Этот совершенно новый путь, ведущий к разрешению величайшей проблемы, проблемы космического полета, был указан человечеству К. Э. Циолковским.
РАКЕТА ЦИОЛКОВСКОГО
В 1903 году в журнале «Научное обозрение» К. Э. Циолковский опубликовал свой самый выдающийся труд под названием: «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Этот труд положил начало новой эпохе в истории развития техники летательных аппаратов, перемещающихся по принципу прибора тяжелее воздуха.
Идея о передвижении в воздухе с помощью особого ракетного летательного аппарата впервые была высказана в 1881 году известным народовольцем-изобретателем Н. И. Кибальчичем, вскоре казненным за участие в убийстве Александра II.
Циолковский, ничего не подозревая об идее своего трагически погибшего предшественника, не только блестяще доказал его абсолютную правоту. Он развил его замечательнейшую идею, облек ее в новую техническую форму, продвинул далеко вперед результат творческих усилий Н. И. Кибальчича.
И если Н. И. Кибальчич по праву считается родоначальником реактивных летательных аппаратов, то великая честь быть их научным основоположником, бесспорно, принадлежит К. Э. Циолковскому, разработавшему теорию полета ракеты.
Слово «ракета» — иностранное и в переводе на русский язык означает «трубка». В чем же, собственно, заключается сущность полета ракеты? Какие силы вызывают ее перемещение в пространстве?
Всем нам хорошо известно, что в момент производства выстрела орудие всегда откатывается назад, а приклад винтовки ударяет в плечо стреляющего.
Пороховые газы в канале орудия или в стволе винтовки, оказывая равномерное давление на все окружающие их стенки, действуют только в двух взаимно противоположных направлениях, одно из которых есть направление полета снаряда или пули, а другое — обратное направление, идущее к основанию канала орудия или ствола винтовки, то-есть к закрытым их концам.
В момент выстрела происходит обратное (реактивное) действие пороховых газов, называемое отдачей.
Во всех остальных направлениях (например, боковое давление) пороховые газы действия не проявляют, потому что стенки канала пушки, точно так же как и ствола винтовки, оказывают газам сопротивление и тем самым заставляют их действовать в обратном направлении, что в конечном итоге приводит к потере ими механической энергии.
Ракета будет перемещаться по принципу отдачи, но этот принцип сам по себе есть не что иное, как следствие закона «действие равно противодействию».
Чрезвычайно интересно отметить следующий факт. В природе существуют такие живые существа, как, например, каракатица, медуза, которые передвигаются по принципу отдачи. Каракатица набирает в себя воду и стремительно выбрасывая ее вперед через хоботообразную воронку, перемещается в обратном направлении.
Сила отдачи ракеты велика вследствие того, что газы, вылетающие из ее канала в результате взрыва, имеют колоссальную скорость.
Обыкновенная сигнальная ракета (эффектно взлетающая вверх) является прообразом будущего межпланетного корабля.
Принцип действия реактивного прибора с предельной ясностью и четкостью был изложен еще Н. И. Кибальчичем. В его проекте, ставшем известным лишь в 1918 году, можно прочитать следующее:
«…при горении взрывчатых веществ образуется более или менее быстро большое количество газов, обладающих в момент образования громадной энергией. Никакие другие вещества в природе не обладают способностью развивать в короткий промежуток времени столько энергии, как взрывчатые.
Но каким образом можно применить энергию газов, образующихся при воспламенении взрывчатых веществ, в какой-либо продолжительной работе? Это возможно только при том условии, если та громадная энергия, которая образуется при горении взрывчатых веществ, будет образовываться не сразу, а в течение более или менее продолжительного промежутка времени.
Если мы возьмем фунт зернистого пороху, вспыхивающего при зажигании мгновенно, спрессуем его под большим давлением в форму цилиндра, то увидим, что горение не сразу охватит цилиндр, а будет распространяться довольно медленно от одного конца к другому и с определенной скоростью. Скорость распространения горения в прессованном порохе определена из многочисленных опытов…
На этом свойстве прессованного пороха основано устройство боевых ракет. Сущность этого устройства состоит в следующем. В жестяной цилиндр, закрытый с одного основания и открытый с другого, вставляется плотно цилиндр из прессованного пороха. Горение начинается с поверхности этого канала и распространяется в течение определенного промежутка времени к наружной поверхности прессованного пороха; образующиеся при горении пороха газы производят давление во все стороны, но боковые давления газов взаимно уравновешиваются, давление же на дно жестяной оболочки пороха, не уравновешенное противоположным давлением (так как в эту сторону газы имеют свободный выход), толкает ракету вперед по тому направлению, на котором она была установлена в станке до зажигания…
Представим себе теперь, что мы имеем из листового железа цилиндр, закрытый герметически со всех сторон и только в нижнем дне своем заключающий отверстие. Расположим по оси этого цилиндра кусок прессованного пороха цилиндрической же формы и зажжем его с одного из оснований; при горении образуются газы, которые будут давить на всю внутреннюю поверхность металлического цилиндра, но давление газов на закрытое дно цилиндра не будет уравновешено противоположным давлением, так как с противоположной стороны газы имеют свободный выход через отверстие. Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов (величина которого зависит от емкости цилиндра и от толщины куска пороха) цилиндр должен подняться вверх…»
Но эти высказывания Кибальчича не могли быть известны Циолковскому, когда он разрабатывал идею устройства межпланетной ракеты. По мысли Константина Эдуардовича эта ракета должна представлять собой снаряд хорошо обтекаемой формы, что необходимо для максимального уменьшена сопротивления воздуха во время ее полета в атмосфере.
Константин Эдуардович так описывает устройство своего межпланетного корабля: «…металлическая продолговатая камера, снабженная светом, кислородом, поглотителями углекислоты и других животных выделений, предназначена не только для хранения разных приборов, но и для управляющего камерой разумного существа. Камера имеет большой запас веществ, которые при своем смешении тотчас же образуют взрывчатую массу. Вещества эти, правильно и равномерно взрываясь в определенном для того месте, текут в виде горячих газов цо расширяющимся трубам. В расширенном конце, сильно разредившись и охладившись от этого, они вырываются наружу через раструбы с громадной скоростью. Понятно, что такой снаряд при известных условиях должен подниматься в высоту».
Внутри этого снаряда заключены в больших количествах разделенные перегородкой водород и кислород, которые находятся в жидком состоянии.
Передняя часть ракеты служит помещением для людей. Здесь же расположены различные аппараты и приборы, предназначенные для научных наблюдений, а также для управления ракетой.
Водород и кислород, нагнетаемые особыми приборами в камеру взрывания, а затем в трубу, сделанную, как и камера взрывания, из тугоплавкого металла, смешиваются и, химически соединяясь, образуют водяной пар[10]. Этот процесс совершается при очень высокой температуре.
Водяной пар, имея весьма высокое давление, с огромной скоростью устремляется в широкий конец трубы и дальше за ее пределы. Сила отдачи сообщает ракете поступательное движение вперед, ракета начинает перемещаться со все возрастающей скоростью. Для этого требуется, конечно, чтобы смешение водорода и кислорода, а следовательно, и образование водяного пара, происходили непрерывно.
Наружная оболочка ракеты Циолковского имеет три слоя металла. Первый, внешний слой представляет собой тонкую оболочку из очень тугоплавкого металла. Второй слой — менее тугоплавкий, но зато обладает незначительной теплопроводностью и малой плотностью. Третий, внутренний слой оболочки также металлический. В этом слое сделаны герметически закрывающиеся двери и окна из кварца и стекла.
Тугоплавкий металл для оболочки ракеты необходим потому, что при полете с большой скоростью в атмосфере, вследствие сильного трения встречной массы воздуха о поверхность ракеты, оболочка, если она будет изготовлена из обыкновенного металла, быстро нагреваясь, расплавится.
Через средний слой постоянно пропускается имеющий низкую температуру газ, который охлаждает, главным образом, накаливающийся добела внешний слой оболочки.
Для управления ракетой устроены два взаимно-перпендикулярных руля, расположенные у выходного отверстия трубы, то-есгь на пути вырывающихся из нее разреженных и охлажденных газов, которые, встречая препятствие, меняют свое направление, благодаря чему осуществляется поворот ракеты в ту или другую сторону. Ракета может двигаться с любой скоростью, в зависимости от отношения массы смешиваемых водорода и кислорода к массе самой ракеты.
Циолковским составлено так называемое «уравнение ракеты», в котором выражается математическая зависимость между количеством потребленного горючего, скоростью выбрасываемых газов и скоростью полета ракеты.
Согласно вычислениям Циолковского, эта зависимость при переходе на язык цифр будет следующая: «Когда запас взрывчатых веществ равен массе снаряда, то скорость его (3920 метров в секунду) вдвое более той, которая нужна, чтобы камню, пущенному с поверхности луны, удалиться от нее навсегда. При отношении массы взрывчатого вещества к массе снаряда, равном 3, скорость снаряда (7880 метров в секунду) будет почти достаточна, чтобы он мог обращаться за пределами атмосферы вокруг земли, подобно ее спутнику. При отношении 7 снаряд (скорость 11800 метров в секунду) удаляется от земли навеки и делается спутником солнца (самостоятельной планетой), братом земли. При большем количестве взрывчатых веществ возможно достижение астероидов