IV

Перед стартом к звездам

О размерах экрана-отражателя
электромагнитных волн

К

онечно, время технического конструирования галактических кораблей еще не пришло. Однако хочется, чтобы рисунки галактических кораблей, которые публикуются в популярной литературе, были не только созданием творческой фантазии художника, но, хотя бы в небольшой части, также и результатом сугубо ориентировочных технических расчетов.

Если предположить, что мечты астронавтов сбылись — сложные теоретические и экспериментальные проблемы решены и постройка галактических кораблей стала технически осуществимой задачей, — можно попытаться оценить хотя бы масштабы галактического корабля и, прежде всего, его экрана, отражающего узким пучком поток электромагнитных волн, обеспечивающих создание тяги.

В радиолокационной технике для определения диаметра антенны (экрана) пользуются зависимостью

(4.1) где φ_л — ширина диаграммы направленности в радианах, взятая на уровне половинной мощности N (рис. 25), т. е. при таком изменении направления от максимума (от оси антенны), при котором мощность излучения падает наполовину (значением φ_л обычно задаются).

Поглощение мощности в экранах обычных радиолокационных станций в тех случаях, когда производится локация целей, столь ничтожно, что оно не учитывается при проектировании антенн. Поскольку паузы между импульсами радиолокационных станций многократно превышают продолжительность самих импульсов, экран сколько-нибудь существенно не нагревается даже при импульсе в несколько тысяч киловатт¹.

¹ По данным зарубежной печати, локация Луны выполнялась в диапазоне длин волн от 13,6 до 10 см. Для работ в метровом диапазоне применялась параболическая антенна, представляющая собой чашу диаметром 80 м, заасфальтированную внутри и выложенную металлической отражающей сеткой. Мощность генератора составляла более 2 тыс. квт при длительности импульса в несколько микросекунд.

Напротив, при использовании квантолетов абсолютная величина мощности, потерянной в экране, может быть значительной и даже определяющей при выборе размеров экрана.

Рис. 25. Примерная зависимость размеров экрана первой ступени галактического корабля от коэффициента поглощения энергии ξ в материале экрана 1 — «минимальный» звездолет; 2 — «максимальный» звездолет (с предполагаемой максимальной скоростью vк = 94% с)

Поэтому после определения размеров экрана, исходя из потерянной в нем мощности, уравнение (4.1) может быть использовано лишь для определения угла раствора луча. Естественно, что чем меньше угол раствора луча, тем меньше дополнительные потери тяги. Далее мы будем принимать, что угол луча не должен превышать 1°. Обратимся к приближенному определению размеров экрана квантолета.

При отношении масс аппарата М, определенном с помощью уравнения (3.4), масса аппарата на старте должна составлять:

M₀ = М_К·.(4.2)

Для сообщения звездолету необходимого (выбранного) постоянного ускорения а в начале участка О — I тяга двигателя (первой ступени) должна составлять:

F = M₀·a. (4.3)

Для создания единицы тяги за счет электромагнитного излучения при идеально отражающем экране нужно располагать мощностью

N = Fk, (4.4) где k — коэффициент преобразования мощности источника излучения в тягу (как было отмечено выше, для получения тяги, равной 1 т, необходима мощность около 3 млрд. квт).

Обозначив коэффициент поглощения мощности в экране через ξ, получим, что тепловыделение в экране может быть определено из зависимости:

N_э = F·k·ξ (4.5)

Звездолет представляет собой по существу небесное тело, находящееся в лучистом теплообмене с окружающим пространством. Будем считать, что в связи с очень продолжительным временем работы экрана его собственная теплоемкость может практически не учитываться. Кроме того, поскольку звездолет, летящий от Солнца к Проксима Центавра, может стартовать с отдаленного от Солнца космодрома в нашей Солнечной системе и большую часть времени находиться в межзвездном пространстве, вдалеке от обеих звезд, влияние их тепловой радиации на экран не учитывается. Отметим также, что давление лучей Солнца на экран уходящего от Солнечной системы галактического корабля будет создавать очень небольшую дополнительную тягу.

Тогда, задавшись допустимой температурой экрана Т (по Кельвину), с учетом закона Стефана-Больцмана, позволяющего оценить полную энергию излучения черного тела (из условия, чтобы температура экрана не превысила допустимой), можем написать:

N_э = Nξ = C₀T⁴εФ (4.6)

откуда поверхность излучателей экрана равна:

(4.7) где С₀ — коэффициент испускания абсолютно черного тела (в нашем случае стержней конструкции экрана);

ε — коэффициент собственного излучения стержней экрана. Как и для всякого другого тела, обладающего сравнительно низкой температурой, это излучение лежит в инфракрасной области спектра (длина волн около 10 мк)

Ф — площадь поверхности стержней, составляющих экран.

При длине волны λ, ширина ячейки экрана должна составлять примерно . Принимая, что экран собирается из стержней (трубок) с диаметром d и поверхностью стержня, составляющего одну сторону ячейки можем написать зависимость для определения числа квадратных ячеек экрана:

(4.8)

Принимая экран плоским, квадратным и зная число его ячеек, нетрудно написать выражение для определения размера стороны экрана:

или, в свою очередь, Dэ_сф=0,8H, где Dэ_сф — диаметр полусферы той же поверхности, что и квадратный экран (эквивалентная поверхность полусферического экрана).

Подставив все найденные промежуточные величины в уравнение для определения диаметра полусферического экрана, получим обобщенное уравнение для оценки Dэ_сф

(4.9) или из уравнений (4.2)-(4.5): (4.10)

Воспользуемся последним уравнением для определения диаметра экрана «минимального» звездолета, т. е. такого, который позволяет осуществить полет с минимальным ускорением из условия завершения полета в пределах жизни одного поколения (а =0,2 м/сек). Схема полета в этом случае представлена на рис. 18. Примем, что груз (пассажирская кабина, экипаж, научное оборудование и пр.), который должен быть возвращен в Солнечную систему, имеет массу¹ 100 т·сек²/м. Тогда, как это следует из расчетов, приведенных выше, отношение масс должно составлять , а значит, минимальная масса аппарата при отлете с космодрома в Солнечной системе должна составлять около 350 т·сек²/м (земной вес равен примерно 3500 т — вес железнодорожного состава).

¹ Естественно, что приводимая оценка справедлива для любого числа масс по 100 т·сек²/м, возвращающихся в Солнечную систему. Принципиально же столь большой вес возвращающейся части корабля (ранее мы принимали минимально возможную массу возвращающейся части корабля 20 т·сек²/м) взят ввиду крайне продолжительного рейса и вероятного несовершенства силовой установки квантового корабля «первой очереди».

Для сообщения звездолету ускорения 0,2 м/сек² в начале участка О — I тяга должна составлять:

F = M₀a = 350·0,2 = 70 т. Наибольший размер экрана и будет соответствовать условию создания такой тяги.

Поскольку, как отмечалось ранее, для создания 1 т тяги за счет электромагнитного излучения при идеально отражающем экране нужно располагать мощностью около 3 млрд. квт, общая необходимая мощность согласно уравнению (4.4) должна составлять 210 млрд. квт и соответственно тепловыделение в материале экрана 210 млрд. квт. Необходимые размеры экрана будут зависеть от значения ξ — коэффициента потерь, от поглощения мощности в экране. Естественно, что по мере уменьшения коэффициента потерь мощности размеры экрана будут уменьшаться.

Оценка размеров экрана выполняется при ряде значений ξ. Очевидно, что придется добиваться такого значения ξ, чтобы размеры экрана оставались технически приемлемыми, или, напротив, при большом значении ξ, если не удастся его уменьшить, изыскивать такие конструктивные способы создания экрана, которые позволили бы сохранить его прочность и работоспособность¹.

¹ По мере выработки массы звездолета для сохранения a=const тяга должна уменьшаться, а значит могут уменьшаться и размеры экрана. Эта задача может решаться, например, путем постепенного сбрасывания внешних кольцевых частей экрана звездолета.

Для дальнейшего расчета воспользуемся уравнением (4.9). В этом уравнении могут быть приняты следующие значения ряда величин. Согласно вычисленному выше, N = 210 млрд. квт = 210-10¹² вт = 5·10¹³ кал/сек; λ = 200 см; С₀ = 1,36·10^-12; ε = 1; Т = 573°К.

С ростом абсолютной температуры стержней, составляющих решетку экрана, возрастает и его нагрев вследствие увеличения коэффициента поглощения. Ввиду этого мы и остановились на ориентировочной величине допустимого подогрева Т = 300° С = 573°К. Диаметр стержней предварительно принят равным 1,12 см, при этом на единицу его длины приходится поверхность в 1 см². Вероятно, целесообразно использовать не стержни, а трубки того же диаметра, что позволит уменьшить массу конструкции экрана без существенного ущерба для его прочности. Напомним также, что экран находится в состоянии невесомости и нагружается только равномерно распределенной нагрузкой — силой тяги F =70 т.

Приняв в первом случае ξ = 10^-9 и подставляя известные величины в уравнение (4.10), получим диаметр экрана, равный 12 м. При увеличении коэффициента ξ размер экрана будет расти согласно зависимости:

(4.11)

Результаты соответствующего расчета сведены в табл. 6; на рис. 25 построена кривая D =f(ξ).

Размеры экрана при различным значениях коэффициента потерь ξ

Коэффициент потерь ξ	«Минимальный» звездолет F0 = 70 т		«Максимальный» звездолет F0 = 5200 m
	диаметр, м	площадь, м2	диаметр, м	площадь, м2
10-9 10-8 10-7 10-6 10-5	12 37,8 120 358 1.2·103	226 2,26·103 2,26·104 2,26·105 2,26·106	103 325 1 030 3 250 10 300	17,2·103 17,2·104 17,2·105 17,2·106 17,2·107

Обратимся к оценке размеров экранов ступеней «максимального» квантолета, развивающего скорость порядка 95% от световой, чему отвечает, согласно уравнению (3.4), = 1300. Задаемся массой, возвращающейся в Солнечную систему, равной 20 т·сек²/м. Тогда исходная масса звездолета при старте равна 26·10³ т·сек²/м (земной вес порядка 260 тыс. т), а тяга и мощность двигателя первой ступени звездолета для получения ускорения а = 0,2 м/сек² соответственно равны F₀ = 5,2·10³ т; N = 15,6·10³ млрд. квт.

В результате для ряда значений ξ получим размеры (диаметр и поверхность экрана), также представленные в табл. 6 и на рис. 25. Как видно, коэффициент потерь следует уменьшать по возможности до ξ = 10^-8. В наше время экранов с такими ничтожными коэффициентами поглощения не существует. Как отмечалось ранее, достигнутое значение ξ для медного экрана при λ = 2 м составляет 0,310^-5. Получение ξ = 10^-8 несомненно будет связано с преодолением больших трудностей. При этом желательно увеличить диаметр стержней, из которых собран экран; это будет больше соответствовать конструктивным размерам звездолета и позволит несколько уменьшить исходную массу экрана.

Вторая ступень рассматриваемого звездолета имеет массу, равную ¹/₆ первой, и поверхность экрана ее двигателя составляет ¹/₆ поверхности экрана первой ступени. Диаметр ее экрана равен В том же отношении к поверхности экрана второй ступени находится экран третьей ступени, и наконец, к экрану третьей ступени — экран последней, четвертой ступени. В результате последняя, четвертая ступень и ее экран оказываются близкими по размерам к тем, которые необходимы «минимальному» звездному кораблю.

В освоении Вселенной огромна роль радиотехники. По-видимому, она должна будет сказать решающее слово и при создании экрана-излучателя — одного из основных узлов двигателей галактических кораблей.

Некоторые особенности сборки звездолета
и связи с ним

Создание звездолета в космическом пространстве на орбите спутника Земли потребует точного вывода на эту орбиту деталей, частей галактического корабля и сосредоточения их в одном месте для сборки. Такая круговая орбита может, например, находится на расстоянии ~ 36,8 тыс. км от Земли. На этой высоте спутник обращается вокруг Земли ровно за сутки, а значит, имеет такую же угловую скорость, как и Земля. Это обеспечит постоянное расположение места монтажа над одним и тем же участком местности, а значит, в известной мере облегчит наблюдение за ходом сборки и связь с Землей, связь земной и космической строительных площадок.

Поскольку техническое создание звездолета предполагается как этап, следующий за глубоким всесторонним овладением околосолнечным пространством, доставка частей звездолета к месту сборки, вероятно, будет успешно осуществлена. Таким образом, галактический корабль может быть собран подобно тому, как ныне собирают стандартные дома, пользуясь крупными блоками, панелями, заранее изготовленными и испытанными на предприятиях. Вероятно, к этому времени многие детали солнечных ракет и доставляемые ими грузы будут стандартизированы, как сейчас стандартизированы, например, элементы сборочных стапелей на предприятиях и стройках, а также размеры и веса грузов, перевозимых железными дорогами. Эти стандартизированные узлы, кабины, пустые топливные баки, корпуса последних ступеней ракет, доставляемые на орбиту в определенное место, и послужат основой конструкции звездолета. Лишь часть элементов будет изготавливаться специально для данного корабля. Возможно также использование в качестве строительного материала элементов ранее созданных спутников, выполнивших свои задачи.

Известные трудности возникнут в связи с тем, что сборщики звездолетов должны будут работать в условиях космического пространства. В качестве защиты от воздействия холода и опасных излучений, по-видимому, будут использоваться специальные костюмы. Возможно также применение кабин, в некоторой степени напоминающих кабины современных подъемных кранов, но снабженных необходимыми средствами защиты, а также небольшими реактивными двигателями и манипуляторами для проведения внешних работ. Такие манипуляторы могут быть подобны тем, которые используются для работы с радиоактивными веществами.

Кроме того, например для получения плотных сварных швов, вероятно, потребуется создание искусственной силы тяжести путем придания вращения элементам, подлежащим сварке (вместе со сварщиком). Однако все эти трудности технического порядка можно преодолеть.

С другой стороны, какое благодатное поле для строительства — свободное от тяжести пространство, где самые крупные детали можно будет передвигать с помощью небольших устройств, создающих реактивную тягу.

Изогнутые стекла и компактные линзы, концентрирующие солнечные лучи, станут универсальными сварочными аппаратами космических сварщиков, использующих достижения гелиотехники. Сварочные швы, полученные в условиях глубочайшего вакуума космического пространства, обеспечат полную и столь необходимую герметизацию каждого из отсеков звездолета. После того как отсек герметизирован, монтаж его внутренних узлов может выполняться в искусственно созданной атмосфере без специальных костюмов.

---

Может быть так будет выглядеть межзвездный корабль, отправляющийся в путь к далеким мирам.

---

Следует подчеркнуть, что при постройке галактического корабля как бы моделируется звезда (двигатель корабля) с планетным миром (кабина экипажа), в котором обеспечивается физико-химический круговорот вещества. К. Э. Циолковский предлагал создавать на звездолетах оранжереи — растительные миры этих микропланет.

Проведенное в последние годы изучение одноклеточной зеленой водоросли хлореллы показало, что, потребляя углекислый газ, она способна служить своеобразной фабрикой кислорода. Литр суспензии хлореллы выделяет за сутки 10 л кислорода. Она состоит наполовину из полноценного белка, жиров, углеводов, витаминов и размножается с изумительной быстротой. По всей вероятности, хлорелла будет ценным спутником космонавтов.

Представляется целесообразным отправлять даже в первое межзвездное путешествие не один, а одновременно несколько галактических кораблей, двигающихся в пространстве возможно ближе один к другому с одинаковыми скоростями. Это позволит оказать помощь любому из кораблей в случае аварии, увеличит шансы благополучного исхода экспедиции. Наконец, у каждого из астронавтов не будет столь острого чувства оторванности от родного мира. Следует отметить и некоторые другие обстоятельства, специфические для звездолета.

Задача поддержания заданного теплового режима элементов силовой установки и, главное, кабин экипажа усложняется тем, что галактический корабль уходит из системы одной звезды, а попадает в систему другой или других звезд, отличающихся по характеру и силе излучения от нашего Солнца. И хотя, по всей видимости, звездолет будет направляться к звездным системам, сходным с Солнечной, все же его оборудование для поддержания теплового режима и средства защиты экипажа от излучений должны быть рассчитаны на значительно больший интервал воздействий, чем у спутника Земли, либо у космического корабля, предназначенного для полетов внутри Солнечной системы.

Силовая установка звездолета должна работать многие годы (для «минимального» звездолета — все годы полета). Трудности обеспечения этого требования становятся особенно очевидными, если мы вспомним, что двигатели и, в частности, камеры сгорания, даже если сложить вместе время работы двигателей всех ступеней современных многоступенчатых ракет, работают лишь в течение нескольких сот секунд. А ведь, например, устройства для получения энергии из вещества будут, вероятно, куда более напряженными в тепловом отношении, чем камеры сгорания. Кроме того, вся бортовая аппаратура, приборы, оборудование галактического корабля должны быть рассчитаны на очень длительный срок (как мы условились, по крайней мере на 50 лет) бесперебойной эксплуатации. Они должны сохранять надежность в условиях очень продолжительной работы при различных ускорениях (для «минимальных» звездолетов — в основном малых). Столь же долговечными должны быть энергетические источники питания аппаратуры. Очевидно, придется предусматривать обеспечение питанием наиболее ответственных узлов звездолета от двух источников: от основной двигательной установки и от специального аварийного источника энергии, не зависящего от основного двигателя, например — автономной атомной энергетической установки, позволяющей обеспечить работу механизмов корабля при необходимости остановки его основного двигателя.

Совершенно обязательно также создание надежной двухсторонней связи минимального звездного корабля с пославшей его цивилизацией.

Такая связь нужна не только для передачи информации, но и для того, чтобы ослабить состояние оторванности от Земли, которое будет испытываться экипажем. Максимальная дальность радиосвязи, достигнутая к настоящему времени, около 35 млн. км. Несомненно, что радиосвязь с кораблями, трасса которых лежит в пределах Солнечной системы, будет обеспечена. Неизмеримо труднее создать средства связи с галактическим кораблем на межзвездных расстояниях. Даже если такую связь удастся осуществить, она будет удивительно неоперативной — на двухсторонний обмен телеграммами между кораблем, находящимся, например, в районе Проксима Центавра, и Землей уйдет 8,54 года. Так долго будут путешествовать в оба конца радиоволны. Кроме того, им придется преодолевать многочисленные преграды.

В атмосфере Земли есть окно прозрачности, через которое проникают электромагнитные излучения; чрезвычайно разнообразные атмосферы (а значит и ограниченные окна прозрачности) есть и у некоторых других планет. Это первое «припланетное» препятствие, ограничивающее выбор радиоволн, пригодных для связи. Межзвездные облака также являются преградами для радиоволн. Содержащиеся в таких облаках свободные электроны создают своеобразные межзвездные ионосферы, поглощающие и отражающие радиоволны.

Потоки космического радиоизлучения, заполняющие пространство вокруг каждой звезды, радиоизлучение межзвездного газа и соседних галактик — источники помех для приемных устройств. Наконец, пояса повышенной радиации, подобно ореолу окружающие Землю и имеющие просветы только в приполярных областях, могут оказывать вредное влияние на работу радиоустройств и, в частности, полупроводниковых приборов.

Для успеха галактического путешествия необходимы не только станции радиосвязи с кораблем, но также и между кораблями, станции, обеспечивающие обнаружение метеоров, решение задач навигации и других вопросов.

Сегодня могут быть намечены пути, позволяющие преодолеть или обойти некоторые из трудностей, препятствующих организации двухсторонней радиосвязи в галактике. Прежде всего для посылки радиосигналов на межзвездные расстояния необходимы сверхмощные передатчики и антенны с огромным усилением. Для этого нужны антенны высокой направленности, излучающие узкий пучок радиоволн. Это, в свою очередь, заставляет точно наводить антенну и, кроме того, требует, чтобы корреспондирующие пункты находились на линии прямой видимости, либо чтобы использовались промежуточные станции, ретранслирующие сигналы от одной цели к другой.

Радиоастрономия, создавшая гигантские подвижные и неподвижные антенны, внесла неоценимый вклад в космическую радиотехнику. Радиотелескопы — это сверхчувствительные радиоприемники космической радиолинии. Крупнейшая из современных подвижных антенн, установленная в Джодрелл Бенк (Англия), имеет параболическое зеркало диаметром 73 м. Неподвижная антенна Пулковской обсерватории протянулась в горизонтальном направлении на 120 м. Она способна принять космическое радиоизлучение даже на волне 3 см. Отметим, что диаметр антенн, которые могут располагаться на планетах с атмосферами, ограничен в связи с искажением фронта волны в атмосфере. Так, при длине волны 3 см наибольший диаметр параболлоида в условиях земной атмосферы 150 м.

По-видимому, целесообразно выносить станции связи за атмосферу планет на искусственные спутники или космические тела, подобно Луне не обладающие атмосферой. Но во всех случаях основной передатчик, расположенный на базе, должен быть наиболее мощным и совершенным, что позволит увеличить дальность при ограниченной мощности бортовых устройств. Возможно, что для аппаратуры радиосвязи, действующей на галактических кораблях в космическом пространстве, где господствует почти идеальный вакуум, удастся создать сверхэкономичные сверхмощные передатчики. Правда, это может быть сделано лишь при умеренных скоростях движения кораблей, так как с приближением скорости полета к скорости света увеличивается «плотность» потока частиц, набегающего на галактический корабль.

С ростом расстояний, на которых должна осуществляться радиосвязь, «энергетический голод», испытываемый радиоустройствами, будет возрастать, а следовательно, размещенные на борту энергетические мощности должны увеличиваться. Следует иметь в виду и то, что мощность, необходимая для работы передатчиков, растет с усложнением их задач. Так, для передачи на Землю телевизионных изображений нужна мощность в 1000 раз большая, чем для простой пеленгации. Несомненно, что с решением главной задачи — обеспечения энергетических потребностей квантового двигателя — можно будет выделить для средств связи десятки тысяч киловатт.

Но именно в случае полета со скоростями порядка скорости света, и особенно с приближением к световой скорости, т. е. скорости распространения самих радиоволн, закономерно возникнут эффекты, ограничивающие возможности надежной радиосвязи. Например, при удалении от нашей планеты истинная мощность сигнала, принимаемая на Земле, будет ослаблена больше, чем если бы это уменьшение обусловливалось только увеличением расстояния. Так, при скорости удаления, составляющей половину скорости света, мощность сигнала уменьшится в пять раз. Естественно, что отношение мощности сигнала к мощности «шума» галактики, остающегося примерно постоянным и связанным с пронизывающими ее излучениями, будет уменьшаться, и «шум» будет мешать все сильнее¹. Корабль сможет поддерживать двухстороннюю связь с Землей, только обладая достаточно мощными приемниками и передатчиками высокой чувствительности с ничтожными собственными шумами. Радиостанции, созданные в настоящее время на базе квантовых усилителей, позволяют увеличить чувствительность аппаратуры в сотни раз. С их помощью, по-видимому, удастся получить тонкие как игла и чрезвычайно мощные пучки электромагнитных волн и световых лучей и осуществить радиосвязь на расстояниях в несколько световых лет.

¹ Постоянный уровень «шума» галактики установится, когда корабль удалится от Солнца в межзвездное пространство. Он будет вновь расти с приближением к любой из звезд.

При «убегании» корабля от Земли со скоростью порядка скорости радиоволн сдвинется и частота сигнала, приходящего на Землю. Например, голос, принимаемый с корабля, будет звучать так, словно его запись воспроизводится все более замедленно.

В решении задачи межзвездной радиосвязи может помочь интересная особенность, отмеченная А. И. Зенковским2. Она состоит в том, что время, которое необходимо галактическому кораблю даже для достижения ближайших звездных миров, соизмеримо с временем, необходимым ученым Земли для создания и усовершенствования новых средств связи. Это означает, что можно запустить галактический корабль, располагая средствами связи лишь на части маршрута. Например, при полете к Проксима Центавра специалисты располагали бы примерно 16,6 годами для разработки аппаратуры, позволяющей поймать сообщение с полпути к Земле. В самом деле, только через 14,5 лет после старта минимальный звездолет пройдет половину пути в один конец и пошлет сообщение, которое будет 2,15 года «добираться» до Земли. С очень большим приближением скорости галактического корабля, уносящегося из Солнечной системы, к скорости света связь станет односторонней. Сигналы с Земли слишком долго будут догонять звездолет. В то же время с корабля можно будет посылать радиосообщения на Землю. При этом, наряду с автоматическими — телеметрическими системами, передающими ряд сведений на Землю (возможно, через промежуточные ретранслирующие космические станции) независимо от экипажа, должна предусматриваться также разумная передача новых сообщений и сведений самими астронавтами. Таким образом, возможно сочетание радиотелеметрических и радиосредств связи.

¹ См. А. И. Зенковский. Радиотехника и космические полеты. Энергоиздат, 1960.

На части пути, пока поток квантов, отбрасываемых экраном-отражателем двигателя, будет направлен в сторону Солнечной системы, возможно удастся осуществить передачи, накладывая закономерные колебания на этот поток. Во всяком случае, прием этого луча радиоустройствами, расположенными в системе Солнца, будет свидетельствовать о том, как работает двигатель корабля.

Но не только радиосвязь позволит обеспечить передачу сообщений на Землю или на базу-спутник в Солнечной системе. Экипаж звездолета, например в начале пути, сможет образовывать искусственные сигнальные кометы (успешный опыт автоматического создания такой кометы был проведен при запуске первой советской космической ракеты). Наконец, не исключено, что в Солнечную систему будут отправляться автоматические «возвратные» ракеты с наиболее ценными сообщениями, снабженные относительно небольшими квантовыми двигателями. Возможно, при сборке таких ракет экипажу галактического корабля удастся использовать элементы конструкции тех ступеней, которые как излишняя масса должны быть сброшены при разгоне или торможении звездолета.

Вселенная из окна звездолета

Подобно тому как с приближением источника звука высота тона повышается (например, паровозного гудка с приближением локомотива), при сближении с источником света, согласно известному эффекту Допплера, наблюдается смещение спектральных линий к фиолетовому концу спектра — увеличение частоты и уменьшение длины волны. Напротив, при удалении источника света линии спектра смещаются в сторону длинных волн — к красному концу спектра. На Земле такие эффекты наблюдаются, например, при отражении света от быстро вращающегося зеркала. В астрофизике смещение спектральных линий позволяет оценить относительную скорость Земли и звезд. Наблюдаемое красное смещение в спектрах внегалактических туманностей позволяет утверждать, что совокупность скоплений галактик, расположенных в некотором объеме вокруг Солнца, удаляется от нас со скоростями, приблизительно пропорциональными их расстоянию.

Естественно, что при движении звездолета с очень большими скоростями эффект Допплера может приводить к смещению в спектрах звезд как тех, к которым звездолет приближается, так и тех, от которых он удаляется. Определенным образом должны изменяться и спектры звезд, расположенных сбоку от звездолета.

Напомним, что частота видимого света равна приблизительно 10¹⁵ гц (колебаний в секунду). Длины волн видимого света, т. е. волн, вызывающих световые ощущения в органе зрения человека, измеряются обычно в сантиметрах или ангстремах (1Å = 10^-8 см). Интервал длин волн видимого света λ= 7,6-10^-5÷4-10^-5 см (см. рис. 15).

Исследование волн длиннее, чем 10^-3 см, выполняется с помощью тепловых методов, волн 10^-3÷1,8·10^-5 см — фотографическим, фотоэлектрическим и тепловым методами. Можно ожидать, что некоторые объекты, расположенные в пространстве определенным образом по отношению к звездолету, движущемуся на больших скоростях, перестанут быть видимыми в тех световых волнах, которые позволяли их наблюдать при малых скоростях движения корабля. Остановимся подробнее на этом вопросе.

Если линия, соединяющая источник и наблюдателя, составляет с направлением скорости перемещения угол φ (устанавливаемый наблюдателем), то

(4.12)

Рис. 26. Так сдвигаются частоты электромагнитных волн с ростом отношения 1 — для впередсмотрящего, 2 — для наблюдателя, смотрящего назад, 3 — для бокового наблюдателя

Представим себе впередсмотрящего на ракете, движущейся к звезде (наблюдатель движется навстречу источнику света). В этом случае для φ = 0 из уравнения (4.12) получаем соотношение длины волны, преобразованной, наблюдаемой по лучу зрения λ_набл, и длины волны λ_ист, излучаемой источником:

(4.13)

Скорость движения корабля считается положительной при удалении источника и отрицательной при его приближении. Для впередсмотрящего после подстановки отрицательного значения v под корень получим:

Это значит, что по мере роста скорости длина наблюдаемых волн будет постепенно уменьшаться и свечение будет видимым до тех пор, пока наибольшая длина излучаемой объектом световой волны не измельчится до нижнего порога видимости (0,4 мк). Результаты вычисления λ_набл в зависимости от (если принять, что исходная длина волны источника, при которой можно вести визуальное наблюдение, составит 0,76 мк, т. е. λ_ист = 0,76 мк) представлены на рис. 26 (кривая 1). Как видно, вследствие смещения наблюдаемой частоты в ультрафиолетовую сторону уже при достижении = 0,57 звезда, к которой совершается полет, перестанет быть видимой в диапазоне волн, излучаемых ею, для визуального обозрения неподвижным наблюдателем. На первый взгляд можно заключить, что это приведет к полному почернению пространства перед звездолетом. Но это, разумеется, не так. Очевидно, могут стать видимыми другие, более длинноволновые области спектрального излучения светила. В случае, когда звездолет удаляется от Земли, астронавты, глядя в сторону родной планеты, могут потерять ее из виду раньше, чем улетят на расстояние, где отраженный ею обычно видимый свет становится неразличимым.

Это может произойти потому, что уже при =0,57 нижний край спектра световых волн, приходящих к удаляющемуся звездолету сзади, согласно зависимости (4.13), сдвинется в область ультрафиолетового свечения, которое у Земли весьма слабо (см. кривую 2 на рис. 26).

Согласно частной теории относительности, по мере набора скорости изменились бы также и частоты световых волн, приходящих к кораблю с боков, т. е. при наблюдении через боковые иллюминаторы ракеты. Как это явствует из уравнения (4.12), например при , вследствие «поперечного» эффекта Допплера длина волн, приходящих сбоку, увеличивается по сравнению с длиной волн источника согласно зависимости:

(4.14)

Результаты расчетов с использованием этой зависимости представлены на рис. 26, кривая 3. Итак, при = 0,856 приходящие сбоку световые волны, видимые неподвижным наблюдателем, перестанут визуально наблюдаться в ракете, и, напротив, у астронавтов создастся возможность визуального наблюдения более коротких волн, приходящих от боковых источников излучения.

Таким образом, при сближении звездолета со звездным миром визуальную длину для наблюдателя приобретут излучаемые астрономическими телами волны красной области спектра. Во Вселенной позади звездолёта станут видимыми излучаемые астрономическими телами волны ультрафиолетовой области спектра. С дальнейшим приближением скорости полета к скорости света будут становиться визуально наблюдаемыми все более короткие из волн, излучаемых источником, расположенным сзади.

Естественно, что картина мира как перед наблюдателем, так и за ним изменится. При определенной скорости некоторые из звезд, расположенных позади звездолета, ультрафиолетовая область собственного спектра которых мало интенсивна, вообще перестанут наблюдаться, другие — интенсивные красные звезды, расположенные перед звездолетом, бывшие ранее вообще невидимыми, можно будет рассмотреть.

Поскольку большинство видимых звезд имеет максимум излучения в ультрафиолетовой области, можно ожидать, что позади звездолета число видимых звезд, ярких в визуальной области спектра, увеличится.

Уравнение (4.13) свидетельствует о том, что по мере роста скорости угол, под которым могут наблюдаться из звездолета волны, излучаемые с частотой обычного видимого света, будет постепенно уменьшаться, а значит, и картина звездного мира вокруг ракеты будет изменяться постепенно, и при взгляде в разные стороны пространства — по-разному. Привычный для жителей Земли вид звездного неба будет меняться также и вследствие явления аберрации. Ведь для наблюдателя, движущегося с очень большими скоростями, свет отдаленных звезд приходит под несколько иным углом, чем для неподвижного. Звезды будут сбегаться, сгущаться перед звездолетом и разрежаться позади него. Например, при скорости 260 тыс. км/сек вся передняя полусфера земного наблюдателя размещается для астронавта в конусе с углом раствора всего 30°. Во всяком случае астронавтам придется иметь в виду все эти обстоятельства и заранее предвидеть возможные изменения.

С другой стороны, можно вести наблюдения с помощью следящих приборов (например, тепловых, фотометрических), настраиваемых с поправкой, которая автоматически изменяется со скоростью так, чтобы улавливались «уходящие длины волн» спектра и, таким образом, востанавливалась прежняя визуальная картина мира. Вместе с тем величина необходимых поправок позволит судить о скорости движения звездолета.

дальше!