скачать книгу бесплатно
Путешествия к Луне
Коллектив авторов
Книга рассказывает о Луне: о ее наблюдениях с помощью телескопа, об изучении ее поверхности и недр автоматическими аппаратами и о пилотируемых экспедициях астронавтов по программе «Аполлон». Приведены исторические и научные данные о Луне, фотографии и карты ее поверхности, описание космических аппаратов и детальный рассказ об экспедициях. Обсуждаются возможности изучения Луны научными и любительскими средствами, перспективы ее освоения.
Книга предназначена тем, кто интересуется космическими исследованиями, приступает к самостоятельным астрономическим наблюдениям или увлечен историей техники и межпланетных полетов.
Путешествия к Луне
Посвящается тем, кто мечтал о Луне, и тем, кто побывал на ней.
Предисловие
Завершившийся 2009 год для исследователей Луны особенный: 400 лет назад телескоп Галилея открыл нам Луну как планету с ее оригинальной и до сих пор еще не разгаданной природой; 50 лет назад начался ракетный штурм Луны, а 40 лет назад человек впервые ступил на ее поверхность. Сегодня автоматы исследуют Луну, а люди готовятся к новым – теперь уже долговременным – экспедициям к нашему вечному спутнику. Луна стала первым из внеземных миров, с которым соприкоснулся человек. Первым и до сих пор единственным: дальше пошли только автоматы. И хотя принято говорить, что будущее человечества – в космосе, в действительности это не очевидно. Космическая среда крайне враждебна для человека. Полеты в дальний космос требуют колоссальных ресурсов и пока еще не дают адекватной отдачи. Экспедиции к Луне должны показать, насколько оправданы полеты человека в космос, насколько безопасны они для самого человека и для экологии Земли, и нет ли смысла ограничиться использованием роботов для изучения и эксплуатации космического пространства.
Но как бы ни была решена эта проблема в будущем, мы с вами, уважаемые читатели, навсегда останемся в истории человечества как первое поколение людей, вышедшее в космическое пространство и достигшее иных небесных тел. Авторы посвящают эту книгу тем, кто сделал возможными и сам осуществил первые шаги человечества в космос.
В. Г. Сурдин. Планета Луна
1.1. Луна – наше второе Солнце
«Джентльмены, каждый из вас, конечно, видел Луну или, по крайней мере, слышал о ней», – такими словами президент Барбикен из романа Жюля Верна начал свою знаменитую речь перед членами «Пушечного клуба» в Балтиморе (штат Мэриленд), доказывая целесообразность посылки снаряда на Луну. Не прошло и ста лет с момента публикации замечательного произведения французского мечтателя «С Земли на Луну» (1865 г.), как к Луне действительно были посланы «снаряды», подтвердившие не только идею, но и многие технические детали, рожденные фантазией писателя. А спустя еще полвека, то есть в наши дни, уже ведутся разговоры не только об исследовании Луны, о сооружении на ней постоянно действующих научных станций, но также и об эксплуатации ее ресурсов и даже – чего бы очень не хотелось! – о разделе лунной территории. И это при том, что наши современники, за исключением настоящих любителей астрономии, знают о Луне не больше, чем люди XIX в. Яркое городское освещение мешает многим из нас замечать на небе Луну, так что едкая реплика Барбикена «…или, по крайней мере, слышал о ней» не потеряла актуальности.
А в самом деле, так ли уж важна для городского жителя Луна? Сегодня мы, наверное, и не заметили бы ее исчезновения с небосклона, но еще недавно… Мудрый Козьма Прутков говорил, что Луна важнее Солнца, ибо Солнце светит днем, когда и без того светло… В этой шутке виден глубокий смысл: когда-то Луну называли «ночным светилом»; для многих людей она действительно была, а для некоторых и сегодня остается важнее Солнца. Например, жители южных степей и пустынь высоко ценят лунные ночи, дающие им возможность путешествовать, не страдая от дневного зноя.
Рис. 1.1. Восход полной Луны – незабываемое зрелище! Фото: Stefan Seip.
Чем внимательнее мы изучаем окружающую природу, тем больше пользы замечаем от присутствия Луны рядом с Землей. Биологи даже предполагают, что вызванные Луной морские приливы способствовали выходу жизни из вод на сушу, а значит, и нашему с вами появлению. Астрономические расчеты показывают, что в далеком прошлом Луна была значительно ближе к Земле, чем сегодня, вызванные ею приливы были намного выше и оказывали более сильное влияние на жизнь прибрежной полосы.
Благотворное влияние Луны заметно и в наши дни: астрономы выяснили, что под действием гравитации Луны постоянно замедляется вращение Земли и тем самым удлиняются сутки. В отдаленном прошлом земные сутки длились всего несколько часов. В будущем же Луна обеспечит нам сутки продолжительностью более нынешнего месяца. Если в ту далекую эпоху кофе еще будет в изобилии, то за такой длинный день мы станем успевать многое, а в течение столь же длинной ночи обязательно найдем время, чтобы полюбоваться Луной. Возможно, появятся даже особые туристические маршруты в то полушарие Земли, над которым постоянно будет видна Луна: ведь ее бег относительно земной поверхности в далеком будущем остановится.
Рис. 1.2. Две ночные красавицы – Венера и Луна. Фото: Jay Ouellet.
Прошу у читателя прощения за шутливый тон. Просто я очень люблю эту загадочную планету, волею судьбы расположенную так близко от нас. Впрочем, если вы держите в руках эту книгу, значит, и вам Луна не безразлична. Трудно угадать, когда и как Луна впервые привлекла ваше внимание. Каждый из нас по-своему «лунатик»; у каждого был свой путь к Луне…
Мои сверстники и я выросли в докомпьютерную эпоху, когда никакой «виртуальной реальности» еще не существовало и даже телевизор был редким устройством, а его черно-белое изображение – скверным. Нечасто нам попадались и детские иллюстрированные книги, поэтому с большинством природных явлений мы впервые знакомились, что называется, вживую. Моя близкая встреча с Луной произошла 40 лет назад, когда я смотрел в самодельный телескоп. Испытанное тогда потрясение было одним из мотивов, которые позже привели к выбору профессии астронома и к неугасающему желанию путешествовать по Луне. С тех пор я часто «путешествовал» по ней, сидя у окуляра уже вполне профессионального телескопа, а в последние годы – еще и у монитора, виртуально участвуя в захватывающе увлекательных экспедициях роботов и астронавтов. При этом каждый раз я думаю о том, какое это везение – наличие у Земли такого замечательного спутника. Ведь ничего подобного нет ни у одной из планет земной группы: Меркурий и Венера вообще лишены спутников, а марсианские Фобос и Деймос – просто карлики, никакого сравнения с нашей Луной! К тому же они весьма опасны: как известно, Фобос постепенно приближается к Марсу и со временем упадет на него.
А теперь давайте поговорим о Луне всерьез. В этой книге мои коллеги и я хотим рассказать о Луне самое главное, мы хотим познакомить вас с ней поближе – ведь это ближайшая к нам планета. Правда, мы называем ее спутником Земли, но это еще спорный вопрос – кто чей спутник. Ни у одной из планет, кроме нашей, нет такого относительно крупного спутника: астрономы нередко называют Землю и Луну «двойной планетой». Даже по абсолютным параметрам – размеру, массе – она не так уж сильно уступает Меркурию и Марсу. Так что, не будь она связана с Землей, Луна вполне могла бы встать в один ряд с другими планетами земной группы.
К Луне проявляют особый интерес люди нескольких профессий. В первую очередь планетологи. Ведь Луна – настоящий музей истории Солнечной системы. Вода, ветер и движение земной коры быстро уничтожают на Земле следы космических происшествий и память о собственной «жизнедеятельности» Земли, а на лунной поверхности такие следы сохраняются миллиарды лет. Мы сможем многое узнать о прошлом Земли, если будем внимательно изучать Луну. Не исключено даже, что мы найдем там древние образцы с Земли – ведь обнаруживаем мы на Земле метеориты с Луны. Есть надежда, что на Луне обнаружится и вещество комет, причем не с поверхности их ядер, а из самой их сердцевины: ведь при ударе о Луну ядро кометы должно разрушаться. Планетологи надеются, что по Луне они «прочитают» историю Солнечной системы.
И у астрофизиков свой интерес к Луне. Им, в общем-то, не очень важно, откуда она взялась; главное – ее можно использовать для научных исследований. Во-первых, Луна – отличная заслонка: это знает каждый, кто любовался солнечной короной во время затмения. Луну в качестве «ширмы» астрофизики особенно часто использовали в период развития радиоастрономии, и до сих пор используют в рентгеновской и гамма-астрономии для сканирования тех объектов, тонкую структуру которых не может разрешить телескоп. Даже в оптической астрономии, для которой характерна высокая четкость изображений, Луна еще служит полезным экраном при измерении размеров звезд и структуры тесных звездных систем: скрываясь за краем лунного диска или появляясь из-за него, звезда последовательно демонстрирует разные части своей поверхности. В ближайшее время астро-физики намерены использовать Луну как детектор космических частиц и гравитационных волн, а также для проверки общей теории относительности Эйнштейна и вообще для обнаружения тонких гравитационных эффектов. Ведь сегодня с помощью лазерного луча расстояние до Луны измеряется с точностью до нескольких миллиметров!
Рис. 1.3. Так в конце XIX в. астрономы представляли себе лунный пейзаж. В целом недалеко от истины, хотя крутизна склонов существенно преувеличена. Поверхность Луны очень древняя, поэтому рельеф там выровнялся. Художник верно передал особенность лунного неба: днем на нем можно увидеть звезды. Правда, на фотографиях, доставленных с Луны, звезд не видно: слишком коротка экспозиция. Зато астронавты «Аполлона-16» изучали их (днем!) в телескоп. Рисунок из книги «Recreations in Astronomy» (1879) Н. D. Warren D. D.
Низкая, но все же вполне ощутимая сила тяжести делает Луну привлекательной для космонавтики: там есть сырье для производства и энергия солнечного света, есть возможность укрыться под поверхностью от космической радиации и перепадов температуры. Работать на поверхности или под поверхностью Луны существенно удобнее, чем в открытом космическом пространстве, не имея точки опоры. Поддерживать физическое состояние человека на Луне значительно легче, чем в невесомости. Старт ракеты с лунной поверхности намного проще и дешевле, чем с Земли или даже с околоземной орбиты. Поэтому на начальном этапе освоения Солнечной системы, которое еще впереди, роль Луны будет очень важна.
Как видим, Луна полезна, интересна и загадочна. Но мы до сих пор мало знаем о ней, хотя и начали изучать ее раньше, чем, например, океанское дно.
Рис. 1.4. Кто бы из нас не хотел побродить по террасам этих удивительных кратеров, тем более, что рюкзак будет в 6 раз легче, чем на Земле? На обратной стороне Луны, где расположены эти кратеры (10° ю. ш., 162° в. д.), не ступала пока нога человека и даже не прилунялся ни один автомат. Фото: «Аполлон-10».
Детальные карты видимого полушария Луны были составлены в начале XIX в., а столь же детальные карты дна океанов Земли – только к концу XX в. Однако возможности наземной астрономии по изучению Луны довольно быстро оказались исчерпаны. Наступила эпоха ее прямого изучения с помощью роботов и астронавтов. Это дорогостоящие экспедиции, но результаты себя оправдывают. Важно, что ученые уже поняли: Луна – такой же доступный и интересный объект, как глубоководные разломы или купол Антарктиды. Туда можно планировать экспедиции и находить для них средства.
Не правда ли, странно, что лунные экспедиции стали реальностью практически тогда же, когда исчезли белые пятна на карте Земли? Но если задуматься, и то и другое – в прямом смысле слова дело техники. Сравнительно недавно мы поняли, что по-настоящему недоступных уголков на Земле больше нет. Прошли те жюль-верновские времена, когда кругосветное путешествие за 80 дней казалось почти фантастикой. Сегодня в любую часть Земли простой смертный может попасть всего за несколько дней. Но ведь за несколько дней можно добраться и до Луны! Еще 40 лет назад на экспедицию к Луне – туда и обратно – астронавты тратили всего неделю. Рекордно короткую командировку к Луне осуществил экипаж «Аполлона-13» в 1970 г.: туда и обратно за 5 суток и 23 часа. Правда, астронавты не прочь были бы задержаться там подольше, но так уж вышло…
Разумеется, большинству из нас не доведется побывать на Луне, равно как и в Антарктиде, и на вершинах Гималаев и даже в Новой Зеландии, но все же мы стремимся составить представление об этих экзотических уголках Земли. А вот о соседней планете – о Луне – знаем до обидного мало.
1.2. Знакомство с Луной
Итак, Луна. Кажется, только астрономы, изучающие далекие галактики и слабосветящиеся туманности, не любят ее, особенно в полнолуние: лунный свет делает невидимыми эти объекты. Все остальные жители Земли любят Луну и воспевают ее: вспомните хотя бы картину Куинджи «Лунная ночь на Днепре» или его же «Дарьяльское ущелье. Лунная ночь». Но даже не склонные к романтике естествоиспытатели небезразличны к Луне, которая, как оказалось, в целом весьма благотворно влияет на нашу планету.
Нужно признать, что в современном человеке мало осталось того благоговейного чувства, с которым наши предки относились к Луне. Для них она служила мерой многих вещей. Не случайно на санскрите Луна называется «мас», то есть измеритель, не случайно латинское mensis — месяц – тесно связано со словом mensura – мера. Все древние календари работали от «лунного механизма». Наши месяцы и недели – прямые потомки лунного (синодического) месяца и лунных фаз – так называемых четвертей. Возраст Луны в отдельных фазах от момента новолуния следующий:
первая четверть…….7 суток
полнолуние……….15 суток
последняя четверть……22 суток
Смена лунных фаз вызвана изменением взаимного расположения Луны и Земли при их движении относительно Солнца. Угловое расстояние между направлениями Луна – Земля и Луна – Солнце принято называть фазовым углом. Это один из важнейших параметров в фотометрических исследованиях Луны (см. главу 2). Полный цикл смены лунных фаз называют синодическим месяцем; его продолжительность (29,53 сут.) немного больше периода обращения Луны вокруг Земли (сидерический месяц, 27,32 сут.), поскольку сама система Земля-Луна обращается вокруг Солнца. Период вращения Луны вокруг оси равен периоду ее обращения вокруг Земли, поэтому Луна всегда повернута к Земле одной стороной.
Рис. 1.5. Фотографии Луны в различных фазах: 1 – молодая Луна (лунный серп, полумесяц), своей выпуклой стороной он всегда обращен в сторону Солнца; 2 – первая четверть; 3 – растущая Луна; 4 – полнолуние; 5 – убывающая Луна; 6 – последняя четверть.
Спустя несколько дней после новолуния вечером на западе виден яркий лунный серп. В это время, приглядевшись, можно заметить слабое свечение темной части лунного диска, так называемый пепельный свет Луны: это солнечный свет, отраженный дневным полушарием Земли, слабо освещает темную сторону Луны. Впрочем, этот свет не очень-то слаб: полная Земля освещает Луну примерно в 60 раз сильнее, чем полная Луна освещает ночную Землю. Фактически на видимой стороне Луны не бывает темных ночей. Даже в отсутствие Солнца там можно гулять, читать и работать при свете Земли. Этим видимая сторона выгодно отличается от обратной. Хотя для астрономов по этой же причине привлекательна именно обратная сторона Луны.
Вокруг своей оси Луна вращается с постоянной скоростью, а вот вокруг Земли она обращается по эллиптической орбите неравномерно: в перигее – быстрее, в апогее – медленнее. К тому же экваториальная плоскость Луны наклонена к плоскости ее орбиты в среднем на 6° 41?. А кроме этого, сам наблюдатель движется в результате вращения Земли. Все это приводит, с точки зрения земного наблюдателя, к небольшим видимым покачиваниям Луны по долготе и широте, так называемым либрациям. В результате либраций земной наблюдатель в течение месяца может увидеть почти 60 % площади лунного шара. Но оставшиеся 40 % с Земли не видны никогда.
Рис. 1.6. Последовательные положения Земли и Луны на своих орбитах и соответствующие им фазы Луны с точки зрения земного наблюдателя.
В течение года высота Луны над горизонтом в наших средних широтах заметно меняется: зимой она поднимается значительно выше, чем летом. Вызвано это тем, что Луна перемещается вблизи эклиптики, наклоненной к небесному экватору на 23,5°. Поэтому в фазе полнолуния, когда положения на небе Луны и Солнца противоположны, Луна видна на 23,5° выше экватора зимой и ниже его – летом. К этому добавляется еще небольшой наклон лунной орбиты к эклиптике, примерно на 5°, так что полный размах в высоте Луны над горизонтом достигает у нас ±29°. Отчасти именно этим объясняется известная погодная примета «Луна на небе – к морозу». Летом полная Луна видна недолго, поздно восходит и рано заходит за горизонт, да и поднимается невысоко. Поэтому летом мы ее почти не видим. Зато зимой Луна видна всю ночь и стоит высоко в небе. Прибавьте к этому тот факт, что в ясную ночь, когда Луна видна, земля и воздух быстро остывают из-за потерь тепла в виде инфракрасного излучения. Вот вам и научное объяснение народной приметы.
Еще несколько цифр, характеризующих Луну. Размер Луны почти вчетверо меньше земного. Площадь поверхности лунного шара составляет всего 7,4 % поверхности Земли, то есть незначительно превышает площадь Африканского материка. Сила тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле; это сильно облегчает разведку ее поверхности автоматическими и пилотируемыми экспедициями. Вторая космическая скорость на поверхности Луны 2,4 км/с; именно с такой скоростью падает на нее исследовательский зонд при неуправляемом спуске. Скорость спутника на низкой круговой окололунной орбите 1,7 км/с; именно такую скорость должен набрать взлетающий с Луны аппарат, чтобы выйти на промежуточную орбиту, а чтобы с нее отправиться к Земле, ему придется еще добавить 0,7 км/с. Взлет с Луны облегчается отсутствием у нее атмосферы, но посадка на Луну по этой же причине затруднена: невозможно использовать парашют.
Стоя на ровной поверхности Земли, например на берегу океана, мы видим горизонт примерно на расстоянии 5 км. На Луне же до линии горизонта всего 2,6 км, хотя найти там ровное место труднее, чем на Земле. Близость горизонта затрудняет радиосвязь на больших расстояниях, ведь на отражение радиоволн от ионосферы рассчитывать не приходится. Вообще отсутствие атмосферы осложняет работу на лунной поверхности: требуется защита от солнечного ультрафиолета, космических лучей и микрометеоритов. Не приходится рассчитывать на воздух как на охлаждающий агент, не говоря уже о дыхании. К тому же почти отсутствует рассеянный свет, отчего пейзаж выглядит очень контрастным. В верхнем слое грунта велики суточные перепады температуры: от +(100…120) °С днем до – (150…170) °С ночью. Но лунный реголит – очень хороший теплоизолятор. На глубине более 1 метра ниже поверхности суточные колебания температуры почти не ощущаются: там постоянно -40 °C в средних широтах и -25 °C в районе экватора. Но на полюсах значительно холоднее. Сезонных колебаний «погоды» на Луне нет, поскольку ее экватор лежит практически в плоскости эклиптики, то есть максимальная высота Солнца над горизонтом в течение года не меняется.
Таковы суровые условия на лунной поверхности. Тем не менее приятно то, что эта поверхность оказалась достаточно твердой для работы на ней автоматов и человека; ведь накануне космической эры поверхность Луны представлялась некоторым исследователям как толстый слой пыли, способный поглотить любого, рискнувшего опуститься на него.
1.3. Луна как объект астробиологии
Астрономы полагают, что невидимое полушарие Луны по своему устройству совершенно сходно с видимым… Но что если атмосфера существует именно на той стороне? Что если воздух и вода породили жизнь на этих материках? Что если там еще существует растительность? Что если благодаря всем этим условиям там живет и человек? Сколько интересных вопросов можно было бы разрешить, если бы хоть одним глазком взглянуть на невидимое полушарие! Сколько загадок было бы разгадано на основании подобных наблюдений! И какое было бы наслаждение хоть мельком полюбоваться миром, доселе скрытым от человеческих взоров!
Жюль Верн. Вокруг Луны
Из всех небесных светил только Луна в течение тысячелетий демонстрировала людям свой явный планетный облик; все остальные планеты выглядели как звезды. Появление телескопа и обнаружение с его помощью гор и долин на Луне только укрепило мнение о ней как о месте, подобном Земле. Издревле люди «населяли» Луну душами умерших, а в XV–XVIII вв. появилось немало книг с фантазиями о путешествиях с Земли на Луну и о возможных обитателях Луны – селенитах (от греч. selene, луна).
Улучшение качества телескопов и внимательное изучение с их помощью лунной поверхности, с одной стороны, указало на отсутствие у Луны плотной атмосферы и открытых водных поверхностей, а с другой – выявило множество интересных мелких деталей лунной топографии, например извилистых узких долин, напоминающих речные русла. Чем более мелкие детали становились доступными телескопу, чем большее число наблюдателей напрягало свое зрение в поисках интересных образований на Луне, тем больше было… ошибок и заблуждений. Например, немецкий врач и астроном Франц Паула фон Груйтуйзен (1774–1852) заявил, что 12 июля 1822 г. в центре видимого полушария Луны, под кратером Шрётер, он наблюдал систему прямолинейных стен, расположение и сложность которых внушила ему мысль, что это творение разумных существ. Опубликованное на страницах ежедневных газет, это сообщение разрослось в фантастические рассказы о военных укреплениях, о городе, обнесенном стеной, и все, имевшие зрительные трубы, пытались отыскивать предполагаемые крепости. И действительно их «находили». Первым подтвердил сообщение Груйтуйзена князь Меттерних в Вене, вторым – профессор Боненбергер, а третьим стал известный астроном-любитель Генрих Швабе, по профессии фармацевт, известный тем, что несколько десятилетий регулярно наблюдал Солнце и открыл периодичность количества солнечных пятен. Как видим, даже столь опытные наблюдатели оказались жертвой самообмана. Как пишут Клепешта и Лукеш (1959), «здесь мы имеем доказательство того, как люди могут быть введены в заблуждение и как, основываясь на одном наблюдении, делают совсем не обоснованные выводы».
В 1826 г. Груйтуйзен стал профессором астрономии Мюнхенского университета, а в 1836 г. вышла в свет его книга под названием «Естественная история звездного неба». В ней он рассказывал невероятные вещи – например, что видел на Луне не только укрепления и дороги, но даже звериные тропы, что замечал большие караваны обитателей обратной стороны, движущиеся на место, откуда можно было наблюдать великую луну, то есть нашу Землю. Кстати, обратная сторона Луны, недоступная земному наблюдателю, позволяла некоторым фантазерам «строить замки на песке». В то время как видимая сторона очевидно была безводной и безвоздушной, обратную сторону некоторые считали гораздо более похожей на Землю. Предполагалось, что она напоминает собой болотистые джунгли. Понятно, что жизнь в таких условиях могла процветать.
Если Груйтуйзен верил в существование жизни на Луне, то он был более чем убежден в существовании жизни на Венере. «В те времена уже хорошо было известно, что Венера по своим размерам и массе почти ничем не отличается от Земли. Астрономы знали, что Венера, вращающаяся вокруг Солнца по меньшей орбите, чем земная, должна быть теплее Земли.
Климат и растительность на этой планете должны быть похожи на климат и растительность наших тропиков. Пепельный свет на не освещенной Солнцем Венере Груйтуйзен объяснял как результат «иллюминации во время всеобщего фестиваля в честь восхождения нового императора на трон планеты». Подумать же о явлениях, подобных нашим северному и южному полярным сияниям, было для Груйтуйзена чем-то уж слишком простым» (Лей, 1961, с. 29).
Рис. 1.7. Франц Паула фон Груйгуйзен
Быть может, профессор Груйтуйзен таким оригинальным образом пытался привлечь внимание студентов к астрономии? Современники считали Груйтуйзена «упорным, но некритическим наблюдателем». Вероятно, он был последним из профессиональных ученых, подозревавших разумную жизнь на Луне. А вот о Венере еще не менее 100 лет у астрономов сохранялись совершенно неверные представления.
Отметим, что интерес к Луне в первой половине XIX в. был всеобщим. В поисках сенсаций этим не преминули воспользоваться газетчики. В 1835 г. Ричард А. Локк начал публиковать в «New York Sun» сообщения, якобы полученные им от Джона Гершеля, который в это время в Южной Африке изучал небо при помощи большого рефлектора своего славного отца. Локк весьма детально описывал, каких чудовищ с крыльями летучих мышей видел Гершель на Луне. Нужно признать: мистификация удалась, тираж газеты возрос невероятно. Вообще, в те годы подобные проделки журналистов были в порядке вещей. Многие люди верили этим причудливым рассказам, как теперь часто верят в рассказы об НЛО. Впрочем, газетные фантазии об обитателях Луны и Марса спустя некоторое время переросли в соответствующий литературный жанр, и читатели с удовольствием стали следить за фантастическими приключениями героев Герберта Уэллса («Первые люди на Луне»), Алексея Толстого («Аэлита»).
Рис. 1.8. Летучие селениты по К. Фламмариону.
В то же время ученые откликнулись на мистификации более внимательным изучением Луны. Наблюдая в 1834 г. заход звезд за лимб Луны, Фридрих Бессель не обнаружил у нее даже следов атмосферы. В 1838 г. астроном обсерватории Берлинского университета Иоганн Мёдлер привел доказательства того, что все «искусственные сооружения» Груйтуйзена есть не что иное, как сочетание скальных стен и впадин, которые при определенной фазе либрации Луны и положении терминатора – границы между светлой и темной сторонами диска – представляются в виде крепостных валов и стен (см. рис. 5.11 и 5.12). К концу XIX столетия, казалось, были отброшены последние надежды встретить на Луне жизнь, но в середине XX в. они появились вновь.
В Солнечной системе Луна, как и Земля, занимает наиболее благоприятное для жизни место. Чуть ближе к Солнцу слишком жарко (пример – Венера), а чуть дальше от Солнца слишком холодно (Марс). И только на орбите Земли – Луны средняя температура поверхности планеты немного выше О °С – идеальная температура для жизни. На Земле жизнь есть. Почему бы ей не быть и на Луне?
Ответ кажется очевидным: для жизни важна не только подходящая средняя температура, но и отсутствие сильных колебаний температуры, а на лишенной атмосферы Луне эти колебания значительно сильнее, чем на Земле. Строго говоря, у Луны все же есть атмосфера: по исследованиям американских астронавтов, концентрация газа в окололунном пространстве в тысячи раз превышает его концентрацию в межпланетном пространстве. В кубическом сантиметре окололунного пространства количество газовых частиц в ночное время превышает 10
, а в дневное снижается до 10
. Основные компоненты газовой оболочки Луны – водород, гелий, неон и аргон. Напомним, что у поверхности Земли концентрация молекул воздуха равна 2,7х10
см
. Иными словами, в литровой банке земного воздуха содержится столько же молекул, сколько в кубическом километре окололунного пространства! Естественно, крайне разреженная атмосфера Луны не способна сгладить разницу дневной и ночной температуры поверхности, и она меняется с амплитудой в 300 °C! Второе неблагоприятное свойство лунной поверхности – отсутствие жидкой или газовой среды: в вакууме живая клетка быстро высыхает, и активные биологические процессы в ней прекращаются.
К началу XX в. были составлены подробнейшие карты лунной поверхности, было уже совершенно ясно, что поверхность Луны безводна и безвоздушна. Но о природе этой поверхности, не говоря уже о ее происхождении, бытовали самые противоречивые суждения. Вот пример всего лишь столетней давности.
Новая гипотеза лунных кратеров
До сих пор происхождение лунных кратеров объясняли различными, главным образом вулканическими, причинами. Немецкий астроном проф. Фойгт дает им новое объяснение, во всяком случае, не лишенное остроумия. Он спрашивает: какой вид имело бы наше морское дно, если бы удалить воду? И он думает, что во многих местах, например у тропиков, оно представляло бы большое сходство с рельефом Луны. Так как «кратеры» морского дна – не более как коралловые постройки, то он думает, что то же происхождение имеют и лунные кратеры. Эта гипотеза построена на том предположении, что и часть Луны раньше была покрыта водой. Против этого, как думают специалисты, никаких теоретических возражений выставить нельзя, и гипотеза Фойгта смело может фигурировать наряду с другими.
«Вестник знания», 1904 г. (Цит. по: Наука и жизнь, 2004, № 3, с. 54)
Кому-то покажется, что эта гипотеза граничит с шуткой. Однако к середине XX в. биологи убедились в высокой приспособляемости жизни, которую удалось обнаружить и в жерлах вулканов, и в глубоководных впадинах, и в стратосфере, и в горячих серных источниках, и в антарктических льдах. Оказалось, что простейшие формы жизни не нуждаются в водной среде. Поэтому вопрос о жизни на Луне вновь стал актуальным, особенно в 1960-е гг., в период подготовки лунных экспедиций. Радиоастрономические измерения показали, что не прикрытая атмосферой поверхность Луны днем нагревается Солнцем до +130 °C, а ночью остывает до -170 °C. Однако под верхним слоем лунного грунта, уже на глубине 1 м, почти не ощущаются колебания температуры: там постоянно около -40 °C. Поскольку нельзя было исключить, что в таких условиях жизнь возможна, то в первых лунных экспедициях соблюдались строгие условия карантина, чтобы не допустить заражения Земли возможными лунными микробами. Например, сразу после возвращения на Землю корабля «Аполлон-11» астронавтов прямо в океане (куда приводнился их посадочный аппарат) одели в биоизоляционные костюмы, перевезли вертолетом на авианосец и поместили в изолированную камеру, в которой и доставили их на берег, где держали еще три недели, чтобы убедиться в отсутствии внеземных форм жизни. Доставленные экспедицией образцы лунного грунта также прошли биологический контроль, доказавший их безжизненность, и лишь после этого попали в руки геологов.
В дальнейшем сотни килограммов лунного грунта были подробно исследованы в лаборатории, но никаких следов органической жизни в них не обнаружилось. Теперь ясно, что еще одна недооцененная ранее функция земной атмосферы – это защита живых организмов от влияния космической радиации. На открытую лунную поверхность беспрепятственно попадают губительные для жизни ультрафиолетовые и рентгеновские солнечные лучи, а также заряженные космические частицы, которые на Земле в основном задерживаются в атмосфере. Поэтому сейчас ученые уверены: на поверхности Луны условий для жизни нет; органическая жизнь не могла там зародиться, и там нет условий для ее поддержания.
1.4. Эпоха первых лунных экспедиций
…Мещанина Никифора Никитина за крамольные речи о полете на Луну сослать в киргизское поселение Байконур…
«Московские губернские новости», 1848 г.
О полетах на Луну человечество (в лице немногих его представителей) мечтало давно, но вплоть до XIX в. эти мечты не были подкреплены техническим расчетом. Успехи артиллерии и астрономии позволили Жюлю Верну создать поразительно правдоподобные романы «С Земли на Луну» и «Вокруг Луны». С этого момента полет к Луне стал лишь проблемой времени. Вопрос о том, нужно ли лететь на Луну и зачем это нужно, вообще не обсуждался – разумеется, нужно! К середине XX в. стало очевидно, что лететь нужно на ракете. Накануне космической эры полет к Луне обсуждался, но пока еще в довольно отвлеченной форме. Например, английские специалисты в книге «Исследование мирового пространства» (Бэйтс, 1959), изданной в Лондоне в 1957 г., за несколько месяцев до запуска первого спутника, в основном обсуждают трудности полета к Луне и относят возможность самого полета «на ближайшие десятилетия». Но сразу после запуска первых спутников возможность полета к Луне уже рассматривалась как реальная перспектива, хотя задачи полета были не совсем ясны. Известный американский знаток ракетного дела и космических исследований Вилли Лей в 1958 г. писал: «Для астрономов идея создания обсерватории на Луне должна быть исключительно привлекательной, так как она позволяет избежать той никогда не прекращающейся борьбы, которую астрономы ведут на Земле с плотной и капризной атмосферой». А что кроме астрономии? Лей осторожен: «Может случиться так, что Луна представит для исследователей столь незначительный интерес, что первый же полет на нее будет последним, по крайней мере до тех пор, пока не будут созданы условия для создания „лунной обсерватории“ и „лунной космической базы“» (Лей, 1961).
Но вот первый человек в космосе, и настроение сразу же меняется: «Каким способом человек высадится на Луну и кто первый добьется успеха – СССР или США, станет, вероятно, известно к концу этого десятилетия» (Гэтленд, 1964). Стремительно сжимается масштаб времени – всем специалистам уже ясно, что не десятилетия, а годы отделяют человечество от первого межпланетного полета.
Достижения Советского Союза в первые годы космической эры были ошеломляющими:
В аналогичных достижениях американцы отставали от нас, бывало, на годы, порой – на месяцы, а иногда – всего лишь на несколько дней. Но спорт есть спорт: кто считает сотые доли секунды, если чемпионом может быть только первый! До 1965 г. достижения американцев были значительно скромнее советских:
Как видим, в прикладных (связь, метеорология) и научных космических исследованиях американцы быстро нас догнали, однако рекорды в пилотируемых полетах долго оставались за СССР. Но затем ситуация изменилась: 21–27 декабря 1967 г. американский экипаж на борту «Аполлона-8» совершил первую экспедицию к Луне, и с этого момента NASA завоевало первенство в глазах мировой общественности, а Советский Союз стал вторым.
В начале 1960-х гг. советская космонавтика была фаворитом, по крайней мере в общественном мнении. В те годы президент США Джон Кеннеди неоднократно предлагал главе СССР Н. С. Хрущеву совместную программу покорения Луны. Хрущев отверг эти предложения. В результате мы проиграли лунную гонку, затратив на нее колоссальные ресурсы и не получив ни научных, ни политических дивидендов. Сегодня ситуация обратная: фавориты в космосе – американцы. По части исследования Луны и планет Россия сейчас не входит даже в лидирующую пятерку. Теперь уже мы предлагаем американцам сотрудничество в организации полетов к Луне, но они отказываются. Жизнь покажет, намного ли это дальновиднее со стороны американцев, чем тогдашний отказ Хрущева. Разразившийся в конце 2008 г. всемирный экономический кризис оказал серьезное влияние на космические программы всех стран. Совместные усилия в этой области были бы, очевидно, ко всеобщей пользе.
Тут самое время вспомнить эпизод «случайного сотрудничества» между СССР и США на первом этапе исследования Луны. Долгие годы его держали в секрете, и лишь спустя 40 лет о нем рассказал участник первых лунных программ Виктор Арсеньевич Ефимов, сотрудник НИИ телевидения, готовивший фототелевизионную камеру «Енисей» для АМС «Луна-3», которая передала на Землю в 1959 г. первые изображения обратной стороны Луны, как говорили тогда – ее второго лица (раздел 5.7). На этой АМС съемка Луны проводилась пленочным фотоаппаратом, затем пленка проявлялась (протягивалась через губки, пропитанные соответствующим химическим раствором); кадры сканировались телекамерой и по радиоканалу передавались на Землю. Скорость передачи была очень низка: вдали от Земли один кадр передавался 30 минут, именно поэтому нельзя было использовать прямую телесъемку Луны, и требовался промежуточный накопитель информации в виде фотопленки.
Так в чем же состояло «сотрудничество» между СССР и США в период их напряженной конкуренции в исследовании Луны? Вот как описывает это В. А. Ефимов.
«История примененной в камере „Енисей“ фотопленки типа АШ шириной 35 мм достаточно забавна. По свидетельству заместителя главного конструктора темы „Енисей“ П. Ф. Брацлавца и ведущего инженера по бортовой камере Ю. П. Лагутина, наша промышленность к тому времени еще не освоила производство фотопленки, удовлетворявшей всем требованиям заказа „Енисей“. Но выручил „господин случай“.
Во второй половине 1950-х гг. США – наш бывший союзник по антигитлеровской коалиции – стали использовать в разведывательных целях воздушные шары. Возможность их применения для разведки основывалась на особенностях воздушных течений над нашей страной – постоянных перемещениях воздушных масс с запада на восток. Шары, снабженные специальной фотоаппаратурой, запускались с военных баз США в странах Западной Европы и, несомые воздушными течениями, появлялись над СССР, фотографируя территорию нашей страны по пути движения. Таких шаров запускалось много. Они создавали угрозу полетам самолетов. Сбито этих злополучных „шариков“ было тоже немало.
Некоторое количество фотопленки с этих шаров-шпионов оказалось в академии им. А. Ф. Можайского, с которой сотрудничал ВНИИ телевидения. После исследования упомянутой фотопленки оказалось, что она по своим параметрам пригодна для использования в бортовой аппаратуре „Енисей“. Тогда было принято втайне от высокого начальства решение разрезать ее на требуемый размер, отперфорировать и применить для фотографирования невидимой стороны Луны. Отсюда становится понятным несколько озорное обозначение типа фотопленки „AШ – „американские шарики“» (Ефимов, 2000).
Рис. 1.9. Так все начиналось: запуск первой ракеты на мысе Канаверал (шт. Флорида). Эту ракету «Фау-2» немецкие инженеры создали под руководством Вернера фон Брауна еще в 1940-х гг. в гитлеровской Германии. Позже она стала американским трофеем, вместе с инженерами. В качестве второй ступени на ней установлена американская жидкостная ракета «ВАК-Кап-рал», которая, отделившись на высоте 32 км, достигла высоты 400 км, неся в головной части датчики температуры и космических лучей. Через два десятилетия отсюда же к Луне летали все пилотируемые экспедиции «Аполлон».
Над этим эпизодом можно посмеяться, а можно и задуматься: неожиданно быстро обратную сторону Луны удалось сфотографировать, результат был получен, и он был бы еще лучше, если бы сотрудничество было не тайным, а открытым. Но в ту эпоху об этом не могло быть речи: мы опережали американцев и желали закреплять свой приоритет. В 1958–1960 гг. предпринимались попытки попасть аппаратом в Луну; с нашими весьма увесистыми АМС «Луна» соревновались маленькие американские «Пионеры» (табл. 3 Приложений). В 1959 г. «Луна-2» достигла цели, а все американские запуски оказались неудачными.
Чтобы попасть в Луну, потребовалось решить множество технических задач. На трассе перелета необходимо было проводить коррекции траектории, а для этого нужно было знать положение аппарата и его ориентацию в пространстве. Удалившийся от Земли аппарат переставал быть заметным для оптического телескопа и радиолокатора. Определять его положение в пространстве помогла идея московского астрофизика И. С. Шкловского (ГАИШ МГУ), предложившего по пути к Луне превращать зонд в «искусственную комету». Для этого на борту последней ступени ракеты-носителя, вместе с которой двигался зонд, имелось устройство, испаряющее 1 кг натрия в течение 5–7 с. Под действием солнечного ультрафиолета расширяющееся натриевое облако ярко излучало в желтой резонансной линии, позволяя измерять положение зонда с помощью наземных телескопов. Впервые эту идею реализовали при запуске «Луны-1»: на расстоянии 113 ООО км от Земли яркость искусственной кометы составила 6
. При полете «Луны-2» искусственная комета была образована на расстоянии около 150 000 км; с Земли ее видели как объект 4–5
в течение 5–6 минут.
Рис. 1.10. «Луна-2» (СССР, 1959) – первый искусственный объект, достигший поверхности Луны. Масса зонда составляла 390 кг.
Решение следующей задачи чуть было не закончилось ядерными взрывами на Луне. Поскольку наши первые аппараты жестко врезались в лунную поверхность и мгновенно разрушались, требовалось доказать, что они действительно достигали поверхности Луны, а не просто переставали функционировать. В 1957 г. академик Я. Б. Зельдович предложил осуществить на поверхности Луны взрыв атомной бомбы, доставленной туда ракетой. Ожидалось, что атомный взрыв будет сопровождаться такой световой вспышкой, что ее легко зафиксируют все обсерватории, которые будут иметь возможность в этот момент наблюдать Луну. Это и станет доказательством попадания ракеты в Луну. Несмотря на настороженное отношение к этому проекту со стороны С. П. Королева и М. В. Келдыша, в ОКБ-1 был изготовлен макет лунного контейнера с макетным атомным зарядом. Конструктивно макет напоминал морскую мину, так как для того, чтобы гарантировать взрыв при любой ориентации контейнера в момент удара о поверхность, он весь был утыкан свинцовыми штырями с гальваническими элементами взрывателей.
Рис. 1.11. Так выглядели «Пионер-3» и «Пионер-4». Первый не вышел на орбиту, а второй пролетел далеко от Луны и стал спутником Солнца. Американцы шутили: «Пионер-4» – это первый американский позолоченный астероид весом 6 кг. Фиберглассовая поверхность аппарата позолочена для лучшей электропроводимости и расчерчена черными полосами для поглощения солнечного света и излучения избытка тепла.
Однако перед окончательным утверждением проекта Я. Б. Зельдович провел дополнительные расчеты длительности и яркости вспышки от ядерного взрыва на лунной поверхности. Получалось, что из-за отсутствия атмосферы она окажется настолько кратковременной, что нет никакой гарантии ее регистрации наземными телескопами. От опасной идеи отказались.
В американской лунной программе успех выпал на долю аппаратов серии «Рейнджер». Правда, поначалу их пытались сделать слишком сложными. Все эти аппараты предназначались для жесткого попадания в поверхность Луны и были снабжены телекамерами, транслирующими на Землю изображения поверхности вплоть до момента удара.
Рис. 1.12. Подготовка «Пионера-3», запущенного 6.XII.1958 в сторону Луны четырехступенчатой ракетой «Джуно II» (на основе баллистической ракеты «Юпитер») с мыса Канаверал во Флориде.
Рис. 1.13. Зонды «Рейнджер-3…5» должны были не только передавать изображения лунной поверхности, но и доставить на нее сейсмометры, заключенные для амортизации удара в шарообразный деревянный контейнер.
Но редко отмечается тот факт, что «Рейнджер-3-5» имели также отделяемую капсулу для доставки на поверхность сейсмометра. Эта капсула имела собственный тормозной двигатель, а сейсмометр для амортизации удара был заключен в толстостенный шар из бальзового дерева (!). При ударе капсулы о поверхность Луны со скоростью 150 м/с аппаратура испытывала ускорение 3000 g, но не должна была пострадать. Предполагалось, что сейсмометр будет передавать на Землю данные в течение 30 суток. Любопытная деталь: чтобы не занести на Луну земные формы жизни, капсулу перед стартом стерилизовали. К сожалению, ни один их этих аппаратов не попал на Луну и даже не передал изображений ее поверхности. Следующие «Рейнджеры» несли только телевизионную аппаратуру и работали вполне успешно.
Настоящая лунная гонка развернулась в 1966–1968 гг. Советские и американские инженеры шли, что называется, ноздря в ноздрю: мягкая посадка на поверхность Луны, искусственный спутник Луны, облет Луны с возвращением на Землю. По каждому из этих достижений американцы отставали от нас на несколько месяцев, но при этом их технические и научные результаты были намного весомее. В конце 1968 г. состоялась первая пилотируемая экспедиция к Луне: «Аполлон-8» совершил 10 оборотов вокруг Луны и вернулся на Землю. В этот момент американцы стали лидерами в глазах общественного мнения и уже не уступали эту позицию.
В конце книги вы найдете таблицы с подробными сведениями о полетах к Луне, в большинстве глав также рассказано об эпизодах некоторых экспедиций, поэтому здесь я лишь дополню информацию отдельными любопытными деталями.
Первое замечание касается научной фантастики. В связи с путешествиями к Луне нельзя не вспомнить поразительный пример, демонстрирующий отличие научной фантастики от ненаучной – фэнтези. Речь идет о знаменитых произведениях Жюля Верна (1828–1905) «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут» (1865 г.) и «Вокруг Луны» (1870 г.). За 100 лет до первого полета астронавтов к Луне на корабле «Аполлон-8» автор этих увлекательных книг предугадал поразительно много деталей. Правда, запущены были космические корабли разными методами: у Ж. Верна – из пушки, а в жизни – ракетой, но в полете для коррекции траектории и торможения герои Жюля Верна использовали именно ракетные двигатели. Оба космических корабля, фантастический и реальный, стартовали с Земли вертикально вверх, хотя еще в первой половине XX в. инженеры и ученые сомневались в практичности такого старта. А вот вам и совпадения: оба запуска произошли с полуострова Флорида (с местом старта писатель «ошибся» примерно на 170 км); полет произошел в декабре, с экипажем из трех человек; оба космических аппарата были в основном сделаны из алюминия (редкого и дорогого металла во времена Ж. Верна), причем имели почти одинаковый размер и близкий вес (у «Аполлона» – без ракетного топлива). При возвращении на Землю оба аппарата приводнились в Тихом океане!
Мистика? А вы перечитайте Ж. Верна. Во-первых, обнаружите еще множество других удивительных совпадений, и не только технических. А во-вторых, узнаете много интересного о Луне, о телескопах, об артиллерийских орудиях, о перегрузках и невесомости, о национальных особенностях французов и американцев, а главное – сможете оценить глубину проработки автором этих тем.
Рис. 1.14. «Через несколько мгновений из люка на верхушке конуса с торжествующим видом появился секретарь „Пушечного клуба“. За время „опыта“ он еще больше растолстел». Недельный эксперимент по пребыванию в герметически закрытом снаряде «Колумбиады» прошел успешно. Вскоре герои Жюля Верна отправились в этом снаряде к Луне; «…нужен был смелый гений американцев, чтобы возникла мысль о завоевании нашего спутника». (Иллюстрация Henri de Montaut к изданию 1868 г.)
