Опираясь на идею замечательного русского инженера Юрия Васильевича Кондратюка (1897-1941), траектории межпланетных перелетов часто прокладывают вблизи планет не только для их исследования, но и чтобы притяжение одной планеты дополнительно разогнало и развернуло космический аппарат в направлении другой, более далекой планеты. Этот "фокус" называют гравитационным или, реже, пертурбационным маневром. Его неоднократно применяли во время путешествия "Пионеров" и "Вояджеров" по маршруту Земля-Юпи тер-Сатурн-Уран-Нептун. Для осмотра полярных областей Солнца аппарат "Улисс" полетел по маршруту Земля-Юпитер-Солнце. А чтобы добраться до самого Юпитера без лишних затрат горючего, аппарат "Галилей" был запущен по маршруту Земля-Венера -Земля-Юпитер.
Гравитационный маневр - очень выгодный прием. Пролет мимо каждой промежуточной планеты планируется таким образом, чтобы ее притяжение ускорило космический аппарат и сообщило ему нужное направление движения к следующей планете. Механику этого эффекта легко понять на простом примере. Если по столу катится массивный шар, а навстречу ему - легкий, то при столкновении шаров массивный почти не изменит своей скорости, а легкий отскочит от него с увеличенной скоростью. То же самое происходит при "гравитационном столкновении" планеты с летящим навстречу ей космическим аппаратом. Отличие лишь в том, что столкновение твердых тел происходит почти мгновенно в момент их касания, а гравитационное растянуто на время пролета. Но законы механики действуют одни и те же. Поэтому и результат тот же: совершив облет планеты в правильном направлении, космический аппарат увеличивает скорость.
Звезда-катапульта
Итак, специальный выбор траектории, проходящей в окрестностях планет, дает возможность космическому аппарату без затраты топлива увеличить свою скорость и даже покинуть Солнечную систему, как это удалось "Пионерам" и "Вояджерам". Необходимая для этого энергия черпается из энергии движения планет. А нельзя ли использовать этот же принцип для путешествий на просторах Галактики? Ведь звезды тоже движутся в пространстве, значит, гравитационный маневр вблизи них может сообщить нашему межзвездному зонду дополнительную скорость.
Эта идея пришла в голова автору статьи - астроному по профессии - несколько лет назад, при изучении движения звезд Галактики. Известно, что скорости движения звезд в среднем составляют 40-60 км/с и доходят до 250-300 км/с, что намного больше, чем у планет. Каждая встреча автоматического зонда со звездой при соответствующем подборе траектории сближения увеличит скорость аппарата на несколько десятков, а то и сотен километров в секунду. Чем больше таких встреч, тем выше скорость полета. Особенно эффективными ускорителями служат массивные компактные светила - белые карлики и нейтронные звезды.
Разумеется, у каждого изобретения есть слабые стороны. "Межзвездный слалом" требует, чтобы по мере набора скорости аппарат пролетал все ближе и ближе к поверхности очередной встречной звезды, иначе не получится крутого разворота и набора скорости. Если использовать для разгона только белые карлики и старые нейтронные звезды, которых довольно много в окрестности Солнца, то проблем с перегревом зонда не будет, поскольку светят эти звезды слабо. Возникает иная проблема - неоднородность гравитационного поля вблизи звезды, известная на Земле по морским приливам. Неоднородные поля Луны и Солнца лишь немного деформируют поверхность земных морей, но поле нейтронной звезды легко разорвет космический аппарат размером больше футбольного мяча. Лишь маленький зонд способен пролететь рядом с такой звездой и не разрушиться. А поскольку использование электромагнитного ускорителя также требует маленьких и прочных зондов, то эти требования совпадают.
Итак, аппарат для межзвездных исследований должен быть размером с небольшой мяч, умный, прочный, долговечный и дешевый. Еще недавно эти качества казались несовместимыми. Но в наши дни, когда из кармана можно вынуть сотовый телефон, уже нет сомнений, что изготовить такие межзвездные разведчики скоро станет несложно. Современная электроника и микромеханика делают информационные приборы чрезвычайно компактными и энергосберегающими. Сейчас микродатчики и микропроцессоры можно обнаружить в самых неожиданных местах: в телефонной трубке и записной книжке, в авторучке и поздравительной открытке. Микрохирургия близка к тому, чтобы изготавливать диагностические и лечебные аппараты, свободно плавающие в сосудах человеческого организма. Собственно говоря, прототипы необходимых нам "звездных паучков" уже созданы: известный американский конструктор микророботов М. Тилден (M. Tilden) сконструировал простейшие спутники Земли размером с монету и стоимостью 20 долларов. Сейчас он работает над более сложными аппаратами.
Эффект Ярковского
При разработке этой идеи несколько лет оставалась нерешенной проблема коррекции траектории зонда, не имеющего собственных двигателей. Подлетая к очередной звезде, зонд должен чуть-чуть подправить свою траекторию, чтобы в результате гравитационного маневра уйти к следующей "перспективной" звезде. Решить эту проблему помогло случайное знакомство с почти забытой книгой самобытного российского исследователя Ивана Осиповича Ярковского (1844-1902), о котором следует сказать несколько слов.
Талантливый инженер и вдумчивый ученый, Иван Ярковский, к сожалению, совершенно забыт на родине. А его не столь уж долгая жизнь была весьма интересной и насыщенной. Родился он в местечке Освей Витебской губернии в семье врача, но очень рано лишился отца и был отдан "на казенный кошт" в Московский сиротский кадетский корпус. Там он проявил способности к математике и механике, а также изобретательский талант: сконструировал оригинальный дальномер, за что был награжден золотыми часами из рук великого князя Михаила Николаевича.
Выйдя в отставку прапорщиком артиллерии, он шесть лет прослужил на Кавказе, затем окончил петербургский Технологический институт, защитил диссертацию по водоснабжению и работал как инженер-путеец на разных дорогах страны. Сделав немало полезных изобретений по технической части, Ярковский быстро выдвинулся в активные члены Императорского русского технического общества, где руководил секцией механики и занимался вопросами воздухоплавания. Но его глубинный интерес лежал в области фундаментальной науки: он строил теорию светоносного эфира и гравитации. В те годы над этой проблемой работали лучшие физики, включая Эйнштейна. Оригинальная механическая теория Ярковского не нашла подтверждения, но один предсказанный им астрономический эффект стал полезным инструментом науки.
Сущность эффекта Ярковского проста: речь идет о воздействии солнечного света на движение небольшого космического тела, скажем астероида. Освещенная солнечным светом поверхность астероида нагревается и, пытаясь охладиться, излучает в космос инфракрасные лучи. Поток тепла действует как реактивный двигатель: он слегка толкает астероид в сторону, противоположную направлению излучения.
А теперь вспомним, что все астероиды вращаются вокруг оси, подобно планетам. На поверхности астероидов тоже есть смена дня и ночи. Когда вращение тела уносит нагретую за день поверхность астероида в ночную тень, накопленное тепло излучается "вбок", действуя как разгонный или тормозной реактивный двигатель. Если вращение отклоняет нагретую поверхность астероида вперед по курсу, то эффект Ярковского тормозит движение тела, и оно, опускаясь по орбите, приближается к Солнцу. Если же теплая поверхность за счет вращения разворачивается назад, то лучевой импульс подгоняет движение тела и поднимает его орбиту, удаляя тело от Солнца.
В последние годы возрос интерес к движению астероидов, пересекающих орбиту Земли. Для точного прогноза возможного столкновения учет эффекта Ярковского оказался обязательным. А еще этот эффект можно использовать для межзвездного маневрирования. Наш микрозонд в результате воздействия падающего на него излучения окружающих звезд может корректировать свою траекторию в процессе перелета от звезды к звезде.
Невидимые разведчики космоса
Таким образом, вырисовывается стратегия межзвездных исследований. На поток ставится производство маленьких однотипных аппаратов, объединяющих в себе компьютер (содержащий в памяти все энциклопедии Земли на случай встречи с братьями по разуму), лабораторию для исследования звезд и планет, а также рацию для связи с Землей. Обычными ракетами эти крохотные зонды доставляются на орбиту, откуда электромагнитная пушка выстреливает их в направлении ближайших звезд. Далее они уже сами увеличивают свою скорость, перелитая от звезды к звезде и по пути проводя исследования.
Имея небольшой размер, микрозонды смогут вторгаться в области относительно плотной межзвездной и межпланетной материи, сближаться с компактными и массивными объектами. Кстати, малая стоимость зондов позволяет довольно просто решить проблему их связи с Землей. Одинокому зонду трудно решить эту задачу в силу небольшой мощности его передатчика. Но, запуская по одной траектории последовательно несколько аппаратов, мы на первом этапе обеспечиваем радиорелейную связь (то есть передачу по цепочке). Позже, когда микрозонды заполнят околосолнечную область Галактики, легко будет организовать сетевую связь, этакий космический интернет.
Стратегия исследования Галактики с помощью микрозондов составляет предмет отдельного исследования. При этом необходимо рассмотреть методы осуществления оптической связи как наиболее предпочтительной на дальних расстояниях, а также способы возвращения зондов в район старта. Кстати, если подобные зонды, запущенные из других планетных систем, время от времени проходят через Солнечную систему, то обнаружить их сейчас нет никакой возможности. Вероятно, в таком же положении окажется большинство наших братьев по разуму, поскольку им тоже будет сложно обнаружить наши зонды. Поэтому подобный способ "микрозондажа" Галактики представляется наиболее безопасным и ответственным по отношению к человечеству. Такая стратегия чрезвычайно привлекательна для цивилизаций, делающих первые шаги на пути колонизации космоса.
В заключение должен заметить, что описанная здесь идея межзвездных путешествий отнюдь не сумасшедшая. Научные статьи о ней, содержащие детальные расчеты, были благосклонно приняты коллегами, так что дело теперь за инженерами, способными воплотить идею в реальных устройствах.
Кандидат физико-математических наук В. Сурдин.