этой зоне так разрежен, что молекула пролетает сотни километров до очередного столкновения с какой-нибудь другой молекулой. Эти столкновения там почти отсутствуют, тогда как у земной поверхности столкновения молекул происходят сотни тысяч раз на пути в 1 сантиметр.

Строение земной атмосферы неоднородно, и межпланетная ракета, пересекающая атмосферу, будет переходить из одной ее зоны в другую, как альпинист, пересекающий различные климатические зоны при высокогорном восхождении.

Ближайший к земной поверхности слой атмосферы, так называемая тропосфера, имеет высоту 7-18 километров, в зависимости от времени года и географической широты (меньше – на полюсе, больше – на экваторе). Тропосфера – это кузница погоды; в ней, в основном, происходят процессы, определяющие погоду: зарождаются дожди, ветры, туманы. Температура воздуха в тропосфере, по мере увеличения высоты, непрерывно падает, достигая минус 50–60° на верхней границе тропосферы. Это объясняется тем, что тропосфера нагревается теплом, которое излучает земная поверхность: чем дальше от этой «печки», тем холоднее воздух. В тропосфере находится около 80 процентов всей атмосферы.

Выше тропосферы начинается стратосфера, хотя часто различают еще небольшой промежуточный слой – тропопаузу. Было время, когда считали, что температура воздуха в стратосфере с высотой не меняется, оставаясь равной примерно минус 60°, а затем постепенно снижается, так что у границ атмосферы уже царит холод мирового пространства. В действительности же оказалось, что мороз в 60° сохраняется лишь до высоты 30–40 километров, а затем температура воздуха начинает вдруг повышаться, достигая на высоте 50–60 километров примерно нуля градусов. Вслед за этим температура опять резко падает: на высоте 80 километров уже снова мороз, да такой крепкий, что и на полюсе холода, в якутском селении Оймяконе, подобного не бывает, – минус 80° и более. [28]28
  Именно на этой высоте обнаруживаются так называемые светящиеся облака, которые, по теории советских ученых, созданной в 1951 году, состоят из мелких кристалликов льда, образующихся на этих высотах. Кстати сказать, только в 1958 году впервые удалось зафиксировать на Земле такие низкие температуры воздуха – в районе антарктической научной станции «Восток» 26 июля была измерена температура воздуха минус 87,4°, представляющая собой, по-видимому, абсолютный минимум температуры на земном шаре.


[Закрыть]Но это уже последнее снижение. Здесь температура снова начинает расти: на высоте 200 километров она достигает плюс 800-1000°, а на высоте 1000–1100 километров становится равной 3000°. По мнению некоторых ученых, на еще больших высотах температура воздуха достигает десятков тысяч градусов.

Это оказывается не только неожиданным, но, на первый взгляд, и очень грозным обстоятельством для будущих межпланетных путешественников. Неужели межпланетному кораблю придется сотни километров лететь в условиях, существующих в топках котлов или в мартеновских печах, если не худших? К счастью, на самом деле все обстоит совсем иначе, и никаких «зон огня» межпланетному кораблю преодолевать не придется – понятие температуры на очень больших высотах становится иным, чем у Земли.

На этих высотах воздух так разрежен, что о поверхность ракеты каждое мгновение будет ударяться только сравнительно небольшое число молекул, а ведь именно эти удары и повышают температуру оболочки ракеты. В то же время оболочка ракеты будет терять много тепла из-за его излучения в окружающее пространство. Вследствие этого на таких больших высотах никакой «жары», конечно, нет, и температура поверхности ракеты будет там даже ниже, чем на меньших высотах, если только она не накаляется лучами Солнца. В этом случае ее температура может превышать 100°.

Наши знания о верхних слоях атмосферы все время обогащаются. Немалую роль в этом играют изобретенные советским ученым П. А. Молчановым воздушные шары – радиозонды, первый полет которых был осуществлен в 1930 году. Все большее значение приобретают предложенные еще Циолковским высотные метеорологические ракеты. Ценные сведения наука уже сумела получить с помощью первых искусственных спутников Земли и в результате полета советской космической ракеты.

Было время, когда думали, что в стратосфере вовсе нет ветров и царит мертвый штиль. Оказалось, что это не так. В стратосфере дуют ветры со скоростью 300–400, а на больших высотах – даже до 1500 километров в час. Эти ветры, неспособные пошевелить даже волосы на голове – так там разрежен воздух, – отличаются исключительным постоянством: они почти всегда дуют на восток. Раньше считали также, что стратосфера не оказывает никакого влияния на земную погоду, – это тоже оказалось ошибочным.

Стратосфера простирается до высоты примерно 70–80 километров и содержит в себе почти все оставшееся количество воздуха, то есть 20 процентов. Вся атмосфера, лежащая выше стратосферы на многие сотни километров в высоту, заключает в себе менее 0,5 процента общего количества воздуха в атмосфере.

Совершенно особую, исключительно важную роль в нашей жизни играет первая половина стратосферы благодаря тому, что она содержит в большом количестве озон. [29]29
  Спасительный слой озона, простирающийся от поверхности Земли до 60 километров вверх, на уровне моря имел бы толщину всего около 2–3 миллиметров. 60 процентов всего озона находится на высотах от 16 до 32 километров, а его максимальная концентрация соответствует высоте около 25 километров.


[Закрыть]Молекулы озона, состоящие из трех атомов кислорода, поглощают коротковолновое (так называемое жесткое) ультрафиолетовое излучение Солнца. Этот слой озона является фильтром, защищающим нас от опасных, неослабленных солнечных лучей.

На больших высотах, начиная примерно с 70 километров, атмосфера состоит в основном не из обычных молекул воздуха, а из ионов, то есть молекул и атомов, имеющих электрический заряд. Поэтому верхние слои атмосферы называют обычно ионосферой. Ионы появляются на этих высотах главным образом под действием ультрафиолетовых лучей Солнца, отрывающих от обычных молекул воздуха электроны. Действием ультрафиолетового излучения объясняется и повышение температуры воздуха с высотой, а также то, что на очень больших высотах молекул кислорода и азота уже нет: они распадаются на атомы. По существу, земная атмосфера – это огромный электрохимический завод: в его цехах, то есть в разных слоях атмосферы, происходят сложные процессы образования различных веществ с использованием энергии Солнца.

Слои ионосферы, расположенные на различных высотах, обладают неодинаковыми свойствами, в частности электромагнитными, и потому, например, по-разному влияют на распространение радиоволн. Так называемый  D-слой ионосферы, находящийся на высоте 70–90 километров, отражает длинные радиоволны;  E-слой, расположенный на высоте 100–120 километров, – средние;  F-слой, лежащий на высоте 200–300 километров, – короткие. Эти слои ионосферы различаются своим составом и степенью ионизации. [30]30
  Исследования с помощью высотных ракет показали, что электрически заряженной является вся ионосфера, а не только отдельные ее слои. Указанным слоям соответствуют максимумы электронной концентрации.


[Закрыть]Поэтому они по-разному и влияют на распространение радиоволн. Волны ультракоротковолнового диапазона, длиной примерно от 1 сантиметра до 20 метров, в значительной степени проходят через ионосферу. Это позволит в будущем установить радиосвязь между Землей и кораблями, летящими в мировом пространстве, но зато препятствует дальнему радиовещанию на этих волнах и, в частности, передачам телевидения на большие расстояния.

Наличие земной атмосферы усложняет проблему межпланетного полета. Это связано главным образом с сопротивлением, которое оказывает воздух передвигающемуся в нем телу. Из-за него для совершения межпланетного полета понадобится затратить большую энергию, чем это необходимо для сообщения межпланетному кораблю скорости отрыва. Это равносильно необходимости сообщить кораблю какую-то дополнительную скорость, которая будет зависеть от скорости полета корабля в атмосфере – она тем меньше, чем меньше эта скорость, – а также от формы корабля и траектории полета. Для оценки величины дополнительной скорости можно принять, что она не будет превышать 1 километр в секунду, то есть около 10 процентов от скорости отрыва. Но гораздо более серьезные неприятности будет причинять атмосфера межпланетному кораблю в связи с его нагревом при полете в воздухе с большой скоростью. Ни конструктор, ни командир межпланетного корабля не имеют права ни на минуту забывать об этой опасности, которая может стать роковой.

Однако атмосфера может сослужить и хорошую службу межпланетному кораблю, – нужно лишь умело использовать ее свойства.

Так, например, при посадке на Землю торможение в атмосфере будет гасить скорость межпланетного корабля без затраты на это топлива, а при взлете может оказаться выгодным использование воздушно-реактивных двигателей, расходующих гораздо меньше топлива, чем ракетные.

Несколько неожиданные, может быть, перспективы использования свойств атмосферы на службе астронавтике (впрочем, это в такой же мере касается и авиации) открывают результаты недавних опытов, проведенных в США. Эти опыты подтвердили высказывавшиеся ранее некоторыми учеными предположения о том, что происходящая в верхних слоях атмосферы диссоциация, то есть распад, молекул воздуха на атомы, под действием солнечного излучения открывает принципиальные возможности использования запасенной в атмосфере в результате этого процесса солнечной энергии. Действительно, если диссоциация молекул происходит с затратой больших количеств энергии, излучаемой Солнцем, то при обратном процессе воссоединения, или, как говорят, рекомбинации атомов в молекулы, эта энергия может быть выделена вновь. Такая рекомбинация, вероятно, идет в природе естественным путем, вызывая известное явление свечения ночного неба. Но эта реакция оказывается очень медленной. Ускорить ее можно было бы с помощью какого-нибудь катализатора, как это часто делается в химии. Но как забросить такой катализатор на высоту в десятки километров? Вот тут-то ученые и обратились за помощью к ракетной технике.

В 1956 году в США были осуществлены запуски высотных ракет, на которых находилось некоторое количество химического вещества, могущего служить катализатором для ускорения реакции воссоединения атомов кислорода в молекулы. Вначале таким веществом служила окись азота, в последующих опытах – пар металлического натрия. В обоих случаях выпущенный из ракеты на большой высоте катализатор действительно вызывал бурную реакцию рекомбинации, о которой можно было судить по яркому свечению ночного неба. Интересно, что рекомбинация атомов атмосферных газов может происходить и непосредственно на поверхности летящей ракеты. Такое свечение и наблюдалось при движении ракеты на высотах 150–200 километров в темную безлунную ночь – в иных условиях его увидеть нельзя, так оно слабо. Кстати сказать, в 1957 году удалось получить, тоже с помощью натрия, свечение атмосферы и на значительно меньших высотах, порядка 25–27 километров. Здесь свечение было результатом реакции с участием озона, количество которого на этих высотах максимально.