ШКОЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА
К.А. ГИЛЬЗИН
КАНДИДАТ ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК
Издание второе, дополненное
*
Оформление Д. Бисти
Вклейки Н. Кольчицкого
Рисунки Е.Трунова и Н.Кольчицкого
Дни и события, потрясшие мир. Сначала — октябрь 1957 года. Первый искусственный спутник на орбите вокруг Земли. Вслед за ним — второй, с верным другом человека — собакой, совершающей разведку опасностей межпланетного полета. Началась космическая эра в истории человечества. Так советский народ ознаменовал 100-летие со дня рождения великого русского ученого Константина Эдуардовича Циолковского, создателя науки о межпланетных сообщениях — астронавтики.
И вот — январь 1959 года. Первые дни вдохновенного творческого труда советского народа по осуществлению семилетнего плана строительства коммунизма в нашей стране. И советская наука ознаменовала это начало великого пути в светлое будущее замечательным успехом. В небо взлетела советская космическая ракета, чтобы, пролетев вблизи Луны, навсегда разорвать цепи земного тяготения и стать искусственной планетой, новым спутником Солнца. Где-то там, в глубинах Космоса, ярко вспыхивает искусственная комета — облако натрия, выпущенного летящей космической ракетой.
Изумленное человечество не отрывает глаз от неба, в бездонной глубине которого, там, где совершали свой извечный безмолвный полет планеты, движутся теперь создания человеческого гения. Весь мир слышит доносящиеся из мирового пространства сигналы радиостанций этих искусственных небесных тел — Космос раскрывает человеку свои сокровенные тайны. Свершилось то, что казалось далекой фантазией, а многим и вообще утопией, несбыточной мечтой.
И сразу не стало сомневающихся — теперь все уже с нетерпением надут момента старта первых космических ракет на Луну, Марс, Венеру. Ну что же, ждать осталось недолго. Никто теперь не удивляется, когда не только школьники и молодежь, но и маститые, убеленные сединами ученые просят зачислить их в команду первого же (непременно первого!) отлетающего космического корабля.
И все, от мала до велика, хотят теперь обязательно знать «все, все» об астрономии, ракетной технике, астронавтике. Надо же, на самом деле, знать, куда и зачем лететь, на чем лететь, как лететь! И знать надо не вообще, не поверхностно, а всерьез, по-настоящему. Иначе безнадежно отстанешь от века...
В книге «Путешествие к далеким мирам» рассказывается о том, как создавалась астронавтика — наука о межпланетных сообщениях, об основах этой науки, ее удивительном настоящем и увлекательном будущем. В ней говорится о многочисленных невиданных трудностях, стоящих на пути человека в Космос, и о том, как наука и техника преодолевают эти трудности, как готовится свершение дерзновенной мечты человечества о полете к далеким и таким манящим мирам. Читатель узнает из книги и о том, что принесет людям осуществление межпланетного полета, какие необыкновенные, неповторимые возможности откроет оно науке.
Стремительно, поистине семимильными шагами движется теперь астронавтика. Когда эта книга подписывалась в печать, в развитии астронавтики произошел огромный скачок вперед.
12—14 сентября 1959 года второй советской космической ракетой был успешно совершен впервые в истории межпланетный полет —полет с Земли на Луну. Ракета доставила на лунную поверхность вымпелы с гербом Советского Союза. Так была начата эра межпланетных сообщений.
4 октября 1959 года стартовала третья советская космическая ракета с автоматической межпланетной станцией на борту. Эта станция облетела вокруг Луны и сумела раскрыть одну из заветных тайн природы — она сфотографировала невидимую с Земли «заднюю» сторону Луны и передала это изображение с помощью методов телевидения на Землю. Так на карте лунной поверхности появились горный хребет Советский, Море Москвы, кратеры Циолковский, Ломоносов, Жолио-Кюри...
Никогда не забудет благодарное человечество эти исторические вехи в борьбе за исследование Космоса. Разгадка его тайн будет идти теперь все быстрее.
Автор не сомневается, что к моменту выхода книги в свет астронавтика добьется новых замечательных успехов. Жизнь обгоняет самые смелые мечты...
К. Гильзин
Введение
Путешествие к далеким мирам... О каких же мирах идет речь в этой книге?
Было время, когда люди считали Землю центром мироздания. Только отдельные ученые, гениальные одиночки вроде Джордано Бруно, поднимались до понимания того, что Земля — лишь песчинка во Вселенной, что на бесконечном множестве небесных тел имеется жизнь и живут мыслящие существа, хотя, может быть, и не похожие на людей.
Это было не так уж давно, а насколько продвинулись с тех пор наши представления о Вселенной! Стремительно развивается наука, и все большую власть над природой приобретает человек. Наступит время, когда и нас будут вспоминать, вероятно, не иначе, как с улыбкой — таким странным будет казаться людям будущего наше «затворничество» на Земле, тот тесный мир, в котором мы живем. Наступит время, когда люди будут посещать на своих космических кораблях не только «окрестности» Земли в околосолнечном пространстве, но и смогут совершать полеты к другим солнцам, забираясь все дальше в глубь мирового пространства.
Бесконечно число небесных тел в безграничной Вселенной.
На огромных, едва доступных человеческому воображению расстояниях плывут в мировом пространстве, вращаясь вокруг своей оси, колоссальные звездные системы — «островные вселенные», или галактики. Каждое такое звездное семейство состоит из многих миллиардов звезд. Расстояния между ними так велики, что даже лучу света, пробегающему 300 тысяч километров в секунду, требуются десятки и сотни тысяч лет, чтобы пройти путь между двумя какими-нибудь звездами, лежащими на противоположных границах одного звездного семейства.
Рядовой звездой, расположенной ближе к краю одной из таких галактик, плывет в Космосе и наше Солнце. Это средняя во всех отношениях звезда. Есть звезды-гиганты в сотни и даже тысячи раз больше Солнца по диаметру и звезды-карлики в сотни раз меньше его. Солнце холоднее бесчисленного множества звезд, но и горячее бесчисленного множества других звезд. Есть звезды более и менее плотные, чем Солнце, более и менее яркие и т. д.
Что же представляет собой наше Солнце, являющееся источником жизни на Земле?
Солнце — это гигантский раскаленный газовый шар, диаметр которого почти в 110 раз больше земного: он равен примерно 1390 тысячам километров. Внутри этого огромного бурлящего газового шара, медленно поворачивающегося вокруг своей оси, непрерывно происходят сложные процессы образования новых атомов — из простейших атомов газа водорода образуются атомы газа гелия. Эти процессы приводят к выделению колоссальных количеств энергии, скрытой в ядрах атомов, вследствие чего в недрах Солнца поддерживается температура примерно в 15 миллионов градусов. Неудивительно, что Солнце излучает ежесекундно во все стороны огромную энергию. Солнечные лучи пронизывают все околосолнечное пространство; они несут с собой тепло и свет, столь необходимые для существования жизни. Это живительные лучи. Таинственные процессы, происходящие на Солнце, играют очень большую роль в нашей жизни: они влияют на погоду, радиосвязь, магнитные явления на Земле и т. д. Вот почему так велико значение научных исследований, направленных на изучение «жизни» Солнца.
Солнце, как и бесчисленное множество других звезд, не одиноко прокладывает свой путь в мировом пространстве. Оно окружено многочисленной семьей небесных тел, составляющих вместе солнечную систему. Все эти небесные тела неразрывно связаны с Солнцем, находятся на сравнительно небольшом, по космическим масштабам, расстоянии от него.
Главные члены солнечного семейства — обращающиеся вокруг Солнца планеты. Это уже не раскаленные, а холодные, твердые небесные тела, гораздо меньшие по размерам, чем Солнце, но зато и более подвижные.
В числе планет находится и наша Земля. Выходит, что «центр мироздания» — всего-навсего только рядовая планета, одна из девяти планет солнечной системы. Неудивительно, почему церковь вела такую жестокую борьбу с Коперником, Галилеем, Бруно — со всеми, кто отрицал исключительность Земли и человека во Вселенной. Ведь утверждение исключительного положения Земли и человека во Вселенной составляет основу религии.
Каковы же ближайшие «родственники» Земли — планеты солнечной системы?
Ближе всего к Солнцу — наименьшая из всех планет, Меркурий; затем идут, по мере удаления от Солнца, Венера, наша Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон, о котором ученые знают пока еще очень немного1.
1 В 1956 году американский астроном Кейпер высказал мнение, что Плутон длительное время был спутником Нептуна и только потом стал планетой. Дальнейшие исследования проверят это предположение, встречающее серьезные возражения советских ученых.
Расстояния между планетами очень велики по сравнению с их собственными размерами, так что солнечная система представляет собой огромную пустыню с затерявшимися в ней песчинками — планетами. Образное представление об этом дает, например, такая картина. Если Солнце — большой мяч диаметром 1 метр, то Земля — вишенка меньше 1 сантиметра в поперечнике на расстоянии больше 100 метров от этого мяча. Меркурий — горошинка диаметром всего 3,5 миллиметра на расстоянии 40 метров от мяча-Солнца, а Венера — похожая на Землю вишенка — на расстоянии примерно 77 метров от мяча. Бусинка-Марс — диаметром около 5 миллиметров — кружится вокруг мяча на расстоянии больше 160 метров. Гигант Юпитер — крупный апельсин диаметром 10 сантиметров — на расстоянии больше полукилометра. Сатурн — апельсин с поперечником около 8,5 сантиметра — на расстоянии примерно 1 километра от мяча. Уран — орех с поперечником 3,5 сантиметра — на расстоянии 2 километров от мяча. Нептун — орех чуть побольше — на расстоянии 3 с лишним километров. И, наконец, Плутон — горошинка чуть побольше 4 миллиметров в поперечнике — на расстоянии больше 4 километров от мяча-Солнца.
Сравнительные размеры планет и Солнца.
Мы уже немало знаем о планетах, но что значат эти знания по сравнению с тем, что нам предстоит еще узнать!
Нам известно, например, что Меркурий почти лишен атмосферы и обращен к Солнцу всегда одной и той же стороной1. Мы знаем о Меркурии, как и о всех других планетах (кроме Плутона), и то, как он велик, какова его масса, каковы законы его движения.
1 Это делает Меркурий одновременно и самой «горячей» и самой «холодной» планетой солнечной системы. На стороне, обращенной к Солнцу, термометр покажет примерно 400°С, а на обратной стороне, получающей тепло только от далеких звезд, — всего десятки градусов выше абсолютного нуля.
Венера имеет мощную атмосферу, но не похожую по составу на нашу земную и, к сожалению, настолько плохо проницаемую для видимых солнечных лучей, что мы пока ничего не знаем о том, как выглядит поверхность нашей соседки.
Другим таким соседом является загадочный Марс, больше остальных планет известный людям. На Марсе есть подобная земной, но более разреженная атмосфера, есть и вода — это твердо установленные наукой факты. В последние годы советские ученые получили экспериментальные доказательства того, что на Марсе имеется растительность1.
1 Одним из наиболее веских доказательств существования растительности на Марсе считается, в частности, то, что сильные песчаные бури на Марсе, подобные виденным во время великого противостояния Марса в 1956 году, не засыпают песком марсианские «моря». Это лишний раз подтверждает полученный другими методами вывод о том, что эти «моря» представляют собой очаги растительности.
Юпитер славится своими размерами — это гигант по сравнению с другими планетами: его диаметр в 11 с лишним раз больше земного. Мощный, непроницаемый слой облаков окутывает эту планету.
Сатурн выглядит красавцем в своем знаменитом ожерелье из колец. Его, как и две следующие планеты — Уран и Нептун, тоже обволакивают непрозрачные облака.
Наконец, внешняя планета солнечной системы — Плутон имеет, вероятно, замерзшую атмосферу, покрывающую твердым слоем его поверхность. Ведь мороз на Плутоне, с которого Солнце кажется лишь ослепительно яркой звездой, достигает, вероятно, минус 220° Цельсия.
Некоторые из планет — именно: Меркурий, Венера и, возможно, Плутон — совершают свой бесконечный полет вокруг Солнца в одиночестве, в то время как остальные имеют спутников. Вокруг этих планет обращаются по своим орбитам другие, меньшие по размерам небесные тела. Семья спутников планет насчитывает 30 членов, не считая всем нам хорошо известного спутника Земли — Луну.
Одно Солнце, 9 планет, 31 спутник... Всё?
Нет, еще далеко не всё.
Кроме указанного «населения» солнечной системы, следовало бы назвать еще десятки тысяч крохотных планеток — так называемых планет-карликов, или астероидов. Они тоже движутся вокруг Солнца, но по самым разнообразным орбитам, то приближаясь чуть ли не вплотную к Солнцу, то удаляясь на огромные расстояния от него.
Затем идет весьма многочисленная группа небесных тел загадочного происхождения: кометы — «косматые звезды», обычно украшенные длинным, красивым хвостом. Кометы тоже обращаются вокруг Солнца, но чаще всего по таким вытянутым эллиптическим орбитам, что год на какой-нибудь комете может длиться десятки тысяч земных лет. Недаром кометы называют иногда бродягами Вселенной.
И, наконец, бесчисленная армада небесных камней — метеоритов, осколков когда-то погибших крупных небесных тел. Эти камни пронизывают во всех направлениях солнечную систему.
Вот теперь уже, пожалуй, всё.
Впрочем, нет, все-таки еще не всё. Когда писались эти строки, вокруг Земли на высоте в сотни километров мчались созданные рукой человека искусственные спутники Земли. А в глубинах Космоса, на расстоянии в миллионы километров от Земли, неслась по своей незримой, начертанной человеком орбите вокруг Солнца первая космическая ракета — искусственная планета, запущенная с Советской земли. Вспыхнула и погасла первая искусственная комета — натриевое облако, выпущенное с советской космической ракеты. Все больше созданных человеческим гением искусственных небесных тел властно вторгается в царство Космоса.
Не так долго осталось ждать и осуществления величайшей и дерзновенной мечты человечества — полета первого межпланетного корабля.
В этой книге рассказывается о том, как люди готовятся к прыжку в мировое пространство, какие необычайные трудности им приходится при этом преодолевать, какие замечательные возможности сулит осуществление межпланетных полетов.
Невозможное сегодня станет возможным завтра. К. Э. Циолковский |
ДЕРЗНОВЕННАЯ МЕЧТА
Мы живем с вами, мои юные читатели, в великой стране и в замечательное время. С каждым днем становятся все более зримыми черты коммунистического общества, которое строит наш советский народ. Самая смелая фантазия, самые дерзновенные мечтания людей зачастую не поспевают за нашей советской действительностью.
Неустанно заботясь об укреплении мира, советские люди направляют свои усилия на то, чтобы лучше и полнее использовать природные ресурсы. Какие замечательные плоды приносит этот героический труд советского народа, какие небывалые задачи он решает и в какие сроки!..
Под дружным напором вооруженных новейшей наукой и техникой советских людей отступают пустыни, поднимается вековечная целина, находят новые русла реки, чудесно меняется облик земли. Вступают в строй новые заводы-гиганты, самые мощные в мире электростанции, многосоткилометровые судоходные каналы и оросительные системы. Поднимаются, как из-под земли, красавцы города, расцветают поля и сады...
Все зажиточнее и прекраснее становится жизнь советских людей. Электричество и химия, атомная энергия и чудесные машины-автоматы, покоренная энергия могучих сибирских рек и бушующее под землей пламя горящих пластов каменного угля, радио и мичуринская биология, сотни и тысячи замечательных открытий советских ученых, изобретений инженеров и рабочих — все используется нашим народом в его величественной борьбе за преобразование природы.
И вот на исходе четвертого десятилетия существования Советской страны весть о новом, неслыханном подвиге советских людей потрясает изумленный мир. В небо запущены первые два советских искусственных спутника Земли! Впервые в истории человеческий гений активно вмешался в извечные порядки нашей солнечной системы — Земля получила две новые Луны.
Прошло еще полгода, и в небе появился огромный третий искусственный спутник, целая космическая научно-исследовательская лаборатория с множеством сложных и точных приборов.
Но еще более замечательной, поистине поразительной победой ознаменовано начало работ по осуществлению семилетнего плана. Советские люди запустили первую в мире автоматическую космическую ракету с приборами, пролетевшую вблизи Луны и ставшую новым спутником Солнца — искусственной планетой!
Цепи тяготения, приковывавшие нас к Земле, разорваны, человек вышел на просторы мирового пространства, началась космическая эра в истории человечества!
Кто же станет теперь сомневаться в том, что наш великий народ-созидатель, народ — строитель коммунизма осуществит и дерзновенную мечту человечества о межпланетном полете?1
1 При Астрономическом совете Академии наук СССР имеется Комиссия по межпланетным сообщениям. Эта междуведомственная комиссия призвана осуществлять координацию всех проводимых в СССР научно-теоретических работ в области организации и осуществления межпланетных сообщений. В нее входят крупнейшие ученые нашей страны. В 1956 году комиссия была принята в число членов Международной астронавтической федерации (IAF). В настоящее время эта федерация насчитывает 30 членов в виде астронавтических обществ из 25 стран, а число индивидуальных членов превысило 30 000 человек. На очередном конгрессе Федерации, состоявшемся в 1959 году, ее президентом избран представитель Советского Союза академик Л. И. Седов.
В Москве, при Центральном аэроклубе ДОСААФ СССР имени В. П. Чкалова, организована секция астронавтики, объединяющая ученых, инженеров, врачей и других специалистов, а также студентов — энтузиастов астронавтики, с целью популяризации идей межпланетных сообщений и проведения дискуссий по проблемам астронавтики.
Мечта о полете родилась еще у наших далеких предков.
Пробираясь сквозь заросли лиан в непроходимых джунглях, первобытный человек не мог не завидовать птицам, легко проносящимся над ним в небе. Неудивительно, что эта мечта нашла отражение в многочисленных легендах различных народов.
Одна такая поэтическая легенда, возникшая более 3500 лет назад, вдохновила великого сына таджикского народа Фирдоуси запечатлеть эту легенду в поэме. В ней рассказывается о попытке совершить полет в небо, предпринятой персидским властителем Кай Каосом. Завоевав весь известный ему мир, этот царь решил покорить и небо, подчинив себе «государство облаков». Он приказал построить экипаж из легчайшего дерева и прикрепить к нему цепями четырех молодых и сильных орлов, пойманных для этой цели охотниками. Усевшись со всем необходимым вооружением и снаряжением в свой «самолет», царь дал команду — и орлы были отпущены. Стремясь достать прикрепленный перед каждым из них кусок мяса, орлы взлетели, унося с собой в небо и колесницу с «летчиком». Однако вскоре живые «двигатели» устали, им надоела эта бессмысленная игра, и незадачливый завоеватель возвратился, разочарованный, на землю.
А кто не знает древнегреческой легенды о легкомысленном Икаре, сыне Дедала, который, поднявшись в воздух на крыльях из перьев, слепленных воском, неосторожно приблизился к Солнцу и вследствие этого погиб? Судьба Икара может постигнуть и будущих межпланетных путешественников на Меркурий, если штурман их корабля допустит небольшую навигационную ошибку...
Однако многие тысячелетия мечта о полете оставалась лишь мечтой. Человеку, царю природы, увы, не дано было летать. Люди научились плавать, построили корабли, покорили водные просторы Земли, но все же находившийся в их распоряжении мир был обидно плоским — небо оставалось для них недоступным. Люди ходили по дну величайшего из всех океанов — воздушного — и лишь мечтали о том, чтобы всплыть в этом океане: мечтали о полете ввысь.
Рвались в небо и храбрые, мужественные русские люди. В сказаниях и былинах русского народа страстная мечта о полете нашла широкое отражение — кто не помнит полетов Ивана-царевича или сказок о Коньке-горбунке?
В нашей стране и была наконец осуществлена эта заветная мечта о полете. Первый в мире самолет, поднявший человека в небо, был построен родоначальником современного самолетостроения Александром Федоровичем Можайским в 1882 году. Началась новая эра — эра авиации.
С мечтой о полете была неразрывно связана и мечта о полете на звезды. Люди не знали, что представляет собой мировое пространство, каково строение Вселенной, что такое звезды, но творческая мысль уносила их на крыльях фантазии к этим далеким «светильникам». Мифология всех времен и народов полна преданий о полетах к звездам. Эти предания воспевали мужество храбрых людей, их творческие дерзания.
По мере развития науки о строении Вселенной и нашей солнечной системы мечты о полете к звездам стали наполняться другим содержанием. И когда мы, советские люди, мечтаем о межпланетном полете, мы говорим об этом прежде всего как о величайшем научном подвиге.
Действительно, осуществление межпланетного полета имело бы исключительное научное значение. Оно не только нанесло бы сокрушительный удар по всяким предрассудкам, с помощью которых религия воздействует на отсталых людей, но и в огромной степени содействовало бы дальнейшему развитию науки. В процессе полета, а также на поверхности Луны или планет можно было бы осуществить многочисленные и разнообразные научные наблюдения, невозможные на Земле. Нет сомнений, что в результате такого полета были бы раскрыты многие тайны природы, наука поднялась бы на высшую, качественно новую ступень, началась бы новая эра в развитии ряда отраслей науки. Неизмеримо выросли бы и обогатились новыми знаниями все отрасли естественных наук, в том числе астрономия, физика, химия, геология, биология, появились бы и новые, неизвестные до сих пор науки.
Какой таинственный, волнующий, необычайный мир предстал бы перед земными жителями, впервые достигшими Луны, Марса, Венеры! На планетах могут быть обнаружены новые, неизвестные у нас на Земле формы растительной и животной жизни. Когда-нибудь земные путешественники достигнут и таких планет, где живут мыслящие существа, хотя, возможно, и не похожие на нас с вами.
Но не только возможность замечательных научных открытий привлекает в идее космического, межпланетного полета. Наука изучает природу не ради самого изучения, а чтобы полнее использовать ее на службе человеку. И в этом отношении осуществление межпланетного полета открыло бы новые, поистине гигантские перспективы.
Планеты могут оказаться практически неисчерпаемыми кладовыми многих полезных ископаемых — руд и минералов. Наукой установлено, что все известные ей миры Вселенной состоят из одних и тех же химических элементов, включенных в периодическую систему элементов гениального Менделеева. Однако на планетах могут быть найдены не только очень редкие у нас на Земле, но и совершенно неизвестные руды и минералы. Ведь встречаются же такие минералы в небесных камнях — метеоритах, падающих на Землю.
Все знают, что основным источником жизни на Земле является энергия, которую нам так щедро шлет Солнце. Но Земля — это песчинка в околосолнечном пространстве, и эта песчинка получает меньше, чем одну двухмиллиардную долю всей энергии, излучаемой Солнцем. Не подумайте только, что солнечная энергия, получаемая Землей, мала. По своей абсолютной величине это колоссальная энергия. Если бы нам нужно было расплачиваться с Солнцем за получаемую от него энергию, пусть даже по баснословно дешевому тарифу, по 5 копеек за киловатт-час, то все же каждому из жителей Земли пришлось бы переводить на «текущий счет» Солнца по рублю каждую секунду! Энергия, которую земная поверхность получает от Солнца за 4 дня, равна теплу, которое выделилось бы при сжигании всех разведанных на Земле запасов угля, нефти и газа. Мы пока еще варварски плохо используем эту энергию. Но настанет время, когда положение изменится.
В энергетике коммунистического общества будут использованы не только энергия ветра, воды, угля, нефти и другие виды энергии, в которые преобразуется энергия Солнца, но и сама эта энергия непосредственно. И все же для возросших потребностей человека, для осуществления его гигантских замыслов этой энергии может оказаться недостаточно. На помощь человеку наряду с энергией атомного ядра может прийти и часть бесполезно теряемой в настоящее время в мировом пространстве энергии Солнца. Об этом и мечтал Циолковский.
На Луне и на Меркурии, как на небесных телах, не имеющих атмосферы и недалеко отстоящих от Солнца, будет наиболее удобно расположить солнечные энергостанции колоссальной мощности. Энергию, производимую этими станциями, целесообразнее всего будет использовать на месте — в частности, для питания химических заводов, работающих на «местном» сырье, производящих топливо для ракетных двигателей межпланетных кораблей и т. д. А затем, возможно, будут найдены и методы передачи этой энергии на Землю. Такие солнечные энергостанции можно будет, вероятно, располагать и не на планетах, а непосредственно в межпланетном космическом пространстве.
Мало того, будет время, когда на Луне, Венере, Марсе, а может быть, и на других планетах и их спутниках появятся поселения людей, когда люди, как писал Циолковский, заполнят все околосолнечное пространство. Конечно, эти планеты в настоящее время не приспособлены для жизни людей, привыкших к комфорту земных условий. Но, используя колоссальные количества энергии, которые станут доступными в будущем, человек сможет активно вмешаться в «жизнь» солнечной системы, изменив порядки, существующие в ней уже в течение миллиардов лет. Техника дает, например, принципиальные возможности, о которых ниже (в главе 19) будет сказано подробнее, изменить относительное расположение планет — скажем, передвинуть Меркурий, находящийся в опасной близости от Солнца, подальше от него, чтобы приблизить температурные условия на Меркурии к земным, или передвинуть с этой же целью Марс ближе к Солнцу. Таковы только некоторые возможности, связанные с осуществлением мечты о межпланетных перелетах.
Трудно даже представить себе сейчас все перспективы, которые откроются перед человечеством, когда люди начнут запросто посещать самые «глухие» места солнечной системы, когда солнечная система получит наконец настоящего, умелого и рачительного хозяина!
«УЗНИКИ» ЗЕМЛИ
Что же мешает нам осуществить межпланетное путешествие? В чем его главные трудности? Чем отличается, в конце концов, такое путешествие от путешествия по земле? Может быть, только тем, что это путешествие на гораздо большие расстояния?
Или тем, что оно должно протекать в безвоздушном пространстве?
Или, наконец, просто тем, что такое путешествие еще ни разу не было совершено и может таить в себе всяческие неожиданности?
Да, этим, но не только этим. Есть одно обстоятельство, которое делает любое межпланетное путешествие, пусть самое короткое, принципиально отличным от любого земного путешествия, хотя бы даже кругосветного. В этом же обстоятельстве заключается и главная трудность в совершении межпланетного путешествия — оно и мешает нам осуществить такое путешествие.
Вы знаете, конечно, о чем идет речь: о силе тяжести. Именно она — главное препятствие на пути совершения межпланетного полета1.
Сила тяжести (или сила тяготения, как ее иногда называют) — это сила взаимного притяжения частиц массы, вещества, одна из наиболее важных сил природы. Наука еще не сумела пока до конца выяснить причину возникновения этой силы, ее происхождение, ее природу2. Но характер проявления и величина силы тяжести изучены очень хорошо.
1 Главное, но, конечно, далеко не единственное. Именно масштаб трудностей, стоящих на пути в Космос, делал самую идею межпланетного полета в течение многих веков несбыточной мечтой. Вот что, например, писал в 1935 году профессор Чикагского университета в США Мултон: «Нужно заявить, что нет ни малейшей возможности межпланетного полета. Нет признаков энергии, необходимой для преодоления земного тяготения. Нет теории, которая вела бы нас в Космосе к другому миру. Нет средств перевозки больших количеств кислорода, воды и пищи, необходимых в столь длительном путешествии. Неизвестен способ посадки корабля на другой планете». Мы могли бы значительно расширить перечень проблем межпланетного полета. И все же теперь вряд ли имеется хоть один ученый на Земле, сомневающийся в возможности межпланетного полета!
2 Интересно в этой связи упомянуть о недавно высказанных советским ученым профессором К. П. Станюковичем мыслях относительно физической природы тяготения. Дальнейшее теоретическое и экспериментальное исследование проблемы позволит проверить эту гипотезу, по которой сила тяготения связана с состоянием внутриядерных частиц вещества и не является, таким образом, постоянной.
Сила тяжести проявляется всюду, где есть по крайней мере два тела или две частицы вещества; она действует между любыми такими частицами повсюду во Вселенной — это абсолютно всеобщий закон. Поэтому открытый Ньютоном закон тяготения и называют законом всемирного тяготения. Любые два тела, любые две частицы притягиваются друг к другу с силой, зависящей от массы этих частиц и расстояния между ними. Чем больше масса и чем меньше расстояние, тем сила притяжения больше.
Мы повседневно встречаемся с проявлениями силы тяжести. Наш вес — это сила, с которой нас притягивает Земля. Все предметы на Земле имеют вес. Яблоко, оторвавшись от ветки дерева, не устремляется в небо, а падает на Землю под действием силы притяжения к ней.
Впрочем, последнее объяснение не является бесспорным. Если бы, кроме яблока и Земли, во Вселенной не было других тел, то для яблока существовал бы только один путь — на Землю. Однако в действительности яблоко притягивается не только Землей, но и Солнцем, Луной и другими небесными телами. Если оно падает все же именно на Землю, то только потому, что притяжение к ней неизмеримо сильнее, чем к любому другому небесному телу, — ведь Земля гораздо ближе. Точно так же и во многих других случаях можно рассматривать только два взаимно притягивающихся тела, подобно Земле и яблоку, пренебрегая влиянием остальных.
Кстати сказать, теорию движения небесных тел в нашей солнечной системе удалось построить только в виде решения такой «проблемы двух тел». Даже для «проблемы трех тел», не говоря уже о большем их числе, как это обычно бывает в действительности, получить общее решение пока не удалось из-за математических трудностей. Поэтому приходится учитывать влияние остальных тел в виде искажений, или так называемых возмущений которые эти тела вносят в траектории движения, рассчитанные для двух тел.
Не следует думать, однако, что мы пренебрегаем у себя на Земле притяжением Солнца или Луны потому, что оно мало по абсолютной величине. Как известно, действием этого притяжения объясняются такие грозные природные явления, как приливы и отливы, когда в движение приводятся миллиарды тонн океанской воды. В будущем энергия этой воды заставит работать мощнейшие «приливные» гидроэлектростанции. Даже далекий от нас Нептун, одна из внешних планет солнечной системы, находящийся на расстоянии более 4 миллиардов километров от Земли, действует на нее с силой 18 миллионов тонн.
Сила тяжести играет огромную и, конечно, положительную роль в природе. Если бы не существовало силы тяжести, то Вселенная не имела бы того высокоорганизованного вида, который она имеет в настоящее время. Не существовало бы, конечно, солнечной системы; не существовали бы и мы с вами. Впрочем, если бы даже и существовали, то удержаться на Земле нам бы не удалось — достаточно было бы легкого толчка, для того чтобы навсегда распроститься с родными местами и отправиться блуждать по просторам Вселенной.
Однако совсем другую роль играет сила тяжести, когда мы рассматриваем возможность межпланетного полета. Действительно, когда мы путешествуем по земной поверхности, то почти не замечаем действия силы тяжести, если только не совершаем какого-нибудь альпинистского восхождения. Другое дело — межпланетный полет. Совершая такой полет, мы должны все время удаляться от Земли и, значит, преодолевать силу тяжести. Сила притяжения к Земле, защищающая нас от опасности случайно улететь с Земли, не позволяет нам расстаться с ней и тогда, когда мы этого хотим. Так этот «союз» с Землей становится пленом.
Как же можно разбить мощные цепи тяготения, превращающие нас в «узников» Земли, как преодолеть это главное препятствие на пути к осуществлению межпланетного полета?
Само собой разумеется, что хорошо известные средства, с помощью которых люди с давних пор штурмовали небо, преодолевая силу тяжести,— воздушный шар, дирижабль и самолеты самых разнообразных конструкций, — для осуществления межпланетного полета не годятся.
Для полета они нуждаются в воздухе, которого нет в мировом пространстве.
Однако наука нашла по крайней мере одно действенное средство. Им является скорость, которую нужно сообщить межпланетному кораблю1.
1 Принципиально для совершения межпланетного полета нет нужды в большой скорости. Можно обойтись и весьма малой скоростью с тем, чтобы с этой скоростью медленно, но неуклонно удаляться от Земли в глубь мирового пространства. Однако эта возможность является лишь теоретической и вряд ли когда-нибудь будет осуществлена. Следует также отметить, что в последнее время в зарубежной печати, да и в нашей тоже, появляются интригующие сообщения о возможности создания «невесомых» самолетов и межпланетных кораблей. Эти возможности будто бы появляются в связи с успехами новой науки, так называемой «электрогравитики», пытающейся установить природу сил тяготения и связать их с электромагнитными полями. Действительно, по выводам созданной Эйнштейном общей теории относительности такая связь существует и, в частности, при обнаружении теоретически предсказанной элементарной частицы — гравитона, который является по этой теории носителем «гравитации», как электрон является единицей электричества, могут быть открыты средства перехода гравитонов в другие элементарные частицы. Это, конечно, открыло бы возможность управления полем тяготения и, может быть, действительно привело бы к революции в авиации и астронавтике. Однако такие возможности пока еще не более как математические спекуляции, и ко всякого рода сообщениям об открытии веществ, являющихся «экраном» от сил тяготения, повторяющим несостоятельную с научной точки зрения уэллсовскую версию о существовании «кеворита» — вещества с такими именно свойствами, — следует относиться с большой осторожностью.
Чтобы сообщить какому-нибудь предмету, например простому камню, некоторую скорость, мы должны его бросить, толкнуть. Чем больше сила толчка, тем больше и скорость. Конечно, сила человеческих мышц невелика — чемпион мира советский спортсмен Юрий Степанов прыгает через планку, установленную на высоте 2 метров 16 сантиметров. Камень, брошенный самой сильной рукой, поднимается вверх на 2-3 десятка метров. Но вот на помощь силе приходит разум. Стрела, выпущенная из тугого лука, летит на десятки и даже сотни метров; пуля из винтовки уносится на километры; снаряд из дальнобойного орудия поднимается ввысь на 40 километров.
Яблоко притягивается и Луной.
Все выше и все дальше... А нельзя ли так размахнуться камнем, чтобы забросить его... на Луну? Принципиально можно, только очень уж сильно надо будет его для этого бросить.
Чем больше сила, с которой мы бросаем камень, тем больше его начальная скорость, а чем больше эта скорость, тем выше залетает камень. Брошенный вверх с определенной начальной скоростью, камень летит постепенно все медленнее и медленнее, пока не останавливается на мгновение совсем и затем начинает все быстрее падать обратно на Землю. Что замедляет полет камня вверх и снова ускоряет его при падении? Сила тяжести. Если бы воздух, в котором совершает свой полет камень, не оказывал ему сопротивления, уменьшая скорость, то при ударе о Землю камень обладал бы как раз той же скоростью, которая была ему сообщена при броске.
Это позволяет найти скорость, которая должна быть сообщена камню, чтобы он достиг, допустим, орбиты Луны или Марса. Брошенный с этой скоростью камень достигнет заданной орбиты, а затем все быстрее начнет падать обратно на Землю.
А можно ли сообщить камню такую скорость, чтобы он вовсе не возвратился на Землю, продолжая бесконечно долго удаляться от нее в мировое пространство? Оказывается, можно, по крайней мере теоретически. Эта скорость должна равняться той скорости, которую камень имел бы при падении на Землю «из бесконечности», как говорят математики1. Бесконечность здесь означает просто «очень-очень далеко», настолько далеко, что даже значительное увеличение расстояния уже не меняет скорости, с которой камень падает на Землю. Так, если один камень падает на Землю с высоты 10 миллионов километров, а другой — с высоты 20 миллионов километров, то разница в скоростях обоих камней будет совершенно ничтожной.
1 При этом мы по-прежнему не учитываем сопротивления воздуха, то есть считаем, что камень падает в пустоте, и, кроме того, рассматриваем проблему двух тел, то есть исходим из того, что кроме Земли и камня, других тел в природе не существует. Мы не учитываем также вращения Земли вокруг своей оси.
Скорость, которая должна быть сообщена камню (или любому другому телу), чтобы он улетел вовсе от Земли и не возвратился обратно, продолжая удаляться от нее, называется обычно скоростью отрыва.
Когда мы сообщаем камню такую скорость, это не значит, конечно, как иногда считают, что камень улетает так далеко от Земли, что сила ее притяжения перестает сказываться и камень перестает притягиваться Землей. Такой точки в мировом пространстве, в которой перестала бы действовать сила тяжести, в том числе и сила притяжения к Земле, конечно, не существует. Сила притяжения к Земле действует всюду, только величина ее может стать ничтожно малой, если камень находится далеко от Земли. Эта величина изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли: когда расстояние увеличивается вдвое, сила притяжения уменьшается в 4 раза; когда оно увеличивается в 3 раза, то сила уменьшается в 9 раз, и т. д.
Собственно говоря, именно эта особенность закона всемирного тяготения и делает возможным межпланетный полет. Если бы сила притяжения к Земле оставалась с высотой постоянной, а не уменьшалась так быстро, то мы не могли бы даже надеяться совершить путешествие в мировое пространство, разве только уж в очень отдаленном будущем.
Сила тяжести изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли
В этом легко убедиться. Чтобы порвать цепи земного тяготения, нужно, естественно, совершить определенную работу. Как найти величину этой работы? Когда мы поднимаем какой-нибудь груз, скажем, в 1 килограмм на высоту 1 метра, то при этом совершаем работу, равную, как известно, 1 килограммометру. Если же мы решили поднять этот груз на высоту 384 миллионов метров, то есть забросить его на Луну, то нам пришлось бы при неизменной силе тяжести и работу совершить в 384 миллиона раз большую. Это такая работа, которую производит за час двигатель мощностью около 1500 лошадиных сил. Но самый легкий межпланетный корабль должен весить десятки, если не сотни тонн. Поэтому потребная мощность двигателя корабля и расход топлива на полет должны быть в этом случае такими огромными, что решить эту задачу не под силу современной технике. Но так было бы, к счастью, только при постоянной, не меняющейся с высотой силе тяжести. В действительности же сила тяжести, как указывалось выше, быстро уменьшается по мере удаления от Земли. Чем дальше от Земли, тем легче преодолевать притяжение к ней. Поэтому работа, которую нужно совершить, чтобы забросить килограммовую гирю на Луну, на самом деле оказывается примерно в 60 раз меньшей — она равна приблизительно 6,3 миллиона килограммометров. Такую работу совершит подъемный кран, переместив 630 тонн кирпича на высоту 10 метров. И эта работа очень велика, но современная техника в состоянии решить задачу осуществления межпланетного полета, как об этом будет рассказано позже. Вот что означает уменьшение силы тяжести с высотой.
Скорость отрыва — это та наименьшая скорость, при которой камень, улетая от Земли, уже не возвратится на нее, а будет все время удаляться. Если скорость камня меньше, то он рано или поздно обязательно упадет снова на Землю1. При большей скорости, чем скорость отрыва, камень, конечно, на Землю не вернется, но эта избыточная скорость будет уже излишней.
1 Мы имеем в виду вертикальный полет камня. Другие случаи будут рассмотрены в главе 16.
Чему же равна скорость отрыва?
Определить величину этой скорости удается только с помощью высшей математики. Ее величина определяется тем, что кинетическая энергия, которую приобретает камень, когда ему сообщают такую скорость, должна быть равной указанной выше работе преодоления земного тяготения. Она оказывается равной примерно 11,2 километра в секунду, или 40 тысячам километров в час. Вот какую скорость мы должны сообщить межпланетному кораблю, чтобы он смог пробить невидимый «панцирь тяготения», по образному выражению Циолковского, и совершить полет на Луну или планеты солнечной системы.
РОЖДЕНИЕ НАУКИ
Когда тяжести противопоставили скорость, то этим был сделан первый шаг на пути перехода от фантазии к науке, но все же наука о межпланетном полете еще создана не была. Для создания такой науки требовалось еще ответить на вопрос о том, как достичь нужной огромной скорости.
Вообще говоря, эта задача может быть решена различными способами. Принципиально возможно, например, построить гигантский лук или такую же гигантскую рогатку, чтобы использовать для посылки межпланетного снаряда силу упругости. Можно воспользоваться также пращой или метательной машиной, подобной применявшимся в средние века для осады крепостей. Но одно дело — принципиальная возможность, а другое — техническая осуществимость. Практически, конечно, ни одно из этих средств не годится: подобные сооружения нельзя будет сделать достаточно прочными.
Нельзя ли воспользоваться для посылки межпланетного снаряда пушкой? Эта мысль, естественно, приходит в голову, ибо известно, что снаряд, вылетающий из дальнобойного артиллерийского орудия, обладает скоростью в 1,5—2,0 километра в секунду. Это еще, конечно, гораздо меньше, чем нужные нам 11 километров, но все же получающиеся величины достаточно близки, чтобы заинтересоваться пушкой как средством осуществления межпланетного путешествия.
Вероятно, все помнят, что именно эта идея положена в основу научно-фантастического романа Жюля Верна «Из пушки на Луну». Жюль Верн описывает гигантскую пушку, отлитую прямо в земле в виде глубокого, более 270 метров глубиной, вертикального колодца. Снаряд, выстреленный из этой пушки, по расчетам Жюля Верна, должен был достичь Луны. Внутрь же снаряда Жюль Верн поместил своих путешественников.
Однако совершить межпланетное путешествие по способу Жюля Верна не удастся. Причем главное здесь не в том, что Жюль Верн сильно ошибся в своих расчетах и снаряд, выстреленный из его пушки, не только не достиг бы Луны, но не вылетел бы даже за пределы земной атмосферы: он описал бы в ней сравнительно небольшую дугу и шлепнулся на Землю. Это можно было бы поправить и если не построить, то хоть рассчитать пушку так, чтобы ее снаряд достиг Луны; впрочем, с помощью тех порохов, которыми сейчас пользуется артиллерия, этого добиться нельзя. Можно было бы, может быть, простить Жюлю Верну и принципиальный недостаток его предложения, заключающийся в том, что такое путешествие было бы односторонним, безвозвратным — ведь на Луне-то нет другой пушки для посылки снаряда обратно на Землю!
Главное, что мешает послать человека на Луну в снаряде, заключается в другом. И здесь мы впервые сталкиваемся с обстоятельством, которое наряду со скоростью играет исключительно большую роль в проблеме межпланетного полета. Это обстоятельство — ускорения, возникающие в таком полете.
Величина ускорения показывает, как быстро изменяется скорость полета, то есть как быстро она увеличивается при разгоне и уменьшается при торможении корабля. Необходимую скорость отрыва можно сообщить межпланетному кораблю постепенно, в течение длительного времени — тогда разгон корабля будет плавным, ускорение будет небольшим. Но можно разогнать корабль до необходимой скорости за короткое время, резко — тогда ускорение будет большим. То же самое относится и к посадке корабля — его торможение при этом может быть резким или плавным, вследствие чего ускорение будет соответственно большим или малым,
Легко понять, что это вовсе не безразлично для пассажиров корабля, да и для самого корабля тоже. Каждый по своему опыту знает, как неприятны большие ускорения. Стоит вспомнить наши ощущения в те моменты, когда трамвай или автомобиль, в котором мы едем, вдруг резко трогает с места, резко тормозит или круто поворачивает. Особенно знакомы подобные ощущения летчикам, совершающим на самолете фигуры высшего пилотажа: петлю Нестерова, бочку, вираж. Какая-то могучая сила вжимает их при этом в сиденье или, наоборот, отрывает от него. Откуда появляется эта сила?
Пока скорость остается постоянной — как бы велика она ни была, мы ее вовсе не ощущаем и можем даже не догадываться, что находимся в движении. Разве люди думают о том, что мы все непрерывно мчимся вместе с Землей вокруг Солнца, пролетая каждую секунду в мировом пространстве по 30 километров? Нет, конечно. Другое дело, если бы эта скорость движения Земли вдруг резко изменилась — увеличилась или уменьшилась. Впрочем, лучше не будем расписывать всех неприятностей, которые постигли бы в этом случае обитателей Земли в результате появления все той же могучей силы.
Эта сила, появляющаяся всегда, когда возникает ускорение, называется силой инерции.
Когда лифт начинает свой подъем, приобретая ускорение, пассажиры в лифте чувствуют, как какая-то тяжесть прижимает их к полу, как бы увеличивая их вес. Это пол лифта давит на пассажиров, преодолевает их инерцию, их стремление сохранить состояние покоя. Чем больше ускорение лифта, чем быстрее он набирает скорость, тем больше сила инерции, тем больше этот увеличенный вес пассажиров. Сила инерции прямо пропорциональна ускорению. Когда лифт неподвижен, пассажиров прижимает к полу лифта только сила притяжения к Земле, то есть их собственный вес. Как известно, эта сила при падении в пустоте вызывает ускорение, равное примерно 10 метрам в секунду за каждую секунду падения, точнее — 9,81 метра, то есть скорость падающего тела увеличивается при этом каждую секунду на 10 метров в секунду. Это так называемое ускорение свободного падения, или ускорение земного тяготения. Если же лифт тронется вверх, причем так, что ему будет сообщено как раз такое же ускорение, то есть его скорость будет увеличиваться каждую секунду на 10 метров в секунду, то пассажиров будет прижимать к полу лифта не только сила их веса, но еще как раз такая же по величине сила инерции — вес пассажиров как бы удвоится. Конечно, такая «поправка в весе» мало приятна.
В жюль-верновском снаряде на пассажиров, заключенных в этом своеобразном лифте, будут действовать огромные силы инерции. Ведь скорость снаряда должна возрасти за время его движения в стволе пушки от нуля в начале движения до скорости 16 километров в секунду1 в конце его. Ускорение движения при этом будет огромным. Расчет показывает, что оно будет примерно в 60 тысяч раз больше, чем ускорение земного тяготения. Но это значит, что и вес пассажиров в снаряде будет при этом во столько же раз больше их обычного веса — пассажиры будут весить по 3-4 тысячи тонн! Этот многократно увеличенный вес мгновенно раздавил бы горе-путешественников, и они буквально расплылись бы тонкой пленкой по дну снаряда. С точки зрения здоровья пассажиров, по существу дела, все равно, где поместить их при выстреле — внутри снаряда или непосредственно перед ним.
1 Это значение скорости приведено в романе «Из пушки на Луну» (16 576 метров в секунду); оно больше скорости отрыва в связи с необходимостью преодолеть воздушное сопротивление летящего снаряда, уменьшающее его скорость.
Инерционные перегрузки, связанные с ускорениями в полете, вредно действуют, конечно, не только на пассажиров корабля, но и на сам корабль. Бывали ведь случаи, когда при выходе самолета из крутого пикирования дело заканчивалось катастрофой. Если летчик после стремительного снижения слишком резко направлял самолет снова вверх, то крылья самолета не выдерживали и ломались под действием перегрузки, вызванной силой инерции. Уже давно прошло время, когда о самолете говорили, что он «не машина, рассчитать его нельзя». Наука расчета самолетов на прочность достигла в настоящее время высокого совершенства. Естественно, что расчет ведется на строго определенные инерционные перегрузки. Конечно, так будут рассчитываться и межпланетные корабли.
Итак, мы видим, что мало сообщить межпланетному кораблю нужную огромную скорость, ее надо еще при этом сообщить постепенно, плавно, не допуская больших ускорений. Мы скажем ниже (в главе 17} о том, каковы могут быть эти ускорения. Сейчас нам ясно лишь, что пушка Жюля Верна не отвечает этому требованию. Впрочем, и любая другая пушка будет страдать тем же недостатком.
Использовать пушки или какие-нибудь другие метательные машины для отправки межпланетных кораблей нецелесообразно не только из-за недопустимых ускорений, которые при этом развиваются. Даже если бы удалось обойти как-нибудь эту главную трудность, что мало вероятно, то сохранились бы другие недостатки этого метода. Один недостаток совершенно очевиден — снаряд летит по заранее заданному пути, и возможности управления им в полете весьма ограниченны. Это вряд ли будет по душе командиру межпланетного корабля. Ведь вот и у Жюля Верна снаряд не попал в цель, что, впрочем, на этот раз оказалось спасительным, иначе как могли бы узнать читатели книги о приключениях ее героев?
Еще более серьезная проблема — посадка такого корабля на планету. Вряд ли эту посадку можно мыслить себе, как столкновение снаряда с мишенью.
Наконец, хоть и менее очевиден, но тоже весьма существен недостаток подобного корабля, связанный с особенностями атмосферы, окружающей нашу Землю. Эти особенности мы ниже (в главе 9) рассмотрим подробнее, ибо, кроме «панциря тяготения», как говорил Циолковский, межпланетному кораблю придется пробить и «панцирь атмосферы», отделяющий нас от мирового пространства. Все же одна такая особенность совершенно очевидна — с увеличением высоты над Землей плотность атмосферы быстро уменьшается.
Наиболее плотные слои атмосферы непосредственно прилегают к земной поверхности. В таком наиболее плотном воздухе корабль пролетит первые десятки километров своего длинного пути. И вот это начало пути кораблю следовало бы пролететь с малой скоростью, что значительно уменьшило бы потери скорости корабля из-за сопротивления воздуха, то есть, иными словами, уменьшило бы затрату энергии на преодоление сопротивления атмосферы. Кроме того, это устранило бы опасность сильного разогрева поверхности корабля, который неизбежен при полете с большой скоростью в плотной атмосфере. И о сопротивлении воздуха и о нагреве корабля нам, конечно, придется потом (в главе 17) говорить подробнее, но сразу ясно, что целесообразно так организовать полет межпланетного корабля, чтобы его скорость стала космической лишь на почтительном расстоянии от Земли, в разреженной атмосфере.
Вот, оказывается, как не просто организовать полет межпланетного корабля: необходимая скорость такого полета должна во много раз превышать максимальную скорость, когда-либо достигнутую человеком; при разгоне корабля до этой скорости ускорения должны быть очень небольшими, разгон должен быть плавным; на малых высотах в плотном воздухе, скорость полета должна быть относительно небольшой; корабль должен обладать способностью управления в полете; должна быть обеспечена возможность плавной посадки корабля у места назначения.
И только тот, кто нашел бы средство решить все эти на первый взгляд неразрешимые проблемы, мог бы по праву считаться создателем науки о межпланетных сообщениях — астронавтики. Такой человек был бы гордостью не только своего народа, но и всего человечества. Мы знаем имя этого человека, мы гордимся тем, что он сын нашего народа, что он сделал нашу страну родиной астронавтики. Это имя — Константин Эдуардович Циолковский — навсегда останется в сердцах людей примером смелости научной мысли, образцом творческого дерзания. Наш народ с благодарностью хранит память и об ученых других стран — пионерах астронавтики: французе Эно Пельтри, американце Годдарде, румыне Оберте, немце Валье и многих других.
Еще в конце прошлого века Циолковский, тогда скромный провинциальный учитель, занялся проблемой межпланетного полета. Он был первым человеком, осветившим эту проблему мощным прожектором научных знаний. Циолковскому удалось разрешить многие вопросы теории межпланетного полета, создать, по существу, новую отрасль знания, проложить новые, неизведанные пути в науке.
Ученый, исследователь, новатор в науке, Циолковский проявил себя и смелым новатором в технике, замечательным изобретателем и инженером. Он изобрел чудесный двигатель, без которого невозможно осуществление межпланетного полета; разработал ряд проектов межпланетных кораблей; ответил на многие практические вопросы, связанные с проблемой межпланетного путешествия.
Нет ни одной серьезной проблемы космического полета, которую не видел бы Циолковский, которую он не сформулировал бы на годы и десятилетия раньше, чем это сделали ученые в любых других странах мира1. Нет ни одной проблемы межпланетных сообщений, для которой Циолковский не предложил бы смелого и оригинального решения.
1 Первые работы по астронавтике на Западе были опубликованы гораздо позже, чем фундаментальный труд Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1903): во Франции — через 10 лет, в США — через 16 лет, в Германии — через 20 лет.
В царской России замечательные работы Циолковского не находили поддержки со стороны бюрократического, консервативного правительства. Несмотря на высокую оценку, которую тогда же дали этим работам такие всемирно известные ученые, как Д. И. Менделеев, А. Г. Столетов, М. А. Рыкачев, Н. Е. Жуковский и другие, за 40 с лишним лет своей научной и изобретательской деятельности до революции Циолковский получил один-единственный раз материальную поддержку от Российской академии наук в сумме... 470 рублей.
Получавший ничтожную плату как учитель в городе Боровске, а потом в Калуге, почти глухой в результате перенесенной еще в детстве болезни, Циолковский все свои личные средства затрачивал на постановку увлекавших его опытов. Он строил модели, приборы, установки, он построил, кстати сказать, и первую в мире аэродинамическую трубу. Обыватели считали Циолковского чудаком, беспочвенным мечтателем.
Только народ, взявший в свои руки вместе с властью и судьбы нашей науки, оказал поддержку ученому. После революции развернулась бурная творческая деятельность Циолковского, который стал идейным вдохновителем и руководителем целой школы талантливых советских ученых, исследователей и инженеров, развивавших идеи своего учителя. За годы советской власти Циолковским было написано и напечатано в четыре с лишним раза больше работ, чем до революции, — 550 работ из общего числа 675.
Вот почему в письме, написанном в 1935 году, за несколько дней до смерти, Циолковский с полным правом писал:
«Всю свою жизнь я мечтал своими трудами хоть немного продвинуть человечество вперед. До революции моя мечта не могла осуществиться. Лишь Октябрь принес признание трудам самоучки».
В этом же письме престарелый ученый говорил о том, что он все свои многочисленные труды по авиации, ракетоплаванию и межпланетным сообщениям передает «партии большевиков и советской власти, подлинным руководителям прогресса человеческой культуры».
Имя Циолковского навсегда вошло в число бессмертных имен, составляющих гордость и славу русской науки, русского народа.
Глава 4
ТРЕТЬЕ РОЖДЕНИЕ
Циолковский нашел изумительно простое, гениальное решение, казалось, неразрешимой задачи — организовать полет космического корабля так, чтобы были удовлетворены главные требования, о которых шла речь в предыдущей главе.
Было ясно, что простой бросок межпланетного корабля в мировое пространство не годится — это должен быть какой-то особенный «бросок». Сила его должна быть огромна, чтобы корабль приобрел колоссальную скорость. Он должен быть затяжным, чтобы разгон корабля был плавным и чтобы плотные слои атмосферы корабль пролетал с небольшой скоростью. Но и этого мало — надо предоставить возможность командиру корабля по своему усмотрению изменять направление и скорость полета корабля в мировом пространстве, иначе корабль станет игрушкой стихий и не будет удовлетворять своему назначению.
Но это значит, что толчок, который получит корабль при взлете, не должен быть единственным. Может появиться, даже заведомо появится, надобность в других подобных толчках во время самого полета, причем командир корабля должен иметь возможность сам избирать момент совершения этих толчков, их интенсивность, длительность и даже направление. Это должны быть какие-то особенные, управляемые толчки.
И, что самое главное, надобность в этих дополнительных толчках появляется тогда, когда корабль уже мчится в мировом пространстве, где нет воздуха, от которого он мог бы оттолкнуться, где не дуют ветры, где нет твердой опоры, как при отлете с Земли. Очевидно, единственным решением было бы найти источник толчков... на самом же межпланетном корабле. Такое решение возможно, и это единственное решение нашел Циолковский. В этом и заключается одна из основных его заслуг как создателя астронавтики.
Циолковский предложил использовать для межпланетного полета реактивный принцип, предложил установить на межпланетном корабле изобретенный им реактивный двигатель. Эта замечательная идея Циолковского лежит в основе всей современной астронавтики.
Реактивный принцип знаком теперь каждому школьнику. Впрочем, он был известен людям и использовался ими уже с давних времен, хотя сформулирован был в науке только Ньютоном в XVII веке.
Взгляните на рисунок. На нем изображены гонки каких-то странных кораблей. Эти корабли установлены на тележках, способных передвигаться по горизонтальному рельсовому пути. Чтобы тронуться в путь, корабли должны получить толчок вперед. Гонщики пытаются достичь цели различными способами.
Вот, например, пассажиры корабля решили отталкиваться от земли, упираясь в нее баграми, как это делают гребцы, когда лодка попадает на мелководье. Опираясь о землю, пассажиры толкают ее с какой-то силой. Но действие равно противодействию — это один из основных законов науки о движении, механики. Земля отталкивает пассажиров и корабль вместе с ними с такой же по величине, но направленной в обратную сторону силой отдачи, или, по-латыни, реакции. Одна и та же сила толчка заставляет тело двигаться с разными скоростями в зависимости от того, как велика масса тела. Скорость движения Земли под действием силы толчка пассажиров ничтожна, так как масса Земли огромна. Зато корабль, если он легкий, приобретает заметную скорость, как и спортсмен, отталкивающийся от земли, чтобы перепрыгнуть планку.
Гонщики могут отталкиваться и не от земли. Воспользовавшись тем, что вдоль рельсового пути корабля 2 проложены длинные каналы, заполненные водой, пассажиры этого корабля отталкиваются от воды с помощью весел, как гребцы на лодке, и с помощью гребного винта, как это делает теплоход. Сила толчка весел и винта заставляет в этом случае какую-то массу захваченной ими воды двигаться с некоторой скоростью назад. Чем сильнее толчок, тем больше эта ускоряемая масса воды и скорость ее движения. Но такая же по величине и обратно направленная сила реакции отбрасываемой массы воды вызывает движение корабля вперед.
Корабль 3 лишен водной опоры, но его пассажир с таким же успехом отталкивается от окружающего его воздуха. Для этого пришлось воспользоваться воздушным гребным винтом, или пропеллером, вращаемым с большим числом оборотов, как это делается на обычном самолете. Этот винт отбрасывает назад воздух, заставляет его двигаться с большой скоростью; сила реакции отбрасываемого воздуха толкает корабль вперед. Опять реакция!
Однако можно при желании обойтись и вовсе без багров, весел и винтов, без этих движителей, с помощью которых пассажиры кораблей 1, 2 и 3, трудясь в поте лица своего, создают толчок, необходимый для движения корабля. Вот что придумал гонщик корабля 4. Он соорудил длинный лоток вдоль рельсового пути и заполнил его чугунными шарами. Вот гонщик взял шар из лотка и бросил его назад. Сила реакции этого шара толкнула бросавшего, а вместе с ним и корабль вперед. Пока корабль движется вдоль лотка и в лотке есть шары, скорость движения корабля может непрерывно увеличиваться в результате реакции отбрасываемых шаров. Подобное движение, вызываемое отбрасыванием массы и происходящее без помощи движителей, обычно и называют реактивным. Именно так осуществляет свой полет, как мы увидим ниже, реактивный самолет. Только отбрасывает он, конечно, не чугунные шары из лотка, а воздух, который он черпает из окружающей атмосферы.
Иначе поступил гонщик последнего корабля 5. Вместо того чтобы строить лоток, он запас некоторое количество таких же чугунных шаров непосредственно на корабле. Конечно, запас шаров в этом случае не может быть таким большим, как в лотке, но зато корабль перестает зависеть от лотка, и пассажир при желании может вызвать необходимый толчок корабля, отбросив шар даже... в безвоздушном пространстве. Не правда ли, это как раз то, что и нужно межпланетному кораблю?
Именно эта идея реактивного движения под действием силы реакции отбрасываемой массы, запасенной на самом же движущемся аппарате, положена Циолковским в основу межпланетного полета.
Эта идея не нова. На этом же принципе основан полет простейшей пороховой ракеты, а такие ракеты люди умели запускать уже в глубокой древности. Однако от этих первых ракет до изобретенного Циолковским двигателя межпланетного корабля так же далеко, как от воздушного змея древних китайцев до современных самолетов.
Циолковский в простой пороховой ракете нашел прообраз будущего межпланетного корабля. Опережая эпоху, он создал реактивный двигатель, без которого невозможно осуществление заветной мечты человечества о межпланетном полете.
История ракет уводит нас в седую старину, она теряется в глубине веков, в древних легендах. Это не простая история спокойного, непрерывного развития — это история взлетов и падений, умирания и возрождения на новой основе.
Последними исследованиями в области истории ракет установлено, что в нашей стране ракеты использовались в военном деле еще в первой половине X века, 1000 лет назад. Однако можно полагать, что ракеты применялись и раньше, может быть, даже еще в Греции и, уж вероятно, в древнем Китае. Описание летающих огненных стрел, применявшихся китайцами, отчетливо показывает, что эти стрелы были ракетами. По имеющимся данным, ракетное оружие распространилось именно из Китая.
Китайские огненные стрелы отличались от обычных тем, что к ним прикреплялась трубка из уплотненной бумаги, открытая только с заднего конца и заполненная горючим составом вроде пороха. Этот заряд поджигался, и затем стрела выпускалась с помощью лука. Раскаленные газы, образующиеся при сгорании заряда, вытекали из трубки с большой скоростью назад, оставляя огненный след. Сила реакции вытекающих газов увеличивала скорость и дальность полета стрел, а также силу удара при попадании в цель; их горящий заряд вызывал пожары. Эти стрелы применялись в ряде случаев — в частности при осаде укреплений, против судов, кавалерии и т. д.
Однако после этого первого рождения ракет они были снова забыты, и в средние века уже не встречается упоминаний об использовании ракет в качестве оружия.
Второе рождение боевых ракет состоялось примерно 150-200 лет назад.
В Европе такие ракеты появились в начале XIX века. Они были заимствованы англичанами у индийцев, вероятно сохранивших древние китайские секреты. По имеющимся данным, в Индии в конце XVIII века ракетное оружие применялось весьма широко, и, в частности, существовали особые отряды ракетчиков, общая численность которых достигала примерно 5000 человек.
Эти отряды причиняли вторгшимся в конце XVIII века в Индию англичанам, по их собственному свидетельству, много «неприятностей» ракетными стрелами-снарядами, представлявшими собой трубки с зарядом горючего вещества1.
1 Эти трубки были изготовлены из железа, и к ним прикреплялся стабилизатор — бамбуковый стержень длиной 3 метра. Вес этих ракет достигал 5 килограммов, а дальность их полета — более 1 километра.
К. Э. Циолковский (1857-1935).
Английский генерал Конгрев называл действие этих снарядов «потрясающим»; он организовал затем производство подобных снарядов в Англии и усовершенствовал их. В середине XIX века реактивная артиллерия находилась уже на вооружении большинства европейских государств.
Создателем замечательных русских боевых ракет был прошедший суворовскую выучку генерал Александр Дмитриевич Засядко. Ракеты Засядко впервые были применены в военных действиях русской армии на Кавказе в 1825 году, а затем в русско-турецкую войну 1828-1829 годов.
Большого успеха в совершенствовании ракет достиг в середине прошлого века талантливый инженер и изобретатель — генерал артиллерии Константин Иванович Константинов. Работа Константинова «О боевых ракетах» была переведена на многие языки мира и долгие годы служила настольной книгой для артиллеристов.
Машины для производства ракет, созданные Константиновым (они так и назывались — «машины Константинова»), вытеснили опасный и непроизводительный ручной труд при набивке ракет и получили распространение во всей Европе. Ракеты Константинова были лучшими для своего времени и, в частности, с успехом применялись в знаменитую Севастопольскую оборону 1854— 1855 годов.
Многое сделал Константинов и в отношении производства ракетного вооружения и выработки тактики его военного использования.
Ракетная артиллерия широко применялась в Европе вплоть до конца прошлого века. Так, она еще использовалась в туркестанских походах русской армии в 80-х годах. Это объяснялось преимуществами ракет перед обычными гладкоствольными орудиями в отношении веса и подвижности. Дальность же и меткость огня были плохими как у ракет, так и у гладкоствольных пушек.
Однако во второй половине прошлого века ракетные орудия начали быстро вытесняться появившимися нарезными артиллерийскими орудиями, стрелявшими продолговатыми снарядами современного типа. Вращение этих снарядов в полете сильно увеличило кучность огня по сравнению с круглыми ядрами. К концу XIX века ракетная артиллерия была всюду снята с вооружения. Уже в первых войнах XX века, а также в первой мировой войне 1914-1918 годов она не применялась в боевых действиях. Сохранились лишь фейерверочные, сигнальные и другие ракеты вспомогательного назначения.
Третье рождение ракетного вооружения, сопровождавшееся его бурным развитием, произошло совсем недавно, в дни Великой Отечественной войны. В руках советских воинов, впервые в этой войне широко и смело применивших на поле боя реактивную артиллерию, она стала могучим и грозным оружием, вселявшим страх и ужас в сердца врагов. Весь мир знает о славных боевых подвигах реактивных минометов, получивших почетное звание гвардейских и ласковое имя «катюш», которое им дал советский народ.
Кто видел и слышал хоть раз в жизни, как «поют» «катюши», как они «играют», тот никогда этого не забудет. А кто этого не видел и не слышал, тот наверняка читал о впечатлениях очевидцев. Вот, например, что пишет об этом известный латвийский писатель Вилис Лацис:
«...внезапно заполыхали огнем кусты. Некоторое время казалось, что воздух наполнился ревом бури: реактивные снаряды, следующие со сказочной быстротой один за другим, проносились через нейтральную зону. В одном из секторов неприятельской оборонительной линии закипела, казалось, сама земля; все закружилось, задымилось, горели кусты, все почернело. Невозможно полностью описать последствия взрывов реактивных снарядов — это надо видеть собственными глазами, только тогда можно получить точное представление о мощи этого оружия».
Главное преимущество реактивной артиллерии перед обычной заключается в том, что для стрельбы реактивными снарядами не нужно тяжелых, сравнительно малоподвижных, громоздких пушек. Для этого применяются легкие, небольшие по размерам реактивные орудия, которые служат лишь для направления снаряда в первый момент выстрела. Такими реактивными орудиями служат обычно простые направляющие салазки, лоток или труба. Это позволяет установить большое число реактивных орудий на самолете, как, например, это было сделано на прославленном самолете-штурмовике Ильюшина «ИЛ-2», который немецкие фашисты называли «черной смертью». А «катюша» — это автомобиль с большим числом установленных на нем реактивных орудий, способных вести огонь реактивными снарядами весьма крупного калибра. Большая подвижность «катюш» позволяла легко маневрировать ими, наносить мощные, массированные, обычно совершенно внезапные огневые удары по врагу.
Реактивный снаряд начинает свой полет, когда запускается его пороховой ракетный двигатель. В камере сгорания этого двигателя находится заряд из специально изготовленного пороха. Обычно порох содержится в камере в виде одной или нескольких пороховых шашек. Когда порох после запуска воспламеняется и затем постепенно сгорает, то образующиеся в результате такого сгорания раскаленные газы вытекают из двигателя назад, через сопло, с очень большой скоростью, иногда превышающей 7000 километров в час. Сила реакции этой струи вытекающих газов и толкает вперед снаряд, заставляя его лететь с большой скоростью. Значит, в этом случае происходит принципиально то же, что и с кораблем, участвующим в гонках под номером 5. Только вместо чугунных шаров в реактивном двигателе снаряда запасен порох и отбрасываются назад для создания движущей силы реакции, или реактивной тяги, не шары, а частицы газов, образующихся при сгорании пороха.
Залп реактивных орудий самолета «ИЛ-2».
 Устройство авиационного реактивного снаряда. |
Так как порох для своего сгорания не нуждается в воздухе, то, казалось бы, пороховой ракетный1 двигатель вполне пригоден для установки на межпланетном корабле. Однако это не так. Пороховой двигатель работает, пока в нем горит порох, — обычно секунды и даже доли секунды. Ясно, что этого недостаточно для межпланетного полета2. Оказывается, мало найти подходящий реактивный двигатель, надо еще заставить его работать достаточно долго.
1 Ракетными и называются двигатели, обладающие именно этим свойством. Двигатели, которые не могут работать без воздуха, потому что используют кислород воздуха для сжигания топлива, называются воздушно-реактивными. О них речь в следующей главе.
2 Это не значит, что пороховые ракетные двигатели не играют никакой роли в астронавтике. В следующих главах будет рассказано о некоторых примерах их применения в настоящее время. Еще больше возможности применения этих двигателей в будущем, когда будут созданы твердые топлива, не уступающие по скорости истечения продуктов их сгорания жидким топливам; такие возможности имеются. Возможны также различные сочетания жидких и твердых топлив.
Но ведь двигатели реактивных самолетов работают много часов подряд. Нельзя ли их установить на межпланетном корабле?
«ЗВУКОВОЙ БАРЬЕР» ВЗЯТ!
Мысль о возможности использовать реактивные двигатели на транспортных экипажах для передвижения по земле, а потом и по воздуху появилась в давние времена.
Неоднократно обращались взоры изобретателей к реактивному двигателю, когда начиналось покорение воздушного океана. Это было связано с тем, что развитие воздухоплавания, а затем и авиации задерживалось тогда из-за отсутствия достаточно легкого, мощного и надежного двигателя для дирижаблей и самолетов.
Идея использования реактивного принципа в воздухоплавании высказывалась русскими изобретателями Третесским и Соковниным. Третесский в 1849 году предложил свой проект аэростата, передвигающегося под действием силы реакции струи пара или газа, вытекающего под давлением из отверстия в корме аэростата. Несколько более совершенный проект подобного же рода разработал в 1866 году Соковнин, писавший в пояснительной записке к своему проекту, что «воздушный корабль должен лететь способом, подобным тому, как летит ракета».
Мысль о создании летательного аппарата тяжелее воздуха с реактивным двигателем принадлежит нашему соотечественнику — Николаю Ивановичу Кибальчичу. Имя Кибальчича известно и дорого советскому народу как имя революционера, человека, отдавшего свою жизнь за дело революции. Как известно, Кибальчич вместе с другими народовольцами был казнен царским правительством за участие в покушении на царя Александра II 1 марта 1881 года. Кибальчич ведал лабораторией народовольцев, он изготовил бомбу, которой был убит царь.
Вероятнее в процессе работы над этой бомбой, а может быть и раньше, Кибальчичу пришли в голову мысли, которые он затем, уже сидя в камере смертников, за несколько дней до казни, изложил в докладной записке на имя царского правительства. Кибальчич предлагал построить летательный аппарат тяжелее воздуха с пороховым ракетным двигателем разработанной им конструкции. Эта идея 27-летнего революционера намного опережала свою эпоху, однако царское правительство, как и можно было ожидать, не стало рассматривать его предложение. Если судить по резолюции на докладной записке Кибальчича, царское правительство считало нежелательным привлекать внимание к участи осужденного народовольца, хотя Кибальчич в своей записке вовсе не просил о помиловании или даже об отсрочке казни — он хотел только встретиться с учеными, чтобы рассказать им о своей идее. Кибальчич был казнен, и только через 36 лет после этого, в августе 1917 года, в архивах полиции была обнаружена его докладная записка.
Попытки установить пороховые ракеты на автомобиле, глиссере, мотоцикле, планере и других средствах передвижения в начале нашего века были довольно частыми. Первые такие попытки должны были доказать правильность самого принципа реактивного движения, да и в дальнейшем многие из них неплохо содействовали популяризации этой новой тогда идеи, но в основном эти попытки носили рекламный или спортивный характер. Никакого практического значения они не имели, так как нельзя было избежать основного порока порохового ракетного двигателя — ничтожной продолжительности его работы.
Этот порок органически присущ пороховому двигателю, так как в таком двигателе весь запас топлива — пороха — должен заранее находиться в камере сгорания, что сильно ограничивает величину этого запаса. Подача новых порций твердого топлива в камеру сгорания связана с исключительными трудностями и, несмотря на ряд изобретательских предложений этого рода, в частности того же Кибальчича, до сих пор не была осуществлена.
Между тем по мере развития авиации все сильнее стала ощущаться необходимость в новом двигателе для самолетов, который мог бы обеспечить достижение еще невиданных скоростей полета.
Увеличение скорости полета — это одна из важнейших задач, неизменно стоящих перед авиацией. В авиации не зря говорят, что «кто быстрее в воздухе, тот и сильнее в воздухе». Начиная с первого полета самолета Можайского и до наших дней во всем мире ведется настойчивая борьба за увеличение скорости полета. И если первые самолеты летали со скоростью 40-45 километров в час, то к началу минувшей войны скорость достигла уже 700-750 километров в час. Огромный прогресс!
И все эти годы авиации надежно служил поршневой авиационный двигатель внутреннего сгорания, приводящий в движение воздушный винт. Это был единственный тип двигателя, нашедший применение в авиации. Со времени полета первых самолетов этот двигатель прошел огромный путь развития. Его мощность выросла от нескольких десятков до нескольких тысяч лошадиных сил. Конструкция двигателя усовершенствовалась — он стал очень компактным и легким. Экономичность двигателя значительно улучшилась — он стал расходовать в несколько раз меньше топлива на каждую лошадиную силу. Надежность двигателя стала необычайной — он приобрел способность работать без перерыва многие сотни часов подряд.
Поршневой авиационный двигатель стал высокосовершенной машиной, одним из замечательных достижений техники, человеческого гения. Кто не знает блестящих побед авиации, достигнутых с помощью этого двигателя, — исторических перелетов Чкалова и Громова через Северный полюс, высотных полетов Коккинаки и многих других!
И, несмотря на это, к концу второй мировой войны слава поршневого двигателя начала меркнуть: все сильнее стало ощущаться, что этот двигатель становится тормозом на пути дальнейшего развития авиации. Несмотря на несомненные достоинства поршневого двигателя, уже отчетливо стал выявляться и его главный недостаток — он оказался непригодным для полетов с теми скоростями, которые требовались теперь от авиации. Никакие конструктивные усовершенствования не могли уже исправить дело. Этот двигатель пасовал перед новыми скоростями. Замена его двигателем другой системы стала неизбежной.
Когда самолет летит со все большей скоростью, ему приходится преодолевать все большее сопротивление воздуха. Но это значит, что и двигатель самолета должен развивать при этом все большую мощность, ибо работа, совершаемая двигателем, и затрачивается на преодоление сопротивления воздуха. К сожалению, поршневой авиационный двигатель развивает практически одну и ту же мощность вне зависимости от скорости полета. Если на аэродроме двигатель в состоянии развивать, скажем, 2000 лошадиных сил, то практически те же 2000 сил он будет развивать и в полете, когда самолет мчится со скоростью 600 или 700 километров в час. Если же установить более мощный двигатель, то он будет и более тяжелым, а это увеличит размеры самолета и, следовательно, снова повысит требования к мощности двигателя. Заколдованный круг, из которого выхода для поршневого двигателя нет!
 Советский поршневой авиационный двигатель АШ-82. |
Кроме того, стал еще подводить и неизменный товарищ поршневого двигателя — воздушный винт. С увеличением скорости полета концы лопастей винта, вращающегося с очень большим числом оборотов, начинают двигаться в воздухе с такой огромной скоростью, что это делает работу винта малоэффективной. Все большая часть мощности двигателя тратится при этом винтом бесполезно из-за увеличения потерь, связанных со сжимаемостью воздуха, и все меньшая часть затрачивается на полезную работу продвижения самолета в воздухе. А ведь потребность в этой работе с ростом скорости полета все возрастает!
Наконец, обнаружилась и еще одна преграда, окончательно доконавшая поршневой двигатель. На пути увеличения скорости полета самолетов грозной невидимой стеной стал «звуковой барьер». Этот таинственный «порог» взволновал умы авиационников; ему посвящалось все большее число статей в специальных журналах, все большее количество научных исследований. Выяснилось, что по мере увеличения скорости полета, как это показали опыты в аэродинамических трубах, сопротивление, которое оказывает воздух летящему самолету начинает вдруг резко увеличиваться. Как будто какая-то незримая рука внезапно упирается в нос летящего самолета и мешает ему лететь с большей скоростью, тормозит его. Чем больше скорость полета, тем сильнее эта рука, и тем больше должна быть мощность самолетного двигателя, чтобы преодолеть ее тормозящее усилие. И без того мощность поршневого двигателя уже недостаточна, а тут еще такая напасть...
 «Звуковой барьер». |
Как это неоднократно бывало и в других случаях, оказалось, что причины такого внезапного увеличения сопротивления воздуха с ростом скорости полета не только были предсказаны задолго до того, как самолеты стали его ощущать в полете, но и были подвергнуты весьма тщательному теоретическому исследованию.
Еще в прошлом веке ученый-артиллерист профессор Артиллерийской академии Н. В. Маиевский первым в мире указал на связь этого внезапного увеличения сопротивления со скоростью звука в воздухе, то есть с той скоростью, с которой распространяются в воздухе звуковые волны. В 1902 году вышло в свет блестящее научное исследование тогда еще молодого ученого Сергея Алексеевича Чаплыгина — будущего академика, ученика и друга Николая Егоровича Жуковского. Это исследование заложило основы теории полета со скоростями, приближающимися к скорости звука. Более трети века этот выдающийся труд Чаплыгина оставался, по существу, незамеченным и рассматривался лишь как оригинальное математическое исследование, пока развитие авиации не поставило перед наукой проблемы, оказавшиеся во многом уже решенными этой работой русского ученого.
Теперь уже хорошо известно, что по мере приближения скорости полета самолета к скорости звука в воздухе, равной примерно 340 метрам в секунду, или 1225 километрам в час1, сопротивление воздуха резко увеличивается. Чем ближе скорость полета к скорости звука, тем больше это дополнительное, так называемое волновое, сопротивление. При этом сам полет становится неустойчивым, самолет начинает вибрировать, управление им нарушается.
Немало пришлось потрудиться советским ученым-аэродинамикам, опиравшимся на идеи Чаплыгина, пока им удалось найти средства уменьшения неприятностей, связанных с полетом, скорость которого приближается к скорости звука. Результатами этих трудов являются и непривычно тонкие крылья скоростных самолетов2, и необычная форма этих крыльев, придающая современному скоростному самолету вид стремительно летящей стрелы, и многие другие особенности этих машин.
1 У земли, при обычной температуре воздуха. Эта скорость меняется прямо пропорционально корню квадратному из температуры воздуха и, следовательно, с увеличением высоты полета уменьшается.
2 Показательно для характеристики диапазона научных интересов Циолковского, что им предложен профиль крыла сверхзвукового самолета, так называемый двусторонний клин (рис. на стр. 39), который, возможно, в будущем найдет широкое применение — в частности, для крыла межпланетного корабля, совершающего планирующую посадку в земной атмосфере.
Стало окончательно ясно, что перешагнуть через скорость звука, пробить звуковой барьер с обычным поршневым двигателем не удастся, об этом нечего и мечтать. Авиация обратилась за помощью к реактивной технике.
Это был естественный и логичный шаг, ибо реактивные двигатели наиболее выгодны именно для высоких скоростей полета. В этом легко убедиться на примере хотя бы той же пороховой ракеты.
Представьте себе испытание такой ракеты на стенде. Двигатель работает, порох сгорает; из сопла ракеты с огромной скоростью вырываются раскаленные пороховые газы, но... все это напрасно, никакой полезной работы при этом двигатель не совершает. Действительно, ведь работа есть действие силы на некотором пути, а в данном случае сила имеется: это сила реакции струи вытекающих газов, но путь-то отсутствует — ракета неподвижна. Это все равно, как если бы, скажем, вам было велено передвинуть тяжелый ящик в сторону, метра на два. Сколько бы вы ни трудились, пытаясь сдвинуть этот ящик, вы бы еще полезной работы не совершили. Вот если бы ящик сдвинулся со своего места, то работа была бы совершена, именно работа, равная произведению вашего усилия на пройденный ящиком путь. Пока ящик неподвижен, затрачиваемая вами энергия теряется бесполезно.
 Профиль крыла сверхзвукового самолета, предложенный К. Э. Циолковским. |
Но вот ракета полетела и мчится со все большей скоростью. Теперь уже работа ракеты совершается, она равна силе реакции струи газов, помноженной на пройденный ракетой путь.
Чем больше скорость полета, тем больше эта полезная работа. Легко сообразить, когда энергия газов будет полностью использована для совершения полезной работы — продвижения ракеты в окружающей среде.
Очевидно, как раз тогда, когда скорость полета ракеты станет в точности равной скорости истечения газов. Действительно, в этом случае газы, вытекающие из ракеты с огромной скоростью, будут относительно окружающего их воздуха совершенно неподвижными. Это и значит, что всю свою кинетическую энергию газы потеряли — она перешла в полезную работу движения ракеты. Правда, чтобы наступил такой момент, пороховая ракета должна лететь с очень большой скоростью — примерно 6-7 тысяч километров в час, но чем ближе скорость полета к этой наивыгоднейшей скорости, тем более эффективной становится работа реактивного двигателя.
Мы видим, что реактивные двигатели действительно рождены для высоких скоростей. Именно поэтому реактивные двигатели, вероятно, никогда не найдут широкого применения в наземном или водном транспорте — на железных дорогах, автомобилях, судах. При относительно малых скоростях передвижения, возможных в этих случаях, реактивные двигатели невыгодны и уступают тому же поршневому двигателю внутреннего сгорания. Другое дело в воздухе, где возможны огромные скорости,— в авиации и артиллерии. Здесь реактивные двигатели не имеют себе равных. Что же говорить о безвоздушном межпланетном пространстве?.. Кстати сказать, этот вывод о выгодности использования реактивных двигателей при больших скоростях полета был впервые в мире также получен Циолковским.
Пока скорость полета самолетов была относительно небольшой, авиацию вполне устраивал поршневой двигатель, а применение реактивных было бы невыгодным. Но вот скорость сильно выросла, поршневой двигатель стал сдавать — и все взоры обратились к двигателю реактивному.
Но авиационный реактивный двигатель должен, очевидно, во многом отличаться от двигателей реактивной артиллерии, и в первую очередь тем, что он должен обеспечивать длительный полет. Уже не секундами, как у пороховых реактивных двигателей, а часами должна измеряться продолжительность работы реактивного двигателя самолета. В этом случае все топливо нельзя разместить в камере сгорания, как в пороховом двигателе, а его нужно подавать туда небольшими порциями. Следовательно, топливо для авиационного двигателя не должно быть твердым. Но это еще не все, — такой двигатель должен расходовать мало топлива, то есть быть экономичным, чтобы обычных запасов топлива на самолете было достаточно для сравнительно продолжительного полета.
Двигатели, удовлетворяющие этим требованиям, известны. Это так называемые воздушно-реактивные двигатели. Они работают не на твердом, а на жидком топливе и используют для сжигания его кислород из атмосферы. В результате этого продолжительность их работы неизмеримо больше, чем пороховых двигателей.
Первые проекты воздушно-реактивных двигателей появились в ряде стран, в том числе и в нашей, еще в прошлом веке.
В 1867 году русский изобретатель Н. Телешов запатентовал воздушно-реактивный двигатель с компрессором для сжатия воздуха. Этот двигатель он назвал теплородным духометом. Аналогичные двигатели были предложены за рубежом почти на полвека позже.
В мае 1884 года изобретатель Якубинский доложил на заседании воздухоплавательного отдела Русского технического общества свой первый в мире проект воздушно-реактивного двигателя, специально предназначенного для летательных аппаратов.
Талантливый инженер и изобретатель Кузьминский еще в 1897 году построил и испытал на катере, на Неве, первый в мире газотурбинный двигатель, весьма похожий по конструктивной схеме на двигатели современных реактивных самолетов.
Интересные проекты воздушно-реактивных двигателей разработали в начале XX века изобретатели Караводин, Антонович, Горохов и Никольский.
Конструктор Базаров в 1924 году получил авторское свидетельство на схему так называемого турбовинтового двигателя для самолетов, в котором тяга создается как винтом, приводимым в движение турбиной, так и реакцией струи вытекающих газов. Двигатели современных реактивных самолетов во многих основных элементах конструкции повторяют это предложение.
В 1932 году Циолковский, работавший и над проблемой применения реактивных двигателей в авиации, предложил так называемый двухконтурный турбореактивный двигатель. Конструкция такого двигателя была разработана в 1937 году инженером Люлька.
Это показывает, что многие типы воздушно-реактивных двигателей были созданы в нашей стране. У нас же были разработаны основы теории и расчета этих двигателей.
Еще в конце прошлого века Николай Егорович Жуковский в своих знаменитых работах «О силе реакции вытекающей и втекающей жидкости» (1882 и 1886 гг.) дал формулу для определения силы тяги, которой пользуются в настоящее время во всем мире. Ученик Жуковского академик Б. С. Стечкин в 1929 году опубликовал разработанную им впервые в мире теорию воздушно-реактивных двигателей.
Работники нашей реактивной техники гордятся этим первенством нашей страны в создании авиационных реактивных двигателей. Своим настойчивым и упорным трудом они завоевывают и в настоящее время качественное превосходство отечественной реактивной авиации над зарубежной. Двигатели, которые разрабатываются и строятся дружными коллективами советских ученых, конструкторов» инженеров и рабочих, не имеют равных себе в мире. И в полной мере достойны этих двигателей наши замечательные реактивные самолеты, создаваемые прославленными авиационными конструкторами Туполевым, Микояном, Ильюшиным, Мясищевым, Яковлевым, Лавочкиным, Сухим, Антоновым и другими. Родина авиации и реактивной техники имеет могучую реактивную авиацию, охраняющую мирный труд нашего великого советского народа.
Скоростные самолеты над Красной площадью в Москве 1 Мая 1954 года.
Если пороховой реактивный двигатель поражает своей простотой и не имеет ни одной движущейся части, то турбореактивный двигатель современного реактивного самолета представляет уже довольно сложную машину. Однако оба эти двигателя имеют одну и ту же задачу — развивать реактивную тягу, создаваемую струей вытекающих из двигателя газов.
 Схемы турбореактивных двигателей: вверху — с центробежным компрессором, внизу — с осевым. |
Воздух, попадающий в турбореактивный двигатель через специальные воздухозаборные отверстия, сжимается в нем до давления в несколько атмосфер. Для этого служит специальная машина — компрессор. Это может быть центробежный компрессор, представляющий собой крыльчатку большого диаметра, вращающуюся с большим числом оборотов, либо осевой компрессор. Осевым он называется потому, что при сжатии в этом компрессоре воздух течет параллельно его оси, а не по радиусам от центра к периферии, как в центробежном компрессоре. Осевой компрессор представляет собой ряд колес с лопатками на ободе, вращающихся между рядами неподвижных лопаток.
В сжатый воздух в камере сгорания двигателя впрыскивается топливо, которым чаще всего является обычный керосин. Продукты сгорания топлива — раскаленные газы — поступают в газовую турбину и расширяются в ней, передавая лопаткам турбины часть своей энергии. Вследствие этого турбина вращается, развивая мощность, необходимую для приведения в действие компрессора. Именно для этой цели и предназначена турбина в двигателе, и поэтому она связывается с компрессором прочным стальным валом. Этот вал действительно должен быть прочным, так как мощность турбины и практически равная ей мощность компрессора в турбореактивных двигателях превышает иной раз 50 тысяч лошадиных сил.
 Отечественный турбореактивный двигатель с центробежным компрессором РД-500. |
Вытекающие из двигателя через реактивное сопло газы обладают значительной скоростью, намного превышающей скорость полета. Эта разница в скоростях и приводит к возникновению силы реакции, представляющей собой реактивную тягу двигателя. Сила реакции струи вытекающих из двигателя газов — вот та сила, которая заставляет лететь с большой скоростью реактивный самолет.
Турбореактивные двигатели, применяемые на современных самолетах, развивают тягу 5-7 тонн и более (по данным журнала «Интеравиа» № 10, 1958 г., и др.). Легко подсчитать, какую мощность развивает в полете двигатель подобной тяги. Так, мощность двигателя тягой 6000 килограммов при скорости полета 400 метров в секунду, что соответствует 1440 километрам в час, равна 32 тысячам лошадиных сил.
И это в то время, как наиболее мощные поршневые авиационные двигатели развивают по крайней мере в 8 раз меньшую мощность. А ведь поршневые двигатели имеют более чем полувековую историю развития.
Мало того: примерно четверть всей мощности, развиваемой поршневым двигателем, теряется бесполезно винтом, так что при мощности двигателя в 4000 лошадиных сил его полезная мощность составит примерно 3000 лошадиных сил. И вместе с тем такой двигатель будет иметь больший вес и большие размеры, чем турбореактивный двигатель, во много раз более мощный. Вот в чем секрет успеха реактивных двигателей в авиации.
А успех этот, кстати сказать, поистине необычайный. За несколько послевоенных лет вся скоростная авиация мира стала авиацией реактивной. Можно смело говорить о технической революции, вызванной в авиации применением реактивных двигателей.
Когда мы об этом говорим, то не можем не вспомнить с законной гордостью пророческие слова Циолковского, сказанные им еще тогда, когда к самой мысли о создании реактивных самолетов относились как к безудержной фантазии: «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных». Эти вещие слова, сказанные четверть века назад, сбылись. Мы живем с вами в самом расцвете эры реактивной авиации1.
1 Интересно вспомнить в связи с этим, что в официальном документе английского правительства, относящемся к 1934 году (письмо основателю Английского межпланетного общества Клетору), было сказано буквально следующее: «...Научные исследования возможностей реактивных двигателей не дают указания, что они могут быть серьезными конкурентами винтомоторной силовой установке» (!).
Вместо четырех турбореактивных двигателей реактивного бомбардировщика на нем нужно было бы установить не менее 24 сверхмощных поршневых двигателей.
Достижения реактивной авиации поразительны. Ее возраст еще только немногим больше десятилетия, и все же «таинственный» звуковой барьер уже преодолен! И, как и следовало ожидать, ничего таинственного по ту сторону этого барьера не оказалось, по авторитетному свидетельству многократно побывавших там летчиков. Сейчас уже реактивные самолеты летают со скоростью, превышающей скорость звука в 2,5 и более раз.
Покоривший весь мир красавец реактивный пассажирский самолет «ТУ-104» за 3 часа переносит десятки пассажиров из Москвы в Лондон, за 11 часов — в далекий Владивосток. Пассажир, вылетевший утром из Петропавловска-Камчатского, в тот же день вечером слушает оперу в Большом театре в Москве — кто мог поверить в это еще несколько лет назад!
Новые пассажирские реактивные самолеты, выходящие сейчас на авиалинии, будут перевозить не десятки, а сотни пассажиров. Кто мог ждать что так скоро работникам нашей гражданской авиации придется задуматься над несколько необычной для них задачей — как поскорее довезти пассажиров до... аэродрома. Ведь уже сейчас иной раз пассажиры затрачивают больше времени на поездку из города на аэродром, чем на перелет за сотни километров!
Но эти успехи воздушно-реактивных двигателей в авиации — только первые шаги. Впереди их ждут еще более блестящее будущее, еще большие скорости полета: 3-4-5 тысяч километров в час. И очень интересно, что при таких больших скоростях полета двигатель не только не станет более сложным, но, наоборот, предельно упростится.
Сложность турбореактивного двигателя связана главным образом с его движущимися, вращающимися частями: компрессором и турбиной. Именно они, с одной стороны, уменьшают надежность двигателя, а с другой — ограничивают возможность дальнейшего увеличения его тяги, а значит, и возможность дальнейшего увеличения скорости полета. Но, к сожалению, без компрессора, а следовательно, и без турбины обойтись пока нельзя: для того чтобы двигатель мог работать, развивая большую тягу и расходуя мало топлива, нужно сжимать воздух, увеличивать его давление в камере сгорания. И вот оказывается, что при полете со скоростью, в 3-4 раза превышающей скорость звука, компрессор становится лишним: удается получить нужное высокое давление воздуха в двигателе и без его помощи.
Секрет здесь прост. Почему, когда высовываешься из окна вагона быстро мчащегося поезда, спускаешься на лыжах с крутой горы или с разбегу прыгаешь с высокого трамплина, воздух становится таким упругим? Отчего перехватывает в этих случаях дыхание, какая сила бьет с размаху в грудь и лицо? Почему таким страшным становится обыкновенный ветерок, когда он с силой урагана набрасывается на деревья, строения, людей, срывая крыши с домов, опрокидывая железнодорожные вагоны?
Реактивные самолеты: вверху — военный, внизу — пассажирский («ТУ-104»).
 Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя. |
Эта сила рождается, когда стремительно мчащийся воздух задерживается неожиданным препятствием, внезапно и резко останавливается, прерывая свой бешеный бег. Вся мощь, вся кинетическая энергия воздуха затрачивается в этих случаях на его сжатие, на увеличение давления, создавая так называемый скоростной напор. Он-то и валит с ног людей и ломает деревья.
Что же происходит, когда в воздухе мчится с огромной скоростью, быстрее любого урагана, реактивный самолет? Воздух, врывающийся с этой скоростью в двигатель, почти останавливается внутри него. Легко представить себе, каким большим оказывается при этом скоростной напор воздуха. И все же при тех скоростях, с которыми летают современные реактивные самолеты, этот скоростной напор еще не в состоянии создать нужного давления в двигателе, он только помогает компрессору.
Но когда скорость полета начинает значительно превышать скорость звука, то только в результате использования этого скоростного напора давление в двигателе может быть доведено до многих атмосфер и даже до десятков атмосфер.
Тогда в компрессоре, а следовательно, и в турбине не будет никакой надобности. Турбореактивный двигатель превратится, по существу, в одну, летящую с огромной скоростью топку, в летающую трубу, вовсе не имеющую движущихся частей. И, несмотря на эту свою простоту, такой прямоточный воздушно-реактивный двигатель будет при этих больших скоростях полета развивать при тех же размерах и гораздо меньшем весе, чем у современных турбореактивных двигателей, в десятки раз большую тягу и расходовать во много раз меньше топлива1. Неудивительно поэтому то внимание, которое уделяется прямоточным двигателям уже сейчас, для того чтобы эти двигатели стали широко применяться в сверхскоростной авиации завтрашнего дня.
Развитие авиационной реактивной техники уже привело к созданию воздушно-реактивных двигателей, способных работать сотни часов подряд, мощных, экономичных, легких. Это были бы замечательные двигатели для межпланетного корабля, если бы... если бы они вообще годились для него. Но они, конечно, не годятся, ибо нуждаются для своей работы (для сгорания топлива) в воздухе, а именно его-то и нет в мировом пространстве.
Значит, для межпланетного корабля нужен реактивный двигатель, сочетающий способность порохового (работать без воздуха) со способностью воздушно-реактивного (работать продолжительное время). Такой двигатель и был изобретен Циолковским2.
1 Недостатком такого двигателя является то, что он не развивает тяги во время стоянки самолета и поэтому не может обеспечить его взлет; для этой цели на самолете должен быть установлен какой-нибудь дополнительный двигатель.
2 Следует подчеркнуть, что этот двигатель изобретен Циолковским раньше, чем были созданы первые воздушно-реактивные двигатели.
ЗАПРЯЖКА В ПОЛМИЛЛИОНА ЛОШАДЕЙ
Циолковский начал интересоваться проблемой межпланетного полета и, в связи с ней, реактивным движением в конце прошлого века. В архиве ученого обнаружена не опубликованная им статья «Свободное пространство», написанная в 1883 году. В этой статье рассматриваются принципы реактивного полета в мировом пространстве.
В 1895 году Циолковский начал работать над повестью «Вне Земли», в которой в качестве межпланетного корабля описывается ракета.
В 1903 году появилась первая печатная работа Циолковского о ракетах как средстве осуществления межпланетных полетов. Это была статья «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованная в журнале «Научное обозрение» № 5 за 1903 год. Появление этой статьи означало официальное рождение новой науки — ракетной астронавтики. При дальнейших многократных переизданиях статьи, начиная с 1924 года, она получила название «Ракета в космическое пространство».
Циолковский в этой классической статье наряду с разработкой теории межпланетных полетов изложил проект межпланетного корабля с изобретенным им жидкостным ракетным двигателем. Именно этому двигателю суждено решить проблему космического полета, ибо только он счастливо сочетает в себе возможности удовлетворения всех противоречивых требований, предъявляемых к двигателю межпланетных кораблей. Одного этого изобретения было бы достаточно, чтобы обессмертить имя Циолковского.
Жидкостный ракетный двигатель, как и пороховой, не нуждается в воздухе для своей работы и, следовательно, может работать и в безвоздушном пространстве даже с большим успехом, чем в атмосфере. Вместе с тем он обладает гораздо большей продолжительностью работы, чем пороховой, ибо он работает, как показывает и само название двигателя, не на твердом, а на жидком топливе, которое можно постепенно подавать из баков в камеру сгорания. Именно в этой высказанной Циолковским идее использования в ракетном двигателе жидкого топлива и заключается замечательная суть его изобретения. Эта идея широко используется не только в жидкостных ракетных двигателях, но и в воздушно-реактивных двигателях, о чем было рассказано в предыдущей главе.
Однако топливо для жидкостных ракетных двигателей представляет собой не одну какую-нибудь жидкость, как, например, бензин для поршневых и керосин для турбореактивных двигателей, а обычно состоит из двух различных жидкостей. Каждая из них хранится в особом баке или отсеке корабля, как это показано на схеме Циолковского, и только обе вместе они составляют топливо.
Одна из этих жидкостей — это так называемое горючее. Как видите, в данном случае горючее и топливо — не одно и то же; горючее — это только часть топлива.
Роль горючего и в этом случае такова же, как всегда, — при его сгорании должно выделяться тепло, необходимое для работы жидкостного ракетного двигателя. В качестве горючих применяются обычные нефтяные горючие — бензин, керосин, а также спирт, анилин и другие вещества (на схеме корабля Циолковского на отсеке с горючим написано «углеводород»).
Легко сообразить, какая жидкость должна заполнять второй бак. Ведь для сгорания горючего необходим кислород. Где же взять его, если нельзя заимствовать из окружающей атмосферы? Очевидно, во втором баке должна находиться жидкость, содержащая в себе в достаточном количестве кислород, или так называемый окислитель. В качестве окислителя применяются такие жидкости, как крепкая азотная кислота, перекись водорода высокой концентрации и другие вещества. Широко применяется также предложенный Циолковским чистый кислород, только, конечно, не газообразный (его вошло бы в бак очень мало, да и бак пришлось бы делать очень прочным), а жидкий. Для сжижения, как известно, кислород приходится охлаждать до температуры минус 183°.
 Схема межпланетного корабля К. Э. Циолковского с жидкостным ракетным двигателем. |
Обе части топлива — горючее и окислитель — подаются под высоким давлением в камеру сгорания двигателя. Давление, достигающее десятков атмосфер, может создаваться, например, каким-либо газом, вытекающим в баки с топливом из баллона высокого давления, где он содержится. Подача топлива может осуществляться также с помощью специальных насосов, как это показано на схеме Циолковского.
В камере сгорания происходит встреча составных частей топлива, заканчивающаяся химической реакцией сгорания. При этом выделяется большое количество тепла, так что температура в камере сгорания оказывается очень высокой — она превышает в некоторых случаях 3000°. Раскаленные газы, продукты этого сгорания, вытекают из двигателя через сопло наружу с огромной скоростью, достигающей 2,5 километра в секунду и даже больше.
Естественно, что сила реакции струи вытекающих газов, представляющая собой реактивную тягу двигателя, оказывается очень большой: ведь эта сила прямо пропорциональна скорости истечения газов из двигателя. Реактивная тяга и должна сообщить межпланетному кораблю необходимую большую скорость.
За полвека, прошедшие со времени изобретения Циолковским жидкостного ракетного двигателя, он прошел большой путь развития. Первые десятилетия характеризовались в этом отношении главным образом настойчивым трудом отдельных изобретателей-энтузиастов, их скромными попытками построить жидкостный ракетный двигатель и использовать его для полета ракеты. В настоящее время созданы уже многие проверенные, надежные конструкции таких двигателей. Они устанавливаются на различных самолетах и ракетах, используются для самых разнообразных целей. Над этой проблемой работают научно-исследовательские институты и конструкторские коллективы. Выросла новая, стремительно развивающаяся отрасль промышленности по производству жидкостных ракетных двигателей и реактивных летательных аппаратов.
Как и в других отраслях реактивной техники, не только первое слово, но и дальнейшие заслуги в развитии жидкостных ракетных двигателей принадлежат во многом нашей стране.
Несколько позже Циолковского и независимо от него начал работать над проблемой межпланетных полетов и, в этой связи, реактивной техникой талантливый исследователь и изобретатель-самоучка Ю. В. Кондратюк. Наряду с теорией межпланетных полетов, которую рассматривал в своих работах Кондратюк, он высказал ряд оригинальных мыслей в отношении совершенствования жидкостных ракетных двигателей. В частности, им было высказано независимо от Циолковского, первым выдвинувшего эту идею, предложение об использовании в качестве окислителя озона вместо кислорода, что является перспективным и в настоящее время.
Много сделал для развития жидкостных ракетных двигателей последователь и продолжатель идей Циолковского — Ф. А. Цандер. Это был первый инженер в нашей стране, который посвятил себя работе в области межпланетного полета и ракетной техники. Цандеру принадлежит ряд идей, способствующих успешному решению задачи межпланетного полета. Он осуществил исследования многих вопросов развития и совершенствования двигателей для межпланетных кораблей.
Жидкостный ракетный двигатель Ф. А. Цандера на испытательном стенде (1933 г.).
Еще в 1920 году, когда наша страна только выходила из пламени гражданской войны и перед ней стояли тяжелые задачи восстановления разрушенного войной народного хозяйства, Цандер выступал на Московской конференции изобретателей с докладом о проекте своего межпланетного корабля и двигателя для него. Владимир Ильич Ленин обещал тогда изобретателю поддержку в его дальнейшей работе. Это явилось ярким свидетельством того повседневного внимания, которым окружено в нашей стране смелое творчество и дерзание в науке.
В 1930 году Цандер построил свой первый двигатель, работавший на бензине и газообразном воздухе. Этот двигатель представлял собой, по существу, только модель другого, большего двигателя, развивавшего тягу до 50 килограммов и работавшего на бензине и жидком кислороде, который был построен Цандером в 1932 году. Он проходил испытания уже после преждевременной смерти Цандера в 1933 году. Это был один из первых жидкостных ракетных двигателей в мире. Цандер высказал мысль об использовании некоторых металлов в качестве горючего для жидкостных ракетных двигателей (независимо от Цандера эта мысль была высказана также Кондратюком). Это позволяет, в частности, сжигать части конструкции самого межпланетного корабля, становящиеся ненужными в процессе полета: опустошившиеся баки и т. п. Цандер разработал также методику расчета жидкостных ракетных двигателей.
Первый у нас в стране жидкостный ракетный двигатель был создан коллективом советских ученых, конструкторов, инженеров и рабочих в 1930 году. Этот двигатель, получивший название ОРМ-1 («Опытный реактивный мотор — первый»), был для того времени весьма совершенным по своей конструкции. Он состоял из 93 деталей, имел цилиндрическую стальную камеру сгорания и набор сменных стальных сопел. Двигатель работал на топливе, состоявшем из четырехокиси азота — в качестве окислителя и толуола — в качестве горючего. Три форсунки служили для подачи окислителя и три — для подачи горючего. При испытании двигатель развивал тягу до 20 килограммов.
Тогда же были осуществлены важные исследования в области теории жидкостных ракетных двигателей, предложен ряд топлив для них, в том числе нашедшие широкое применение азотная кислота и перекись водорода, и некоторые перспективные топлива, а также создано большое число жидкостных ракетных двигателей различного назначения. Так, двигатель ОРМ-50 тягой 150 килограммов, работавший на азотной кислоте и керосине, был предназначен для установки на отечественной экспериментальной ракете. Кстати сказать, 17 августа 1933 года состоялся первый запуск этой ракеты, вслед за которым были совершены и многие другие полеты, в том числе и на значительные высоты.
Одним из наиболее совершенных жидкостных ракетных двигателей того времени был двигатель ОРМ-65 тягой 175 килограммов, созданный в 1936 году для установки на новых видах летательных аппаратов — «воздушной торпеде» и ракетоплане.
«Воздушная торпеда» представляла собой первую из ракет такого рода — беспилотную крылатую ракету с автоматическим управлением. Дальность полета торпеды должна была составлять по проекту 50 километров. Торпеда успешно прошла летные испытания в 1939 году (29 января и 8 марта). Ракетоплан представлял собой экспериментальный самолет-моноплан небольшого размера, предназначенный для установки на нем жидкостного ракетного двигателя,— это был первый не только у нас в стране, но и во всем мире летательный аппарат подобного типа. Он был создан путем переоборудования двухместного планера, успешно летавшего начиная с 1935 года. Во время наземных испытаний двигателя на ракетоплане он проработал (в марте 1938 года) непрерывно 230 секунд, что было большим достижением для того времени.
Крупнейшим успехом в развитии жидкостных
 Взлет отечественной ракеты с жидкостным ракетным двигателем (1933 г.). |
Через два с небольшим года, 15 мая 1942 года, капитан Г. Я. Бахчиванджи совершил первый полет уже на специально спроектированном самолете с жидкостным ракетным двигателем. Первый раз в истории такой самолет поднял человека в воздух.
Жидкостные ракетные двигатели применяются сейчас в авиации для различных целей.
В ряде случаев они используются для облегчения взлета тяжелых самолетов. Иногда эти двигатели устанавливаются на самолетах в дополнение к основному двигателю другого типа, например турбореактивному, с целью увеличения скорости полета в нужный момент — при наборе высоты, в воздушном бою и т. д. Такая установка применялась в нашем Военно-Воздушном Флоте еще в годы минувшей войны; в частности, жидкостный ракетный двигатель РД-1 был установлен в хвосте известного пикирующего бомбардировщика «ПЕ-2» конструкции В. М. Петлякова.
Устанавливаются жидкостные ракетные двигатели на самолетах и в качестве основного и единственного двигателя. Самолеты с этими двигателями предназначаются обычно для исследовательских целей — изучения особенностей полета на очень больших, сверхзвуковых скоростях. С их помощью удается достигать наибольших, доступных пока, скоростей полета. Имеются и военные самолеты с такими двигателями — так называемые истребители обороны, или истребители-перехватчики, задачей которых является борьба с бомбардировщиками врага.
Однако самолеты с жидкостным ракетным двигателем обладают и одним очень серьезным недостатком по сравнению с другими самолетами — они могут находиться в полете гораздо меньшее время. Это объясняется тем, что жидкостные ракетные двигатели обладают исключительной «прожорливостью» — они расходуют в 15-20 раз больше топлива, чем турбореактивные двигатели такой же тяги. Это не удивительно. Ведь турбореактивные двигатели современных самолетов, хотя бы нашего хорошо всем известного авиалайнера ТУ-104, помимо топлива, находящегося в баках самолета, используют для своей работы атмосферный воздух, точнее — кислород из этого воздуха. Таким образом, вся окружающая нас атмосфера служит для этого двигателя как бы вторым огромным «топливным» баком. Иначе обстоит дело в случае жидкостного ракетного двигателя. Как уже было отмечено в начале этой главы, на самолете с таким двигателем, помимо бака с горючим, должен иметься и бак с окислителем — допустим, тем же кислородом, но только жидким. Понятно, что общий расход топлива, то есть горючего вместе с окислителем, получается значительно большим, чем расход топлива в турбореактивном двигателе. Вот почему при непрерывной работе жидкостного ракетного двигателя на полной мощности запаса топлива на истребителе-перехватчике хватает лишь на 3-5 минут! Чередуя разгон самолета при работающем двигателе с последующим планированием, когда двигатель выключен, летчик такого самолета может довести общую продолжительность полета до 20-30 минут. Этого только-только хватает для того, чтобы взлететь, навязать бой противнику в районе своего аэродрома и сесть с пустыми баками. Поэтому жидкостные ракетные двигатели применяются пока только на единственном типе самолетов — истребителях-перехватчиках, да и то вдобавок к другому двигателю.
Главное использование жидкостных ракетных двигателей связано, однако, в настоящее время не с авиацией, а с различного рода ракетами. Это и тяжелые снаряды противовоздушной обороны, и ракетные авиабомбы, и снаряды дальнего действия, и высотные ракеты.
Применение тяжелых ракет с жидкостным ракетным двигателем с каждым днем все расширяется, и некоторые из таких ракет начинают уже сильно походить на небольшие межпланетные корабли, как их обычно рисуют в книжках...
Вот одна из таких ракет, применявшаяся в минувшую войну в качестве тяжелого дальнобойного реактивного снаряда (см. стр. 53). Боевая головка этого снаряда заключала в себе ¾ тонны взрывчатого вещества, и снаряд пролетал расстояние около 300 километров. Конечно, ни одна самая тяжелая и дальнобойная пушка такими тяжелыми снарядами и так далеко не стреляла. На этом снаряде был установлен мощный жидкостный ракетный двигатель.
Ракета имела длину около 14 метров, диаметр — 1,7 метра, а сзади, по хвостовому оперению, — даже 3,6 метра. Поневоле поражаешься размерам этой ракеты, когда сравниваешь ее с фигурами стоящих рядом людей. Ну, и вес ракеты тоже внушительный — примерно 13 тонн, так что вес «полезной нагрузки» — взрывчатки — составляет только небольшую часть, несколько процентов от общего веса ракеты.
Двигатель установлен в «корме» ракеты, как это будет, очевидно, и на межпланетном корабле. Работает он на топливе, состоящем из двух жидкостей. Вот почему на этой ракете, в ее средней части, установлены два гигантских бака.
В переднем баке находится горючее, которым в данном случае служит этиловый, то есть винный, спирт (крепкий, не менее 75°). Задний бак служит для хранения окислителя — чистого жидкого кислорода, как это и предлагал в свое время Циолковский. Запас топлива на ракете равен примерно 9 тоннам. Вот что составляет большую часть, примерно ⅔, общего веса ракеты. Из этих 9 тонн около 4 тонн — спирт, остальное — жидкий кислород.
Для выстрела, то есть запуска, ракета устанавливается в вертикальном положении, в котором она поддерживается с помощью специального легкого станка-люльки. Почти как межпланетный корабль, приготовившийся к прыжку в мировое пространство! В таком положении заполняются топливом гигантские баки ракеты — ракета заправляется. Для этой цели служат мощные автозаправщики, но какими игрушечными они кажутся рядом с устремленной ввысь ракетой!
Исследовательский сверхзвуковой самолет с жидкостным ракетным двигателем.
 Устройство тяжелого дальнобойного снаряда-ракеты (Фау-2) с жидкостным ракетным двигателем. |
Но вот заправка кончена, ракету можно запускать. Открываются топливные краны, спирт и кислород поступают в камеру сгорания двигателя. Там происходит воспламенение топлива, и образовавшиеся в результате сгорания раскаленные газы с большой скоростью начинают вытекать из двигателя через сопло в атмосферу.
 Подготовка ракеты к запуску. На заднем плане видна ракета в момент взлета. |
Сила реакции струи вытекающих из двигателя газов направлена вверх; она стремится поднять ракету, оторвать ее от земли.
Сделать это, правда, не так просто, ведь ракета весит 13 тонн! Однако, оказывается, при нормальной своей работе двигатель ракеты развивает тягу, вдвое превосходящую вес ракеты, — тягу в 25-26 тонн. Это тяга современных мощных паровозов, водящих тяжеловесные поезда. И вот с такой огромной силой газы, вырывающиеся из ракеты вниз, толкают ее вверх. На этот режим полной тяги двигатель выходит только через несколько секунд после его запуска (вначале устанавливается так называемый предварительный режим — с тягой 8 тонн). Быстро увеличиваясь, тяга выравнивается с весом ракеты, потом становится больше этого веса — ракета вздрагивает, медленно, как бы нехотя, отрывается от земли, а затем все быстрее и быстрее взмывает кверху, очень скоро исчезая из глаз наблюдателя.
Весь дальнейший полет ракеты осуществляется автоматически. Он управляется приборами, стоящими на самой же ракете, в специальном приборном отсеке, за боевой головкой. Повлиять на полет ракеты с земли после того, как она уже взлетела, невозможно. Ракета взлетает, а потом, подчиняясь команде приборов, установленных на ней, мчится к цели, находящейся на расстоянии 300 километров от места взлета.
Первые 10-11 секунд после старта ракета летит прямо вверх, в небо. Затем приборы управления полетом ракеты отклоняют ее рули, расположенные сзади. Вследствие этого ракета перестает подниматься вертикально и начинает полет по сложной криволинейной траектории, впрочем близкой к дуге круга. Летя таким образом, ракета достигает весьма большой высоты — примерно 40 километров. На этой высоте двигатель ракеты выключается, останавливается. К этому моменту он успевает выработать все топливо, запасенное на ракете в гигантских баках, — все 9 тонн.
Через сколько же времени это происходит после взлета ракеты? Оказывается, через минуту. За эту одну-единственную минуту ракета уносится на высоту 40 километров, а ее двигатель одним, поистине гигантским, глотком проглатывает 9 тонн топлива.
Однако это топливо двигатель расходует не напрасно, ибо он развивает в полете действительно колоссальную мощность.
Если судить по энергии вытекающей из двигателя струи газов, то его мощность достигает почти 400 тысяч лошадиных сил. Еще больше полезная мощность, соответствующая работе продвижения ракеты в окружающей среде. Эта мощность непрерывно увеличивается с ростом скорости полета, так как она равна произведению тяги на скорость. Перед остановкой двигателя ракета летит со скоростью около 5500 километров в час, или 1,5 километра в секунду. При этом полезная мощность превышает полмиллиона лошадиных сил, приближаясь к мощности Днепрогэса.
После остановки двигателя ракета продолжает полет за счет накопленной ранее скорости, как снаряд, вылетевший из ствола артиллерийского орудия. Правда, такую пушку в данном случае надо было бы поместить на высоте 40 километров. Летя таким образом, ракета забирается еще выше и достигает максимальной высоты — примерно 100 километров.
Но и 100 километров — это совсем не предел, достигнутый современной реактивной техникой, как не предел и достигнутая скорость полета в 1,5 километра в секунду. Использование идей Циолковского позволило добиться уже значительно больших успехов в том замечательном штурме мирового пространства, который ведет реактивная техника.
Какие же это идеи?
Траектория и скорость полета ракеты.
Траектория артиллерийского снаряда.
«ТАЮЩИЕ» СНАРЯДЫ И «ТАЮЩИЕ» ПОЕЗДА
Раз известно, какую скорость нужно сообщить межпланетному кораблю, и найден двигатель для него, то не должно быть ничего трудного в том, чтобы рассчитать межпланетный корабль — определить нужный запас топлива, общий вес корабля, траекторию полета. Однако первые же попытки Циолковского решить сначала более простые задачи — например, определить, как далеко залетит какая-нибудь ракета или как высоко она поднимется, — натолкнулись на несколько неожиданное препятствие. Оказалось, что подобных задач до Циолковского еще никто не решал. Выяснилось также, что это не такие уж простые задачи.
Известно, что законы движения различных тел изучает наука о движении — механика, созданная Ньютоном. Естественно, что в поисках нужного ему решения Циолковский обратился за помощью к механике. Однако в то время эта наука оказалась бессильной помочь Циолковскому.
До Циолковского механика имела дело всегда с телом определенной массы. И это всех устраивало, ибо на практике только такие случаи и встречались. Трудно было себе представить, например, задачу о падении какого-нибудь камня, который бы в полете «худел», теряя массу.
Но перед Циолковским стояли, увы, именно такие задачи. Масса ракеты в полете сильно изменяется, так как часть массы ей приходится отбрасывать в виде продуктов сгорания топлива. Поэтому ракета, пока работает ее двигатель, не похожа на обычные снаряды. Это какой-то особый, быстро «тающий» в полете снаряд. Вспомните, например, ракету, описанную в предыдущей главе. За одну минуту полета с работающим двигателем ее вес уменьшается с 13 до 4 тонн. Поистине катастрофическое «похудание»...
Чтобы научиться рассчитывать полет ракет, нужно было сначала разработать новую главу механики — механику тел переменной массы. Без этого нельзя было создать и науку о движении ракет — ракетодинамику.
Честь решения этих задач принадлежит Циолковскому. И в этом — одна из наибольших его заслуг перед человечеством, перед наукой. Разработанная Циолковским механика тел переменной массы позволяет решать множество важных технических задач; она лежит и в основе теории межпланетного полета.
Интересно, что практически одновременно с Циолковским и независимо от него разработкой механики тел переменной массы занимался крупный русский ученый — профессор И. В. Мещерский, которому принадлежит решение ряда важных проблем в этой области.
И в наши дни ведущая роль в разработке вопросов ракетодинамики принадлежит советским учёным, ученикам Циолковского и Мещерского.
Чтобы изучить законы движения ракет, Циолковский рассмотрел простейший случай полета ракеты — полет ее в таком пространстве, в котором нет сопротивления воздуха и отсутствует сила тяжести. Циолковский назвал это условное пространство свободным. В таких примерно условиях будет находиться межпланетный корабль при полете в межзвездном мировом пространстве — воздуха там нет, а силой тяжести в первом приближении можно пренебречь, если корабль не находится непосредственно вблизи тяжелых небесных тел.
Главная задача, которая стояла перед Циолковским, заключалась в том, чтобы научиться определять конечную скорость ракеты, то есть ту скорость, которую ракета приобретает, когда ее двигатель останавливается из-за выработки всего топлива.
Решение этой задачи было получено впервые Циолковским и опубликовано им в 1903 году. Полученная Циолковским формула, позволяющая определить конечную скорость ракеты, имеет важнейшее значение в теории ракет и, значит, в теории межпланетного полета. Во всем мире эту формулу, так называемую формулу ракеты, знают как закон Циолковского, как формулу Циолковского1.
1 См. Приложение, стр. 298.
Формула Циолковского позволяет ответить на очень важный вопрос — от чего, в конце концов, зависит конечная скорость ракеты. Оказывается, эта скорость не зависит ни от того, мала ракета или велика, ни от того, сколько килограммов или тонн топлива запасено на ракете, ни от того, наконец, сколько времени работает двигатель ракеты. Она зависит только от двух условий: с какой скоростью газы вытекают из сопла ракеты и каков относительный запас топлива на ракете, то есть какая часть общего веса ракеты при взлете приходится на долю топлива.
Конечная скорость ракеты будет тем больше, чем больше скорость истечения газов и чем больше относительный запас топлива.
Для современных жидкостных ракетных двигателей скорость истечения равна примерно 2500 метрам в секунду, редко превышая эту величину.
Чему же равняется величина относительного запаса топлива для современных ракет?
Для тяжелой ракеты, описанной в предыдущей главе, вес топлива при взлете составляет 9 тонн при общем весе 13 тонн. Следовательно, в этом случае относительный запас топлива равен 9:13, или примерно 0,7. Формула Циолковского показывает, что увеличение относительного запаса топлива на этой ракете с 0,7 до 0,8 увеличило бы скорость ее полета в свободном пространстве на 34 процента, а дальнейшее увеличение с 0,8 до 0,9 — на 43 процента. Если бы можно было построить ракету с относительным запасом топлива 0,9, то скорость полета ракеты, по формуле Циолковского, равнялась бы 5750 метров в секунду. Для того чтобы достичь скорости отрыва, то есть примерно 11 километров в секунду, вес запаса топлива на ракете должен составлять 99 процентов от взлетного веса ракеты. Вес самой ракеты двигателя, полезной нагрузки должен в этом случае составлять только 1 процент от взлетного веса ракеты.
Однако создать такую ракету практически невозможно. Да и вообще увеличение относительного запаса топлива на ракете наталкивается в настоящее время на все большие конструктивные трудности. Вероятно, величина относительного запаса топлива около 90 процентов является практически достижимым пределом. Очевидно, решить задачу межпланетного полета путем увеличения относительного запаса топлива вряд ли удастся. Наилучшие сорта топлива, которые могут быть созданы в будущем, даже при наибольших возможных значениях относительного запаса топлива на ракете, могут обеспечить скорость полета, не превышающую примерно 9 километров в секунду. И это даже без учета различных потерь.
И все же изобретательский гений Циолковского подсказал ему замечательное решение этой задачи. Высказанная им идея coставных ракет, или, как говорил Циолковский, «ракетных поездов», заключается в том, чтобы уже в полете освобождаться от тех частей ракеты, которые стали ненужными. Как всякая выдающаяся идея, это предложение Циолковского сочетает в себе исключительную простоту с необычайной плодотворностью результата.
По идее Циолковского1, ракета в этом случае должна состоять из ряда самостоятельных, автономных отсеков, то есть, по существу, из ряда связанных друг с другом отдельных ракет. Представьте себе такую цепочку ракет, напоминающую обычный поезд, состоящий из железнодорожных вагонов, только установленный вертикально.
1 Независимо от Циолковского эта идея была выдвинута также американцем Годдардом. По недавнему сообщению, идея составной ракеты была высказана впервые югославским ученым Казимиром Симиновичем, опубликовавшим ее в Голландии в 1650 году. Однако эта публикация оставалась до последнего времени неизвестной, и, кроме того, она не имела отношения к космическому полету. Циолковский предложил составную ракету для межпланетного полета впервые, это предложение было высказано в его работе «Вне Земли» (1895 г.).
Схема «ракетного поезда» Циолковского.
Этот ракетный поезд должен лететь следующим образом. При взлете работает двигатель самой задней ракеты1, который уносит весь поезд на большую высоту и сообщает ему значительную скорость. Когда все топливо на этой ракете будет израсходовано, она автоматически отделяется от поезда и падает на землю или опускается на парашюте. В то же мгновение включается двигатель следующей, второй ракеты, который продолжает увеличивать скорость всего поезда, пока и здесь не кончится топливо. После этого она также отделяется от поезда. Тогда запускается двигатель следующей ракеты и т. д.
1 Циолковский предлагал начинать работу с двигателя передней ракеты, чтобы поезд в полете растягивался силой тяги, а не сжимался.
Таким образом, этот поезд является очень своеобразным и сильно отличается от обычных поездов: он постепенно «тает» в полете. В подобном поезде все пассажиры должны находиться в самом переднем «вагоне», иначе они рискуют не добраться до цели...
Легко видеть, что скорость самой последней, передней ракеты получается значительно большей, чем была бы скорость всего поезда при выработке такого же количества топлива. Ведь в этом случае не приходится тащить с собой мертвый груз в виде отработавших и ставших бесполезными ракет.
Выгода получается тем большей, чем больше число ступеней ракеты (расчет может определить наивыгоднейшее число ступеней1). Так, например, чтобы ракета с полезной нагрузкой 5 килограммов приобрела скорость отрыва, она может быть пятиступенчатой и ее взлетный вес должен равняться тогда 375 тоннам. Если же увеличить число ступеней ракеты до 10, то общий вес поезда при взлете уменьшится в 6 с лишним раз и составит только 60 тонн.
1 Оптимальное число ступеней ракеты зависит от степени совершенства конструкции ракеты, характеристик двигателей и др. В частности, иногда взлетный вес трехступенчатой ракеты может оказаться даже меньшим, чем четырехступенчатой, не говоря уже о большем числе ступеней.
Однако создание ракетных поездов с очень большим числом ступеней дает, как это установил еще Циолковский, малый выигрыш и вместе с тем наталкивается на серьезные конструктивные трудности. Достаточно указать, например, что поезд, составленный из 5 ракет, обеспечил бы в 5 раз большую скорость, чем одна ракета, но зато полезный груз при этом уменьшился бы в 10 тысяч раз и на каждую тонну веса исходной ступени пришлось бы всего... 10 граммов полезного веса.
Можно считать, что практически будет вряд ли целесообразно строить ракетные поезда с числом ступеней больше 5-6. В своей работе «Космические ракетные поезда», выпущенной в 1929 году, Циолковский подробно рассмотрел различные возможные типы поездов.
Идея создания составных ракет, предложенная Циолковским, нашла уже широкое применение в боевых ракетах. В частности, в минувшую войну немецко-фашистскими захватчиками широко применялись двухступенчатые ракеты. Применялись и более сложные составные ракеты, например боевая пороховая ракета, имевшая четыре ступени.
«Тающий» поезд: вверху — железнодорожный, внизу — ракетный.
Ракетный поезд был не единственным типом составной ракеты, предложенным Циолковским. Он предложил и другой тип такой ракеты, названный им «ракетой с переливкой топлива». В этом случае ракета тоже состоит из нескольких ступеней, но ступени эти делаются совершенно одинаковыми и, кроме того, выстраиваются не в затылок друг другу, как в обычном ракетном поезде, а рядом. Вся эта связка ракет взлетает одновременно, причем работают двигатели всех ракет. Но когда половина топлива, запасенного на каждой ракете, вырабатывается, то связка уменьшается ровно вдвое — топливо из одной половины ракет переливается в баки другой половины и опустошившиеся ракеты отделяются от связки. Затем все повторяется сначала до тех пор, пока изо всей связки не останется одна-единственная ракета, отправляющаяся в свой далекий полет с необходимой космической скоростью.
Идея такой составной ракеты, как видно, остается той же — опустошившиеся ракеты отделяются и тем самым уменьшается масса ракеты, получающая ускорение. Но если в случае обычного ракетного поезда последняя ракета получает как бы по эстафете скорость, накопленную всеми предшествующими ракетами, то в связке ракет последняя ракета точно так же по эстафете получает топливо из этих ракет, что позволяет ее двигателю развить необходимую большую скорость.
До настоящего времени идея переливки топлива не получила широкого применения из-за ряда трудностей. Однако это вовсе ие означает, что она не будет использована и в дальнейшем. Наоборот, она обладает кое-какими преимуществами перед «поездом» и не удивительно, что некоторыми учеными серьезно рассматривается как возможная будущая конструктивная схема межпланетного корабля.
Дальнейшее развитие идеи Циолковского о составных ракетах осуществлено советским инженером Ф. А. Цандером. Очевидно, если бы можно было использовать ненужные, отбрасываемые части конструкции ракеты в качестве топлива для жидкостного ракетного двигателя, то конечная скорость ракеты при этом увеличилась бы. Именно это и является содержанием предложения Цандера. Он разработал ряд проектов межпланетных многоступенчатых ракет, в которых металлические части конструкции, становящиеся ненужными в полете — опустошившиеся баки, крылья и проч., расплавляются и подаются в камеру сгорания жидкостного ракетного двигателя. Цандеру принадлежит, как указывалось в предыдущей главе, и сама идея использования ряда металлов — алюминия и других — в качестве топлива для жидкостных ракетных двигателей. Он же провел и опыты по сжиганию такого металлического горючего.
Разрабатывая ракетодинамику, Циолковский не ограничился простейшим случаем полета в свободном пространстве. Им были рассмотрены многие другие важнейшие задачи теории межпланетного полета и получены формулы, лежащие в основе астронавтики. Постепенно усложняя задачу, Циолковский рассмотрел полет ракеты в поле тяжести, то есть в таком пространстве, где действует сила тяготения. Им было исследовано влияние сопротивления воздуха, то есть рассмотрен полет ракеты в земной атмосфере, как это бывает при взлете и посадке межпланетного корабля. Циолковский установил наивыгоднейшие методы взлета межпланетного корабля, рассчитал запас топлива, необходимый для совершения различных межпланетных полетов. Эти и другие ценные результаты исследований теории межпланетного полета, полученные Циолковским, заложили прочную теоретическую основу астронавтики.
На какие же перспективы развития реактивной техники может рассчитывать астронавтика, строя свои планы постепенного завоевания безграничных далей мирового пространства?
«Ракетная связка» по Циолковскому (переливка топлива].
далее