V/V1 = ln (1 + M2/M1),
где V – конечная скорость ракеты;
V1– скорость вырывающихся элементов относительно ракеты;
M2 – масса ракеты без взрывчатых веществ (т. е. без топлива);
M1 – масса взрывчатых веществ.
Выведенная более 100 лет назад формула Циолковского и сегодня составляет важную часть математического аппарата, используемого при проектировании ракет и в поверочных расчетах, при определении массы топлива и массы ракеты (в том числе многоступенчатой) и т. д. Формула определяет т. н. характеристическую скорость, которую развивает летательный аппарат под воздействием тяги ракетного двигателя, неизменной по направлению, при отсутствии всех других сил.
Ученый математически обосновал возможность достижения космических скоростей, причем не на «допотопной» пороховой ракете, а на жидкостном реактивном двигателе (ЖРД) на водороде и кислороде, опередив французских и немецких исследователей на 10 и 20 лет соответственно. Он первый предсказал явление космической турбулентности; запуск искусственных спутников Земли, создание «космического лифта»[8]; описал условия жизнедеятельности экипажа звёздолета; предложил внеземные космические станции в качестве промежуточных баз для космического корабля; рассчитал оптимальную высоту для полета вокруг Земли (300–700 км) и др. Фактически Константин Эдуардович дал старт самой космонавтике.
Если западных исследователей ракеты интересовали как оружие большой разрушительной силы, русский ученый впервые стал рассматривать ракету как космический транспорт. Циолковский подробно разработал теорию полета жидкотопливной ракеты переменной массы в атмосфере и в космическом пространстве, определил КПД ракеты, исследовал влияние силы сопротивления воздуха на движение ракеты, решил задачу посадки звёздолета на поверхность планет, лишенных атмосферы. Теория движения составных многоступенчатых ракет, созданная ученым незадолго до своей кончины, стала базовой основой космонавтики.
К. Э. Циолковский с моделями летательных аппаратов
Один из пионеров ракетно-технической техники, В. П. Глушко (см. очерк в этой книге), в 1970 г. говорил о том, что значение этой работы трудно переоценить. «Работа Циолковского указала рациональные пути развития космонавтики и ракетостроения. Этим же проблемам были посвящены исследования Циолковского, изданные в 1911–1912, 1914, 1926 гг. В 1929 г. он опубликовал работу «Космические ракетные поезда», в которой рассмотрел теорию особого вида составных ракет».
Практически все идеи исследователя подтвердились практикой современной космонавтики и нашли воплощение во многих космических проектах.
P.S. «Многие думают, что я хлопочу о ракете и беспокоюсь о ее судьбе из-за самой ракеты. Это было бы грубейшей ошибкой. Ракеты для меня – только способ, только метод проникновения в глубину космоса, но отнюдь не самоцель. Я прежде всего мыслитель!» (К. Э. Циолковский).
Пионер ракетостроения Роберт Хьюз Годдард (1882–1945)
Не часто популярная ежедневная газета, имеющая мировую аудиторию, опровергает собственную информацию, тем более полувековой давности. Во всяком случае, газета New York Times, следуя своему слогану «Все новости, достойные печати», сделала это.
17 июля 1969 г., на следующий день после старта «Аполлона-11» (напомним: запущенного к Луне), в газете появилось «Исправление», в котором сообщалось о передовице, напечатанной 13 января 1920 г., где высмеивался «недоучка» профессор Роберт Годдард, утверждавший в своей монографии «Способ достижения экстремальных высот» (1919), что ракета может «преодолеть космический вакуум» и долететь до Луны. «Как такое возможно, – вопрошал безымянный автор, – если это противоречит всем законам физики?.. Утверждать, что это возможно – значит отрицать фундаментальный закон динамики. Только доктор Эйнштейн с дюжиной «избранных» имеют право заявлять это… Похоже, профессору Годдарду… не хватает знаний, ежедневно получаемых в старших классах».
Роберт Годдард
Просвещенная публика проглотила пасквиль с аппетитом. В прессе и научном сообществе поднялась волна насмешек и издевательств над Годдардом. Прагматики полагали, что исследование ракет и тому подобных оторванных от жизни вещей – неподходящее занятие для профессора физики. Надо отдать должное ученому: он лишь более сосредоточенно продолжил делать свое дело – проектировать, строить и испытывать ракеты, ставшие прототипом той («Сатурн-5»), на которой и полетели астронавты на Луну. Необходимо отметить, что Годдард, болезненный и хрупкий, с юности болел туберкулезом и ему было весьма непросто заниматься напряженными исследованиями. По этой причине Роберт не тратил силы на споры и доказательства, а предпочитал решать технические задачи, которые он сам себе ставил, в узком кругу лаборантов и с помощью жены, где-нибудь в уединенном от людских взоров месте. Зарабатывал на жизнь профессор физики преподаванием своего предмета.
Заметку «Исправление» New York Times заключила словами: «Дальнейшие исследования и эксперименты подтвердили выводы Исаака Ньютона в XVII в., и теперь определенно установлено, что ракета может функционировать как в вакууме, так и в атмосфере. Times сожалеет об ошибке». Статус-кво был восстановлен.
Но почему же публика не приняла публикацию Годдарда 100 лет назад? Скорее всего, потому, что профессор чересчур доказательно потревожил ее наивное восприятие космоса. О ракетах 100 лет назад было известно в основном то, что их запускают в военных сражениях и на праздничных шоу. О космических полетах писали лишь в романах писатели-фантасты да в брошюрах немногие технари-«чудаки», как, например, К. Э. Циолковский в России. Сказками забавляются, а не размышляют над ними…
Один из таких романов – «Война миров» (1897) Герберта Уэллса – попал в руки 16-летнего Роберта и решил его судьбу. По собственному признанию Годдарда, даже спустя год после прочтения этой вещи он все еще был целиком зачарован ею и решил, что пленительнее проблемы, скучно именуемой «исследованием больших высот», просто не существует. «Не знаю, сколько еще лет я буду работать над ней, – написал ученый в 1932 г. Уэллсу, – но надеюсь, что не оставлю ее, пока буду жив».
Он вообще был странным человеком, доктор Годдард. Хотя бы тем, что до своей кончины ежегодно отмечал 19 октября – «День сна о вишневом дереве». Роберт объяснял это тем, что в этот день в 1899 г. «залез на высокое вишневое дерево за сараем… и когда посмотрел на поля на востоке, представил, как замечательно было бы создать какое-нибудь устройство, которое могло бы подняться на Марс, как это выглядело бы, если бы его запустили с луга у моих ног… Я стал другим мальчиком, когда спускался с дерева, чем когда я поднимался. У меня появилась в жизни цель».
Первая статья Годдарда о возможности создания ракеты на жидком топливе появилась в 1909 г. К 1912 г. выпускник Вустерского политехнического института и университета Кларка, сотрудник физической лаборатории Палмера в Принстонском университете, доктор философии по физике рассчитал положение ракеты, ее скорость в вертикальном полете с учетом веса ракеты и веса топлива, скорости выхлопных газов, аэродинамического сопротивления и эффектов гравитации, получил формулу Циолковского (о котором ничего не знал). Необходимым условием достижения высоких скоростей полета конструктор назвал использование материала ракеты в качестве топлива.
Формально приоритет Годдарда в создании баллистических ракет застолблен в его патентах. Из 214 патентов самыми важными для ракетостроения являются два патента США (оба 1914 г.): 1.102.653, описывающий многоступенчатую ракету, заправленную твердым «взрывчатым материалом», и 1.103.503, посвященный ракете, работающей на твердом топливе (взрывчатом веществе) или на жидком топливе (бензин и жидкая закись азота). Позднее ученый показал, что эффективность ракеты на жидком топливе, т. е. КПД (количество тепловой энергии сгорания, преобразованной в кинетическую энергию выхлопных газов), в 25 раз превышает эффективность твердотопливной (50 % против 2 %). Фактически эффективность ракет Годдарда достигала 64 % при скорости истечения газов из сопла 2,13 км/с.
Очень важным достижением разработчика стал сложный эксперимент, доказавший возможность полета ракеты в вакууме. Это-то и было камнем преткновения для читателей New York Times.
Начало эпохи космических полетов и инноваций положил запуск Годдардом жидкостной ракеты 16 марта 1926 г. За 15 лет профессор со своей командой осуществил 34 запуска. Спонсировал (хотя и очень скромно) его работы Смитсоновский институт. Помогал в поиске спонсоров и знаменитый летчик Чарльз Линдберг. Любой, даже закончившийся аварией, полет конструктор считал удачным, поскольку он вскрывал очередную проблему, которая благополучно разрешалась в последующих пусках. Максимально высота полета составила 2,6 км, скорость – 885 км/ч. О главных достижениях Годдарда как теоретика и инженера, предвосхитившего разработки немецких, советских и американских конструкторов, можно прочесть в энциклопедиях. «Годдард успешно внедрил современные методы, такие как двухосевое управление (гироскопы и управляемая тяга), позволяющие ракетам эффективно контролировать свой полет… Решающим прорывом стало использование сопла паровой турбины шведского изобретателя Г. де Лаваля, которое обеспечивает наиболее эффективное (изоэнтропийное) преобразование энергии горячих газов в поступательное движение… Его называют человеком, который открыл космическую эру».
P.S. Когда пионер немецкого ракетостроения Вернер фон Браун после Второй мировой войны оказался в США, он был одним из немногих, кто знал истинную цену Роберту Годдарду, особенно после того, как изучил патенты американского профессора и пришел к выводу, что они могут стать основой создания сверхдальней баллистической ракеты. «Его ракеты, – утверждал барон, – возможно, были довольно грубыми по современным стандартам, но они проложили путь и включили многие функции, используемые в наших самых современных ракетах и космических аппаратах… Эксперименты Годдарда на жидком топливе сэкономили нам годы работы и позволили усовершенствовать V-2 за много лет до того, как это стало бы возможным». А еще Браун искренне недоумевал, вопрошая американцев: «Разве вы не знаете о своем собственном пионере ракетостроения? Доктор Годдард был впереди всех нас».