Від початку космічної ери невдовзі мине 60 років. І саме зараз у справі просування людства до Всесвіту накреслився дуже несподіваний поворот...

З чого все починалося

Як відомо, найперший у світі штучний супутник Землі ПС-1 («простий супутник» № 1) було виведено на орбіту 4 жовтня 1957 року з космодрому «Байконур», який шість десятиріч тому іменувався дещо по-іншому - науково-дослідним полігоном № 5 Міноборони СРСР «Тюра-Там».

ПС-1 і справді, в буквальному сенсі був найпростішою з можливих конструкцією, майже 84-кілограмовою «кулею з антенами». Тіло супутника було зібране з двох 58-сантиметрових напівсфер (виготовлених зі сплаву на основі алюмінію), які були стягнуті між собою 36-ма болтами. Завдяки гумовій прокладці між напівсферами було забезпечено герметичність стику.

Головним елементом «начиння» ПС-1 був радіопередавач. Для забезпечення його сталої роботи в корпусі супутника необхідно було підтримувати прийнятні температурні умови. Враховуючи, що на орбіті Землі супутник перебував у вакуумі, а матеріал корпусу, поряд з невеликою питомою мав високу теплопровідність - завдання не з легких... та ще й робилося все вперше! Отже, температурні параметри всередині корпусу ПС-1 підтримувалися системою терморегуляції, що складалася з термореле, вентилятора і повітропроводу системи терморегулювання, датчиків температури і тиску, бортового комутатора електроавтоматики та бортової кабельної мережі. Водночас, найважчим (близько 50 кг - майже 60% загальної маси) елементом супутника була батарея електрохімічних срібно-цинкових акумуляторів, яка забезпечувала живлення ПС-1.

Останнім суттєвим елементом супутника були чотири зовнішні кутові вібраторні антени, розташовані навхрест на верхній напівоболонці корпусу. Кожна антена складалася з пари плечей по 2,4 м і по 2,9 м завдовжки. Спочатку плечі були складені, а після виходу ПС-1 на орбіту розгорталися на повну довжину. Кут між плечима антен в парі становив 70°. Завдяки подібному розташуванню антен було забезпечено радіовипромінювання в усіх напрямах, близьке до рівномірного. Враховуючи ту обставину, що ПС-1 на земній орбіті якимсь спеціальним чином не орієнтувався, це гарантувало стійкий радіоприйом сигналу супутника в будь-якій точці Землі, над якою пролягала орбіта його польоту.

Й нарешті остання деталь: виведення на орбіту ПС-1 забезпечувала ракета-носій «Супутник», що була нашвидкоруч переробленою радянською міжконтинентальною балістичною ракетою Р-7. Всі ці деталі вкупі дозволяють припустити, що передумови для створення й виведення на орбіту найпершого штучного супутника Землі зводилися приблизно до наступного:

• взяти балістичну ракету, найпотужнішу з наявних;
• пристосувати її для виведення на орбіту невеликої (до 100 кг) безпілотної «болванки»;
• все функціонування «болванки» мало зводитися до якомога довшого передавання простенького радіосигналу, який сповістив би всьому світові про безперечний успіх СРСР.

Звісно, не можна применшувати самого факту виведення за межі стратосфери й політ довкола землі ПС-1. З іншого боку, не варто також перебільшувати значення цього польоту: адже жодних інших завдань, окрім руху орбітального радіопередавача, як такого, розробниками програми польоту не ставилося. Зокрема, вже зазначалося, що «куля з антенами» не виконувала жодної орієнтації на орбіті, не приймала сигналів зі Землі, не змінювала параметрів орбіти тощо.

Отже, перед розробниками програми польоту (тоді ці дані були засекречені й лише згодом стало відомо, що це була група науковців під керівництвом Сергія Корольова) радянське керівництво поставило одне-єдине завдання: «перегнати США» на стартовому етапі космічних змагань, «застовбити» за собою цей рекорд назавжди!

Чим менше, тим... краще?!

Але все описане вище сталося шість десятиріч тому - а що ж сьогодні?! Здавалось би, все надто очевидно: на земну орбіту треба виводити дедалі більші вантажі, з яких можна споруджувати орбітальні модулі, вже звідти відкриваються перспективи на підкорення Місяця, а далі з проміжної місячної бази - польоти на Марс, на супутники газових гігантів Сонячної системи - Юпітера й Сатурна... В першому наближенні десь приблизно так.

Як раптом 11 серпня цього року на веб-сайті Phys.org з'являється прес-реліз (https://phys.org/news/2017-08-messages-world-smallest-space-probe.html), в якому повідомляється дещо, м'яко кажучи, інша інформація: космічний апарат «Sprite», найменший (!) з усіх, створених людством, подав на Землю сигнал, перебуваючи в орбітальному польоті. При цьому, висота орбіти над земною поверхнею складає 400 миль. Фактично, новий космічний апарат повторив на новому рівні те, що зробив ПС-1 в жовтні 1957 року.

Творцем цього дива техніки є Зак Манчестер - керівник компанії «Kickstarter KickSat», яка донедавна працювала в Корнельському університеті. Однак у серпні Зак Манчестер перейшов на факультет аеронавтики та космонавтики Стенфордського факультету. Автори прес-релізу сподіваються, що такий крок дослідника прискорить роботи щодо використання супутникового зв'язку.

Щодо космічного апарату «Sprite», то він важить всього лише 4 грами і нагадує «солоний крекер». Він був створений у рамках підготовки польоту аналогічних пристроїв до зоряної системи б Центавра - найближчої до нашої Сонячної системи, відстань до якої сягає 4,36 світлового року. Як зазначає Зак Манчестер, створення «Sprite» стало можливим завдяки розвитку напівпровідникових технологій, оскільки переважна більшість його функцій забезпечується однією-єдиною інтегральною схемою.

Варто зазначити також, що запуск мініатюрного космічного апарату в межах зазначеної програми є далеко не першим. Дослідження почалися ще в 2014 році, але тоді апарат зійшов з орбіти і згорів в атмосфері Землі. Окрім того, декілька подібних до «Sprite» апаратів були відправлені в космічний політ 23 червня, однак вони не мали пристроїв для передавання сигналу з орбіти, а отже, не могли налагодити зв'язок з центром управління польотом. На відміну від усіх попередників, новий апарат був обладнаний відповідним чином і передав на Землю стандартний сигнал.

Але, все ж таки, який сенс у космічних польотах 4-грамових апаратів розміром з мініатюрне печиво?! Що можуть подібні «крихітки»?! Відповідь знов-таки міститься в згаданому вище прес-релізі. Виявляється, теперішні розміри й вага - це ще... забагато!!! В перспективі вагу спадкоємців апарату «Sprite» потрібно довести менш, ніж до 1 грама та ще й обладнати їх «лазерним вітрилом». От саме після цих слів розробника все стає на належні місця.

Від «пароплавів» - вперед-назад до «вітрильників»

Річ у тім, що принцип функціонування звичних усім нам ракет та космічних кораблів заснований на третьому законі Ньютона або «законі дії та протидії». Формулюється цей закон наступним чином: сили, що виникають при взаємодії двох тіл, є рівними за модулем і протилежними за напрямом. Всі сучасні ракети та космічні кораблі обладнані хімічними реактивними двигунами. В них спочатку змішується паливо з окислювачем, які потім підпалюються. Продукти горіння (плазма та стиснені й розжарені гази) вилітають з камери згоряння через спеціальне сопло, яке фокусує їх у спрямований струмінь.

Згідно зі «законом дії та протидії», в результаті, ракета (чи космічний корабель) і продукти горіння рухатимуться в протилежних напрямах (різноспрямовано). При цьому, однаковість різноспрямованих сил призводить до того, що порівняно легкі продукти горіння викидаються зі сопла назад із шаленою швидкістю, тоді як масивна ракета (чи космічний корабель) рухається вперед, хоча і значно повільніше. Велика швидкість реактивних апаратів досягається лише поступово за рахунок спалювання великої кількості палива й окислювача.

Цілком очевидно, що всі, без винятку, ракети й космічні кораблі, обладнані хімічними реактивними двигунами, мають очевидний суттєвий недолік: щоб розігнатися до пристойних швидкостей, вони повинні мати на борту велику кількість палива... яке розганяється разом з ракетою чи кораблем! Але ж масу реактивного літального апарату не можна збільшувати до нескінченності... В кінцевому результаті, все впирається в збільшення кількості палива, яке необхідне для розгону ще більшої кількості палива на борту літального апарата. Замкнене коло.

Саме тому на хімічних реактивних двигунах люди навчилися досягати так званої першої космічної швидкості (мінімально необхідної для руху навколоземною орбітою) і з певними зусиллями - другої космічної швидкості (мінімально необхідної для перельотів від Землі до інших планет). Однак, маючи в резерві такі досягнення, люди приречені «повзати» всього лишень всередині Сонячної системи. Щоб вирватися за її межі та здійснювати міжзоряні перельоти, необхідно навчитися досягати третьої космічної швидкості, за межі нашої галактики - четвертої. Очевидно, що хімічні реактивні двигуни для такого непридатні.

Що ж робити?! Одним з варіантів є винесення джерела енергії, що розганяє ракету чи космічний корабель, за межі самого реактивного апарату. В такому випадку сам апарат можна кардинально полегшити, а також відпадає необхідність розганяти велику кількість палива. Необхідну для розгону ще більшої кількості палива.

Реалізувати такий принцип дозволяє пристрій, відомий як «космічне вітрило»: конструкція, що має величезну площу при порівняно малій її масі й дозволяє віддзеркалювати енергію, яка надійшла від зовнішніх джерел. Пригадайте, як герой класичного фільму «Великий диктатор» у виконанні Чарлі Чапліна бавиться з невагомою «земною кулею»: то рукою, то ногою, то головою, а то і «п'ятою точкою» піддасть - куля вмить і підскочить. Зі звичайними вітрилами те саме: вітер жене повітря, яке відбивається від поверхні вітрила, через що вітрильник рухається вперед.

Лишається хіба що проблема руху фордевінд і бейдевінд (за вітром і проти вітру), але то вже другорядна технічна справа. Головне в іншому: всередині Сонячної системи можна ефективно рухатися на апаратах, обладнаних не звичними нам хімічними реактивними двигунами, а... «сонячними вітрилами». При цьому енергію для руху постачатиме так званий «сонячний вітер» - потік частинок, випромінюваних нашою зіркою. Але як же бути з міжзоряними перельотами?! Де брати енергію міжзоряним вітрильникам?..

Лазер приходить на допомогу

«Фотонний вітер» може створювати не Сонце, а встановлений на Землі потужний лазер. Або навіть ціла матриця лазерів. Згідно з розрахунками вчених, таке джерело має фокусувати на «міжзоряному вітрильнику» просто шалену енергію в 100 млрд ватт! Зате у випадку успіху крихітний кораблик типу «Sprite» можна буде розігнати до швидкості, що дорівнюватиме приблизно 20% швидкості світла. Враховуючи, що відстань між Сонцем та б Центавра сягає (як зазначалося вище) 4,36 світлового року, то на крейсерській швидкості її можна буде подолати за вп'ятеро більший час - себто, майже за 22 роки.

Враховуючи, що до крейсерської швидкості апарат розганяється не одразу, реально на таку подорож піде дещо більше часу. Та, в будь-якому випадку, років за 25-30 впоратися цілком можливо. Що ж, для початку міжзоряних перельотів не так уже й погано... Згадаємо, з якою швидкістю пересувалися автівки та літаки всього лише на початку ХХ сторіччя і з якою пересуваються тепер, на початку ХХІ сторіччя. Головне - почати...

І все ж таки, без проблем такий політ не обійдеться. Мабуть, найменшою з них буде... необхідність загальмувати в кінцевій точці маршруту. Справді, уявімо собі, що подібний до «Sprite» апарат вривається в зоряну систему б Центавра на швидкості в 20% від світлової та... успішно пролітає її! І яка з того користь?! Необхідно якось загальмувати. Найкращий вихід - «посвітити» лазером на зустрічному шляху. А де він візьметься в чужій зоряній системі?! Очевидно, «Sprite» загальмує, якось вловивши світло тамтешньої зірки - б Центавра. Однак, як керувати апаратом зі Землі, якщо сигнал з неї долітає більш, ніж за 4 роки?! Отже, космічний апарат має бути наділений неабияким штучним інтелектом, щоб діяти самостійно.

Та найбільша проблема полягає в іншому: якщо встановити лазер (матрицю лазерів) на Землі, то доведеться якось вирішувати проблему фокусування його променю. Адже Земля обертається довкола своєї осі й одночасно обертається довкола Сонця! І це не враховуючи того, що і Сонце, й б Центавра обертаються довкола ядра нашої галактики... Спробуй при цьому сфокусувати лазерний промінь на «вітрилі», якщо мішень перебуває на відстані кількох світлових років! А якщо не сфокусувати промінь, то енергія пройде повз «вітрило». При неправильному фокусуванні апарат також може збитися з правильного курсу.

І, все ж таки, дослідники сподіваються, що поступово всі проблеми будуть вирішені. Адже призом є можливість подорожувати спочатку між зірками, а потім і між галактиками.