[Перевод] Добраться до космоса
Рокуны Ван Аллена нельзя было запущены в Айове из опасения, что выпущенные ракеты упадут в Айове или на его дом. Обратив свой прежде обретенный гипноз на официальный Вашингтон, Ван Аллен обнаружил, что он все еще не утратил эффективности. Береговая охрана согласилась взять Ван Аллена и его Рокуны на борт ледокола Иствинд, направляющегося в Гренландию, где магнитное поле Земли отклоняет космические лучи в сторону магнитного полюса.
Победа с апельсиновым соком. Первый воздушный шар поднялся на высоту 20 км, но ракета, подвешенная под ним, не запустилась. Второй Рокун повел себя таким же непонятным образом. Исходя из теории, что экстремальный холод на большой высоте мог остановить часовой механизм, который должен был запускать ракеты, Ван Аллен подогрел банки с апельсиновым соком, поместил их в гондолу третьего Рокуна и обернул все это дело изоляцией. Это сработало.
В 1953 году Ван Аллен был временно переведен с Рокун на проект Принстонского университета по разработке термоядерной энергии. Но его аспиранты из Айовы продолжили испытания Рокун у побережья Ньюфаундленда. Однажды студенты взволнованно позвонили Ван Аллену в Принстон. По словам студентов, космические лучи вблизи Ньюфаундленда достигали невероятно высокой интенсивности на высоте более 50 км.
Очевидно, заключил Ван Аллен, «происходило что-то дикое и непонятное». Северное сияние наиболее интенсивно в широтах к северу от Ньюфаундленда. Считалось, что это вызвано какими-то заряженными частицами, падающими дождем из космоса и концентрирующимися вокруг Северного Магнитного полюса под действием магнитного поля Земли. Тогда Ван Аллен еще не мог предположить,что «космические лучи», обнаруженные его Рокунами, были напрямую связаны с северным сиянием и на самом деле были краями всемирного радиационного пояса, который ему предстояло открыть пять лет спустя.
Далее спутники. Рокуны вознесли его так высоко, как только могли. Ван Аллен начал проявлять интерес к спутникам. Со времен работы в Уайт Сэндс он следил за ракетной техникой США. Его сотрудничество с военно-морским флотом было долгим и приятным, но он стал ярым сторонником армейской ракеты Юпитер-С, высокоскоростные ступени которой были разработаны лабораторией реактивного движения Пикеринга. «Я довольно сильно разозлился в Вашингтоне из-за Юпитера» —признается он. Но Пентагон отказался от Юпитера в пользу Авангарда военно-морского флота.
Несмотря на его искреннюю приверженность, статус Ван Аллена как лучшего инструменталиста в области космоса к тому времени был настолько неоспорим, что ему было поручено разработать инструментарий для Авангарда Он послушно принялся за работу. Но все-таки принял меры предосторожности и выяснил, что именно планировала армия для своего секретного спутника Эксплорер-1. Военные сообщили ему, что они имеют в виду цилиндр диаметром 15 см. Вовсе не случайно набор инструментов, который Ван Аллен выпустил для 53 сантиметровой сферы Авангарда был цилиндрическим и 15 см в диаметре.
Непосредственное производство находилось в руках молодого (31 год) Джорджа Людвига, аспиранта, который проявил себя как гениальный механик в новом, кропотливом деле создания космических приборов. Каждый грамм имеет значение, потому что доставка каждого грамма на орбиту обходится во многие тысячи долларов. Крошечные, похожие на насекомых компоненты должны выдерживать огромные перегрузки, вибрацию и вращение, выдерживать резкие перепады температур.
Людвиг создает черновую макетную модель схемы с действующими транзисторами, резисторами и другими компонентами. После проверки схемы компоненты монтируются на пластиковые диски. В типовой упаковке может содержаться несколько сотен диодов, транзисторов и резисторов. Все свободное пространство между паукообразными деталями обычно заполняется пенопластом. Затем все устройство опускают, встряхивают, подбрасывают, нагревают и охлаждают.
Первый бип. Поскольку работа шла полным ходом и в ближайшее время запуск спутника не ожидался, Ван Аллен был не из тех, кто сидит сложа руки. Он поднялся на борт ледокола ВМС США Глейсер и направился в Антарктиду для измерения космических лучей вблизи Южного магнитного полюса. 4 октября, когда Глейсер двигался на юг через Тихий океан, по корабельному радио поступило сообщение о том, что русские запустили спутник. Ван Аллен принялся за работу с 20-мегагерцовым приемником Глейсера, и через полчаса из него послышались энергичные звуковые сигналы. Это был Спутник I. Русские одержали первую победу в космической гонке.
Свободный мир жаждал действий США по запуску спутников. Но программа Авангард все еще работала с перебоями. Внезапно Ван Аллен получил радиограмму от Пикеринга. Армия наконец-то получила разрешение испытать свой спутник. Он спросил, одобрит ли Ван Аллен перенос его приборов на Юпитер-С.
Ван Аллен немедленно телеграфировал свое согласие и передал Людвигу, чтобы тот упаковал все свои приборы и срочно отправил их в Лабораторию реактивного движения в Пасадене. Затем он вылетел обратно из Новой Зеландии. В Пасадене они с Пикерингом решили, что полезная нагрузка — в основном счетчик Гейгера для обнаружения космических лучей в космосе и два невероятно легких, но мощных радиопередатчика — должна измениться только в одном. В ней еще находился миниатюрный магнитофон для записи данных о космических лучах во время полета вокруг Земли и последующей быстрой передачи их при получении закодированного сигнала, посылаемому с Земли. Разработанный для Авангарда, этот элегантный аппарат не смог бы работь в Explorer-I, который вращался слишком быстро. Поэтому его сняли, а Explorer-I должен был вести непрерывную трансляцию.
Таинственная тишина. 31 января 1958 года ракета-носитель Юпитер-С, запущенная с мыса Канаверал, вывела Эксплорер-I на точную орбиту. Имея в своем распоряжении два мощных спутника, с которыми можно было конкурировать, США возлагали надежды превзойти русских, рассчитывая на превосходство приборов Ван Аллена.
Ван Аллен ждал в Айова-Сити. Через несколько дней со станций мониторинга в США начали прибывать длинные широкие бумажные ленты с волнистыми красными линиями. Количество космических лучей, которое они показывали, не было чем-то необычным. Но через две-три недели записи начали поступать со станций в Южной Америке. «Как только мы начали их просматривать, мы увидели поразительную ситуацию». Над США, где спутник пролетал низко, скорость составляла около 40 отсчетов в секунду. Но над экваториальной областью, где спутник поднимался к своей наивысшей точке, скорость отсчетов была намного меньше. На некоторых двухминутных отрезках отсчетов вообще не было. Говорит Ван Аллен: «Моей первой мыслью было: Пушки отличные! Что-то пошло не так с аппаратурой! Но потом мы получили записи из Северной Америки, и все снова стало казаться нормальным».
Были высказаны всевозможные предположения, объясняющие необычное поведение Эксплорера в экваториальной области. Возможно, странное магнитное поле отводило все космические лучи от экватора. Возможно, чередование солнечного света и тени влияло на счетчик Гейгера. Ни одно объяснение на самом деле не сработало.
Эксплорер II рухнул в воды Атлантического океана в начале марта, но Эксплорер III был успешно запущен 26 марта. В нем была модифицированная версия магнитофона того самого Джорджа Людвига — удивительного маленького прибора, полного крошечных сверкающих деталей, который весил всего 230 грамм. Если бы он сработал, то за пять секунд были бы получены все данные о космических лучах со всей орбиты.
28 марта Ван Аллен получил первую запись и просидел над ней всю ночь. Количество космических лучей казалось разумным, пока железная птичка находилась на небольшой высоте. Когда она поднялась выше, скорость быстро возрастала. Затем, по какой-то необъяснимой причине, счет снижался до нуля и оставался на прежнем уровне до тех пор, пока птичка снова не вернулась на более низкую высоту.
Перегруженная трубка. Озадаченный Ван Аллен поспешил обратно в Айову, где его ассистенты, доктора Карл Макилвейн и Эрнест Рэй, ломали голову над копией той же ленты. Все трое почти одновременно нашли решение. Высоко взлетевшая трубка счетчика Гейгера оказалась перегруженной из-за слишком большой дозы какого-то вида радиации. Это слабое место трубок Гейгера. Если требуется считать слишком много показаний в секунду, они выходят из строя и вообще не считываются.
Удивительный вывод: Земля была окружена поясом интенсивной радиации, который, по-видимому, удерживался магнитным полем Земли. Он может оказаться достаточно смертоносным, чтобы серьезно помешать попыткам человека полететь в космос.
Это заявление вызвало бурю негодования в высших вашингтонских кругах. Ван Аллен узнал, что по предложению физика Николаса Кристофилоса из Ливерморской лаборатории Министерство обороны планировало запустить проект Argus, в рамках которого три атомные бомбы должны были взлететь над атмосферой и взорваться (TIME, 30 марта). Предполагалось, что высвобождаемые высокоскоростные электроны будут перемещаться вокруг Земли под действием магнитного поля Земли. Открытие Ван Аллена о том, что природа уже обеспечена такими электронами, стало для них значительным потрясением.
Обладая отточенным мастерством маневрирования, Ван Аллен воспользовался преимуществами проекта Argus для продвижения своих собственных исследований. Он предложил запустить новый спутник на орбиту, более сориентированную на линию с севера на юг, чем любой из его предшественников. Двигаясь таким образом, объяснил он, можно было бы лучше наблюдать за результатами проекта Argus. Кстати, это также позволило бы ему охватить естественный радиационный пояс в тех широтах, которых не достигали прежде запущенные спутники.
26 июля Эксплорер IV вышел на орбиту 51°. На нем были установлены сложные приборы, предоставленные лабораторией Ван Аллена для различения «жесткого» и «мягкого» излучения, а также экранированные счетчики Гейгера, предназначенные для подсчета интенсивности излучения на чрезвычайно высоких уровнях без отключения. 27 августа первый выстрел Argus заставил искусственные электроны совершать зигзаги вокруг Земли. Спутник прорезал их туда и обратно, совершив около 250 проходов, прежде чем 20 сентября его батареи разрядились.
За пределами Северного сияния. Когда Ван Аллен делал свой первый открытый отчет об Эксплорере IV, ему пришлось избегать любых упоминаний об Аргусе из соображений военной безопасности. Но ему было что рассказать о естественной радиации. Он мог с уверенностью сказать, что человеческий экипаж спутника, подвергшийся максимальному воздействию радиации Ван Аллена в течение нескольких дней, наверняка погибнет. Было похоже, что свирепая мощь частиц, которые сталкиваются с землей в полярных областях, и является объяснением древней тайны северного сияния.
Ни один из трех крупных российских спутников не сообщал об излучении Ван Аллена. Одна из теорий заключается в том, что русские перехитрили сами себя, отказавшись сообщать внешнему миру, как интерпретировать сигналы со своих спутников. Поскольку над советской территорией пролегали только низкие участки орбит спутников, российские ученые никогда не получали сообщений с больших высот. Если на каком-либо из спутников и были магнитофоны, они, по-видимому, не работали.
Другая теория заключается в том, что трубки Гейгера спутников не работали вблизи апогея из-за излучения Ван Аллена, и что российские ученые не знали, как интерпретировать это странное поведение. Живая собака, которую поместили внутрь Спутника II, умерла примерно через неделю, но россияне не сообщили, была ли она поражена лучевой болезнью. Скорее всего, они этого и не знали.
Щель. Ван Аллен по-прежнему знал только о нижней части верхнего слоя излучения. Он стремился подняться еще выше. Он начал переговоры о размещении своих приборов в проектируемых лунных зондах. Когда осенью 1958 года Pioneer I поднялся на высоту 115 000 км и начал снижаться, приборы Ван Аллена на его борту имелись. Но на этот раз они не сработали должным образом. Pioneer II потерпел неудачу, но в декабре Pioneer III поднял его приборы на высоту 100 000 км, транслируя их показания на протяжении всего пути.
На Pioneer III Ван Аллен обнаружил, что существует не один, а два радиационных пояса со щелью низкой интенсивности между ними. Изучая записи, он пришел к выводу, что внешний пояс состоит из более слабых частиц, предположительно протонов и электронов, которые исходят от Солнца. По своим внешним краям он изгибается вниз в виде «рогов», которые врезаются в атмосферу вблизи магнитных полюсов. Именно эти рога и вызывали северное сияние.
Выводы Ван Аллена подтвердились, когда Pioneer IV пролетел мимо Луны и вышел на орбиту вокруг Солнца. Его крошечный радиопередатчик весом в 450 г, за которым следили приемные станции Лаборатории реактивного движения на протяжении 650 000 км, сообщил, что внешний радиационный пояс гаснет неравномерно. За ним наблюдаются нерегулярные всплески излучения, которые могут быть облаками электронов и протонов, прилетающих прямо с Солнца. Такие невидимые облака в космосе могут представлять серьезную опасность для будущих путешественников в дальний космос.
Ван Аллен резюмировал свои выводы: «По-видимому, на Солнце что-то происходит. Оно испускает выбросы газов. Резервуары над нашей Землей трясутся, как тарелка с желе. Излучение капает с краев и вызывает полярные сияния на Северном и Южном полюсах».
Дыра в космосе. Ван Аллен, хорошо известный в своей профессии, в которой царит зависть, с веселым презрением относится к своей новообретенной значимости. Недавно, как он рассказал на торжественном собрании ученых, его попросили дать определение пространства. «После обширной исследовательской программы, которая в значительной степени зависела от использования нескольких высокоскоростных компьютеров, я рад предложить вам результат: Пространство — это то, в чем находится все остальное. Другими словами: Пространство — это дыра, в которой мы все находимся».
В период повторяющихся кризисных ситуаций он может ограничиться яблоком на обед или вообще отказаться от него, но все равно находит время запускать воздушных змеев со своими четырьмя детьми («небольшое высотное исследование», как он это называет), любит работать в своей подвальной мастерской. Его последнее достижение: модель крытого фургона, в котором могут поместиться его девятилетняя дочь и ее друзья. Он выражает глубокую признательность блестящим ассистентам и студентам, которые собрались вокруг него. «Я здесь в некотором роде вожатый у скаутов» — мягко говорит он.
В числе ближайших интересов Ван Аллена — 9-килограммовый спутник, запуск которого запланирован на следующую осень. Если все пойдет хорошо, он выйдет на узкую эллиптическую орбиту, достигнув в апогее шести радиусов Земли (40 000 км). Он должен просуществовать сотни лет, и у него будут солнечные батареи, которые будут поддерживать его радиоголоса в течение длительного времени. В его обязанности будет входить постоянное наблюдение за радиационным поясом, изучение того, как на него влияют солнечные пятна и другие солнечные извержения. Эти колебания могут оказать существенное влияние на погоду на Земле.
Далее: Венера. Как и большинство других ученых, Ван Аллен не спешит отправлять человека в космос. «Сегодня человек — это невероятная помеха в космосе», — говорит он. «Он не стоит всех затрат на то, чтобы поместить его там и обеспечить ему комфорт и работу». Инструменты легче, прочнее и менее требовательны, они чувствительны ко многим вещам, которые человеческие органы чувств игнорируют. У них уже есть память (магнитофоны), и они могут носить с собой компьютеры, которые позволят им выносить суждения. Пилотируемый аппаратурой зонд Венера должен иметь возможность проводить наблюдения и корректировать свой курс, запуская небольшие ракеты, когда он приблизится к своей цели. Возможно, он обогнет Венеру, а затем вернется на траекторию полета к Земле.
Такой аппарат имел бы важное военное значение. Но Джеймс Ван Аллен, настоящий ученый, ставший космонавтом, смотрит на такие проекты проще. Он говорит: «Спутник — это естественное продолжение ракет, которые являются естественным продолжением самолетов и воздушных шаров, которые являются естественным продолжением лазания человека по деревьям и горам, чтобы подняться выше и таким образом получить лучший обзор».