Траектории.

Чтобы достичь Луны, нужно решить не только и не столько проблему расстояния. Проблема скорости важнее. Космические корабли, как планеты и спутники, постоянно падают, поскольку траектории их полета определяются гравитационными полями Солнца и ближайших малых небесных тел. Чтобы перейти с одной траектории на другую, нужно изменить скорость в верном направлении на верную величину. Изменение скорости, необходимое для перехода с одной орбиты на другую, называется «характеристической скоростью». Чтобы добраться с поверхности Земли до поверхности Луны, требуется характеристическая скорость около 15 километров в секунду.

Выходить на нее следует поэтапно: каждый раз, когда космический корабль меняет траекторию, ему необходима дополнительная доза характеристической скорости. Больше всего ее нужно в самом начале. Чтобы выйти на низкую околоземную орбиту, космический корабль должен развить скорость около 7,7 км/с. На практике, чтобы преодолеть всевозможное сопротивление, нужно разогнаться примерно до 9 км/с.

С почти круговой околоземной орбиты космический корабль должен выйти на эллиптическую, перигей которой находится близко к Земле, а апогей — возле Луны. Для этого требуется характеристическая скорость около 3 км/с. У Луны космический корабль снова должен изменить траекторию, чтобы выйти на окололунную орбиту. Для этого нужен еще 1 км/с.

Если космический корабль должен совершить посадку с окололунной орбиты, ему потребуется еще 2 км/с, чтобы потерять орбитальную скорость и оказаться в стационарном положении на поверхности Луны.

Благодаря отсутствию атмосферы можно подойти очень близко к поверхности, не предпринимая финального шага. Космические корабли обращались вокруг Луны на высоте около 30 км и иногда спускались даже ниже. Однако при движении по окололунной орбите возникают другие проблемы. Масса лунной коры распределяется неравномерно, и скопления массы в морях становятся фантомными рифами, издалека сбивая низколетящие спутники, если только их орбиты не разработаны таким образом, чтобы волнения нивелировали друг друга. В то же время орбиты выше 1200 км дестабилизируются из-за притяжения Земли.

Если движение по окололунной орбите порой сопряжено с трудностями, возвращение на Землю дается легко. Когда космический корабль летит к Луне, гравитационное поле Земли притягивает его обратно: фактически он поднимается в гору. На обратном пути, как только корабль покидает гораздо более слабое гравитационное поле Луны, в дело вступает земное тяготение. В конце падения характеристическую скорость можно получить бесплатно, преобразовав скорость падения в невыносимый жар вхождения в атмосферу. Чтобы вернуться в Тихий океан с Базы Спокойствия, Нилу Армстронгу и Баззу Олдрину понадобилось менее 3 км/с, даже с учетом небольшого отклонения от маршрута, чтобы забрать Майкла Коллинза. Как замечает один из героев фильма «Место назначения — Луна», с этим путешествием справилась бы даже такая маленькая и примитивная ракета, как «Фау-2».

Все это показывает, что в космосе важна характеристическая скорость, а не расстояние. Чтобы добраться с Луны на Землю, требуется лишь около одной пятой характеристической скорости, необходимой для совершения того же путешествия в противоположном направлении.

Другим подтверждением этому может служить тот факт, что характеристической скорости, необходимой для доставки космического корабля на поверхность Луны, достаточно и для преодоления гораздо больших расстояний. «Астероиды, сближающиеся с Землей» (АСЗ) сближаются с ней лишь в том смысле, что, следуя по собственным орбитам, изредка оказываются на относительно небольшом расстоянии от Земли. В любой момент времени типичный АСЗ находится в 100–200 раз дальше Луны. Однако характеристическая скорость, требуемая для достижения многих из этих астероидов, не превышает ту, что нужна для достижения Луны: главное — выбрать верную траекторию и подождать. Так, чтобы добраться до небольших спутников Марса, требуется не больше характеристической скорости, чем чтобы добраться до большого спутника Земли (поверхность Марса — другое дело). Это значит, что близость Луны к Земле не делает ее самым очевидным местом назначения для эксплуатации внеземных ресурсов.

Не все орбиты окружают физические объекты. Когда малые объекты обращаются вокруг большого, их гравитационные поля совмещаются, создавая в пустом пространстве точки, вокруг которых может без труда обращаться космический корабль. Эти точки называются точками Лагранжа в честь физика Жозефа Луи Лагранжа, который первым изучил их систематически. Для Земли и Луны существуют две точки Лагранжа, которые находятся на том же расстоянии от Земли, что и Луна, одна в 60° впереди Луны на ее орбите, а вторая — в 60° позади. Их называют точками L4 и L5. Еще две точки[49] расположены на прямой, проходящей через центры Земли и Луны. Точка L1 находится чуть менее чем в 60 тысячах км над Центральным Заливом, расположенным в центре видимой стороны Луны, то есть на расстоянии, примерно в 30 раз превышающем радиус Луны или составляющем 15 % расстояния до Земли. Точка L2 находится чуть более чем в 60 тысячах км над центром обратной стороны Луны и расположена почти точно над кратером, названным в честь советского ученого Юрия Липского, который использовал данные, собранные межпланетной станцией «Луна-3», чтобы составить первые карты всей Луны. Космический корабль на «гало-орбите» у точки L2, которая перпендикулярна прямой, соединяющей Луну и Землю, может наслаждаться видом обратной стороны Луны, а также видеть Землю из-за лунного лимба.

Возможно, рано или поздно найдется применение всем перечисленным точкам Лагранжа. Орбиты у точки L2 уже эксплуатируются. Когда в январе 2019 года китайская межпланетная станция «Чанъэ-4» совершила посадку в бассейне Южный полюс — Эйткен, она смогла получать инструкции и возвращать данные только с помощью ретрансляционного спутника «Цюэцяо», поддерживающего радиосвязь с Землей и обратной стороной Луны с гало-орбиты.

«Цюэцяо» в переводе означает «сорочий мост». Небесная дева Чжи Ну ткала парчу из облаков для своего отца, Нефритового императора. Она влюбилась в пастуха Ню Лана, который забрался на небо, чтобы быть рядом с ней. Император этого не одобрил и обязал влюбленных поселиться на противоположных концах Млечного Пути, создав непреодолимое препятствие для их встречи. Но раз в год, в седьмой день седьмого месяца сороки строят мост через барьер, помогая им воссоединиться. Слезы встречающихся на краткий срок влюбленных проливаются на Землю дождем.