Вперед- на Марс! Часть 1.

В названии этой статьи оригинального, тем более вызывающего, ничего нет. Это девиз всей жизни великого сподвижника исследований космического пространства Фридриха Артуровича Цандера, который, сутками работая над теорией межпланетных сообщений, твердил его, как мантру. Хотелось бы напомнить, что это были нищие и голодные 20-е годы прошлого столетия. Прототипом будущего реактивного двигателя учёного ОР-1 служила обычная паяльная лампа, на которой он проверял свои теоретические расчёты. Сразу нужно отметить, Фридрих Артурович не был фанатиком-одиночкой в своих исследованиях, у него было много единомышленников, как среди учёных (Циолковский, Кондратюк, Глушко и др.), так и среди «сильных мира сего». Достаточно вспомнить знаменитую аудиенцию Цандера с Лениным, когда «вождь мирового пролетариата» после продолжительной беседы пожелал успехов в работе и пообещал финансовую поддержку. Разговор с Лениным ошеломил Цандера: «Всю ночь я не мог заснуть, находясь под впечатлением встречи с Владимиром Ильичём (…) страна наша разорена войной, хлеба мало, угля мало, заводы стоят, а человек, который руководит огромным государством, выкраивает ещё время, чтобы послушать о межпланетных полётах. Значит, осуществится моя мечта, думал я».
Не только «кремлёвские мечтатели» старались финансово поддерживать начинания Фридриха Артуровича. Рабочие завода «Мотор», чтобы помочь изобретателю, перечислили свой двухмесячный заработок. «Это было первым пожертвованием в пользу межпланетных сообщений», — шутил Ф. А. Цандер.
Не будет преувеличением, если скажу, что идея полёта к другим объектам Солнечной системы тогда была массовой. В 1924–1925гг. Цандер провёл блестящие выступления в Москве, Ленинграде, Харькове, Рязани, Саратове и Туле с лекциями и докладами о его работах в области межпланетных перелётов.
Стоит задасться вопросом, а почему спустя почти столетие эта тема у нас в стране практически игнорируется? Не будет ли безнравственно перед памятью предков наше нежелание даже разобраться в перспективах освоения Дальнего Космоса? Ответ подразумевается.
Забегая вперёд, я сразу хочу обозначить три глобальные проблемы. Эти проблемы не технического и не экономического характера. Теоретически, как это сделать, мы знали, благодаря работам Цандера, Циолковского и др., с 20-х годов прошлого столетия. Технологически мы были способны на «марсианскую одиссею» полвека спустя. Сейчас на дворе уже 2015 год, «а воз и ныне там». Проблемы эти совсем иного рода, а именно: нашей психологии, менталитета, земного (можно сказать — «приземлённого») осмысления марсианской тематики.
Первую проблему можно обозначить, как неспособность обывателя представить, каким же образом можно произвести высадку человека на Марс и ещё вернуться обратно на Землю. Ведь Марс не спутник, как Луна, а планета. То есть, с Марса нужно стартовать практически как с Земли и не на какую-нибудь низкую опорную орбиту высотой 200 км, а пролететь многие миллионы километров, чтобы вернуться на родную планету. Сразу приходит в голову мысль о том, что у такой космической державы как США не то, что с Марса – с Земли, вот уже 12 лет не получается запускать астронавтов. И это при всей имеющийся инфраструктуре, которой на Марсе естественно нет.
Пугает так же громадное (по земным меркам) расстояние до Красной планеты. Если 300 000 км до Луны мы как-то можем осмыслить (пробег автомобиля), то расстояние до Марса, которое исчисляется на порядки больше, не поддаётся нашему осмыслению. Достаточно бросить взгляд на наш естественный Спутник и тем же невооружённым взглядом попытаться найти в ночном небе «четвёртую планету от Солнца». Астрономически не подкованному наблюдателю это не удастся, а если всё же он с помощью специалиста её обнаружит, то она ему покажется заурядной крупной звездой, каких много на ночном небе. Практически такая же картина будет наблюдаться, если космонавт, находящийся на Марсе, посмотрит на Землю. Мало того, наша планета (ближайшая соседка Марса) покажется человеку не самой яркой «звёздочкой». Земля будет уступать по яркости Венере и Юпитеру. Хочется ещё добавить, что уж если «добрая половина человечества» не верит в высадку человека на Луну, то поверить в реальные перспективы «марсианской одиссеи» не то, что «половина», а подавляющее число людей не сможет. Ведь коллективное сознание ещё никто не отменял. В Марсианском Проекте будут задействованы, только напрямую, десятки тысяч человек (не говоря уже о налогоплательщиках). Поэтом каждый из них, начиная от сборщика ракет и заканчивая производственными и политическими функционерами, должны отчётливо представлять весь алгоритм Проекта и верить в его осуществление.
Вторая проблема, которая перед нами стоит – это желание политического руководства страны, осуществляющего этот проект, «схватить всё и сразу», то есть уже «завтра» получить политические дивиденды. Нужно понимать, что Марсианская программа состоит из развития многих направлений космической индустрии, начиная от ракет-носителей, орбитальных модулей, космических буксиров, всевозможных ядерных генераторов, межпланетных космических аппаратов, электрореактивных двигателей и заканчивая космическим материаловедением, медициной и многими другими отраслями инновационной деятельности. Затевая такой глобальный проект, лидеры страны намереваются «пожать плоды» ещё при «жизни». Это практически невозможно. Достаточно вспомнить, что лунная программа «Аполлон» разрабатывалась при Кеннеди, во время правления Линдона Джонсона началась её практическая реализация, а с поверхности Луны Нил Армстронг помахал рукой уже 37-му президенту – Ричарду Никсону. То же можно сказать и про отечественные программы. Через четыре года после смерти Сталина мы запускаем на орбиту Спутник, а ещё через четыре — Гагарина. Конечно, приятно «снимать сливки» с таких великих техногенных проектов, как это делал Никита Сергеевич, но Хрущёву не помешало бы отдать должное той беспрецедентной, титанической работе, которая проводилась при его предшественнике, которого он так усердно поливал грязью. Сразу напрашивается мысль, что страна, которая запустит Марсианский проект, помимо всего прочего, должна будет иметь лидера уровня Сталина или, хотя бы, Кеннеди.
Ну а, третью проблему можно обозначить очень коротко: «Зачем нам всё это нужно?» Мы должны отчётливо представлять, какие «дивиденды» получим мы или хотя ббынаши потомки. С этими тремя вопросами мы и будем последовательно разбираться. А пока, давайте вкратце вспомним, что из себя представляет четвёртая планета от Солнца.
Марс издревле привлекал внимание астрономов. Упоминание о Красной планете можно встретить у Шумеров, Ассирийцев, Египтян, Греков и многих других древних народов. Причем практически у всех народов эта планета называлась в честь «национального» бога войны или была связана с войнами и разрушениями. Причиной тому служил кроваво-красный яркий цвет планеты, наблюдаемый с Земли.
До появления телескопа велись позиционные наблюдения за Красной планетой. Были разработаны математические методы для предсказания положения Марса по отношению к звёздам. Наблюдения Марса проводил Коперник, стараясь подкрепить ими гелиоцентрическую систему мира. Последний из «дотелескопных» астрономов Тихо Браге проводил наблюдения Марса с поразительной точностью (до 10 секунд дуги). Обработка наблюдений положений Марса, выполненных датским астрономом, привела Иоганна Кеплера к открытию трёх его знаменитых законов движения планет. Марс вообще был идеальным объектом для открытия этих законов. Наблюдать, например Венеру, очень трудно, так как эта планета не отходит от Солнца далее 48 градусов, наблюдается в основном на светлом небе и поэтому её положение трудно привязывать к положениям «неподвижных» звёзд. Более-менее сносно изучать нашу ближайшую «соседку» поздно вечером и перед рассветом, когда она вновь появляется после ночного «исчезновения» в другой части небосклона. Не удивительно, что древние астрономы принимали Венеру за две планеты, утреннюю и соответственно вечернюю. Ещё более сложную проблему в изучении доставляла ближайшая к Солнцу планета - Меркурий. Не даром она была «тёзкой» ловкого и пронырливого бога торговли. Подумать только, даже такой астроном как Николай Коперник так ни разу и не увидел эту планету! Разумеется, не о каких «тайнах» космической баллистики Меркурий астрономам не «поведал».
Противоположная ситуация складывается, когда наблюдаешь за такими планетами как Юпитер и Сатурн. Эти планеты-гиганты движутся по небосклону отнюдь не с гигантской угловой скоростью. Причиной тому является удалённость их орбит от Солнца и соответственно большие периоды обращения вокруг нашего светила.
Ну и наконец, самые дальние планеты Солнечной системы Уран и Нептун, соответственно тоже ни чем не могли «помочь» астрономам, хотя бы потому, что они были открыты в «эру телескопов». С Нептуном сложилась как раз обратная ситуация. Эта планета была открыта «на кончике пера», то есть вычислена математически, как раз благодаря небесной механике Ньютона- Кеплера.
Правда, вопрос не в том, что планету поздно открыли. Даже если у Тихо Браге и была бы такая возможность вести точные и длительные измерения движения Нептуна (как он это делал с Марсом в течении 22 лет), результат был бы нулевой. Просто за эти 22года Нептун проделал бы траекторию чуть более восьмой части своего полного оборота вокруг Солнца. Напомню, что «нептунианский» год составляет 165 «земных» лет.
Ценность орбиты Марса заключается не только в том, что она «удобная» для наблюдений и «быстрая», а в том, что эта орбита имеет большой эксцентриситет.

Например, у Венеры он в 15 раз меньше. Что это означает? Это значит, что Красная планета вращается вокруг Солнца по траектории ярко выраженного эллипса. Вот тут уже начинается небесная механика. Кеплер установил, что скорость Марса не постоянна. В перигее орбиты она максимальная, на траектории к апогею – она уменьшается, в апогее скорость минимальная. На рисунке ниже схематически изображён второй закон Кеплера. 

Не удивительно, что его еще называют законом площадей. Даже не верится, что уже в начале семнадцатого века учёный мир знал о форме и размере орбиты Марса. Более того, астроном «вооруженный» законами Кеплера, мог вычислить скорость и ускорение Красной планеты на данный момент времени. Интересно, какие чувства испытывал средневековый учёный, вычисляя орбитальную скорость планеты на момент времени, равную, допустим 26 км/с?!
Сказать, что Иоганн Кеплер совершил переворот в физике - значит ничего не сказать! Просто давайте вспомним, какую картину звёздного неба представляли себе астрономы с древних времён и вплоть до Кеплера. Хочу напомнить, что наблюдая за планетой, движущийся вокруг Солнца, астроном сам вместе с Землёй «кружился» вокруг нашего светила. Если Землю сделать «неподвижной», то есть принять геоцентрическую систему, то планета будет двигаться вокруг загадочного центра. В свою очередь, этот «центр» будет вращаться вокруг Земли. Для «неподвижного» наблюдателя траектория планеты будет напоминать какую-то кружевную нить. Планета «плывёт» по небосклону, потом останавливается. Дальше она движется практически в обратном направлении, делая незамысловатую петлю и так далее. Это было похоже на какой-то невообразимый хаос. Чтобы хоть как-то объяснить, это движение астрономам и пришлось ввести теорию эпициклов и деферентов. Эпицикл – это круговая траектория планеты вокруг мифического центра, который в свою очередь движется вокруг Земли по круговой траектории, называемой деферент. Как вы догадались, «загадочными центрами», вокруг которых кружились планеты, и было наше Солнце, о чём астрономы естественно догадаться не могли.
Практически ни чем не объяснимое, хаотическое движение планет привело к образованию устойчивой модели мира в космологии, которая была незыблема на протяжении тысячелетий. Суть этой модели состояла в том, что есть два глобальных мира - мир Хаоса и мир Вечного Покоя, Гармонии. Мир Хаоса – это мир семи движущихся небесных тел – Солнца, Луны, Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна. Мир этот неопределённый, хаотичный, несовершенный и поэтому - грешный. Мир Вечного Покоя – это мир «неподвижных» звёзд. Эта стационарная звёздная сфера – вечная, незыблемая, приближенная к Божественному Абсолюту, поэтому – непогрешимая.
11 ноября 1572 года эта, казалось бы, абсолютно неприступная картина мира дала первую ощутимую трещину. В эту ночь Тихо Браге, осматривая небосвод, к своему неописуемому удивлению, обнаружил в созвездии Кассиопее яркую звезду необыкновенной величины. Он не мог поверить собственным глазам. Всевозможные замеры расстояния показывали, что объект, яркость которого могла сравниться только с Венерой, находился в сфере «неподвижных» звёзд! Так открытием сверхновой звезды датский астроном наполовину разрушил, казалось бы, незыблемую модель мира. Мир Вечного Покоя «ожил». Оказывается, он тоже не постоянен, изменчив.
Ну а, от второй половины этой Модели, «камня на камне» не оставил Иоганн Кеплер. Законы движения планет придали нашему «несовершенному» миру математическую пропорциональность и геометрическую стройность. Из мира необъяснимого хаоса, он превратился в мир гармоничный. Недаром Кеплер назвал свой третий закон движения планет – законом Гармонии. Это был настоящий переворот в осознании мироздания. Мир стал един и божественная гармония Космоса вплотную приблизилась к человеку.
Я надеюсь, что я не слишком утомил Читателя, рассказывая предысторию развития космологии и небесной механики. Я это сделал по ряду причин. Во первых, чтобы отдать должное великим учёным, как Тихо Браге и Иоганн Кеплер. Первому, за многолетние феноменальной точности наблюдения.
Ну а, научный подвиг Кеплера переоценить невозможно. Трудно себе представить, каким аналитическим умом нужно обладать, открывая законы движения планет, не видя их воочию? Дело тут, даже не в отсутствии телескопа, а в том, что учёный страдал с детства всевозможными болезнями, в том числе множественностью зрения. Не умаляя заслуг таких учёных, как Коперник и Ньютон, нужно признать, что деяния Кеплера незаслуженно остались у них в тени. Судите сами: гелиоцентрическая система Коперника была, скажем так, не совсем полной. Во первых, он был в своих суждениях не оригинален (вспомним, хотя бы Аристарха Самосского). Во вторых, у польского учёного много чего осталось от геоцентрической системы – эпициклы, существованием которых ему приходилось объяснять неравномерность движения планет. Далее, Коперник «оставил» вращения небесных сфер, к которым были «пристёгнуты» планеты. Более того, он «заставил» вращаться вокруг Солнца даже Луну. Ничего подобного у Кеплера, уже не было.
Обязательно нужно сказать, что именно Кеплер ввёл в физике такой термин, как инерция, и он же сформулировал первый закон механики. Ещё скажу, что за 60 лет до того, как Ньютону «упало на голову яблоко», Кеплер писал: «Гравитацию я определяю, как силу подобную магнетизму – взаимному притяжению. Сила притяжения тем больше, чем оба тела ближе одно к другому». Правда, закон всемирного тяготения (в отличии от Ньютона) австрийский учёный не выразил математически, но, согласитесь, это совсем не умоляет заслуг основателя небесной механики.
Что касается самой небесной механики, то мы ниже обязательно будем затрагивать её раздел, описывающий движение космических аппаратов – астродинамику. В этих вопросах законы Кеплера будут для нас прекрасным подспорьем.
Ну и наконец, третье. Мы должны быть признательны главному «герою» нашего повествования – Марсу, уникальная орбита которого, сподвигнула Иоганна Кеплера на ряд гениальных открытий. Впрочем, мы еще в дальнейшем убедимся, что уникальность Красной планеты орбитой не заканчивается.

Следующие значительные открытия уже происходили в эпоху телескопов. В 1666 году Джованни Кассини установил, что марсианские сутки равны 24часам 40 минутам. Так же итальянский учёный обнаружил, что ближе к полюсам Марс «светлел». Это дало ему основания заявить об открытии ледяных полярных шапок. В 80-х гг. уже следующего восемнадцатого века Уильям Гершель установил, что ось вращения Марса наклонена под углом 30 градусов (современное значение 25,19). Им же было установлено, что атмосфера на планете может быть только сильно разряженной (как мы знаем – 1% от земной).
Завершая «визуально-телескопный» период в изучении Красной планеты, нельзя не упомянуть ещё одного, итальянского астронома, скандально-известного Джованни Скиапарелли. В 70-х гг. девятнадцатого столетия он провёл серию наблюдений, которые вызвали небывалый ажиотаж в общественной и научной среде. Ему удалось обнаружить на поверхности планеты странные линейные структуры, представлявшие собой единую сеть, которые он назвал «каналами». Эти грандиозные «творения рук внеземных» также были «обнаружены» другими астрономами, такими как Луи Толлон и Генри Перротен. Мало того, их удалось даже сфотографировать! В 1905 году Карл Лампланд опубликовал фотографии марсианских «каналов». Бурной фантазии общественности не было предела. Как грибы после дождя, образовывались общества по изучению «марсианской цивилизации». Стали издаваться многочисленные каталоги с «подробными» картами поверхности Красной планеты. От марсианской тематики не отставали и художественные литераторы, «скромно» называя свои произведения «научно-фантастическими». Разумеется, скепсис некоторых астрономов, что «каналы» всего лишь оптическая иллюзия игнорировался. Причем «пессимистически» настроенные ученые выдвигали весомые аргументы. Например, что все линейные объекты планеты носили нерегулярный характер, то есть могли перемещаться, меняться в размерах, а то и вовсе исчезать. Это могло объясняться только одним – визуальным суммированием мелких деталей, а ни как не сверхразвитой ирригационной системой «братьев по разуму».
Некоторое отрезвление для любителей поиска «марсианской цивилизации» наступило в 1924 году. Было произведено измерение тепловой энергии, излучаемой поверхностью Марса. Результаты получились не совсем обнадёживающими – от -68 градусов по Цельсию на полюсе и до +7 градусов на экваторе. Более того, в том же году выше упомянутый «фотолюбитель» Лампланд вместе с американским физиком Уильямом Кобленцом измерили температуру ночной поверхности планеты. Результат был ещё более ошеломляющим – 85 градусов ниже ноля! Трагизм ситуации состоял не только в том, что гигантские суточные колебания температуры далеко не способствуют развитию жизни, а в том что, такая большая разность температур явно подтверждает наличие на Марсе сильно разряженной атмосферы. Впрочем, эти и последующие открытия не поколебали у некоторых оптимистично настроенных энтузиастов веру в «марсианскую цивилизацию». И только космические аппараты, которые через 40 лет полетят к Красной планете, поставят окончательную точку в этом вопросе.