К.Э. Циолковский, его вклад в развитие ракетостроения

29

Введение

Вторая половина XX века является эпохой бурного развития ракетной техники. Наша страна имеет ракеты всех классов и назначений. Мы первыми создали, успешно испытали и наладили серийное производство межконтинентальных ракет. В нашей стране, начиная с 1949 года, ракеты используются для исследований верхних слоев атмосферы. Метеорологические ракеты, созданные в СССР, запускались в течение Международного геофизического года в различных районах страны, а также в Арктике и Антарктике.

В наши дни при оценке путей дальнейшего развития ракетостроения полезно рассмотреть научно-технические изыскания пионеров ракетной техники. Они заложили своими трудами надежные основы прогресса этого направления технического развития для науки и промышленности всех стран.

Работы К.Э. Циолковского по ракетодинамике и теории межпланетных сообщений были первыми серьезными изысканиями в мировой научно-технической литературе. В этих исследованиях математические формулы и расчеты не затеняют глубоких и ясных идей, сформулированных оригинально и четко. Более полувека прошло со дня опубликования первых статей Циолковского по теории реактивного движения. Строгий и беспощадный судья -- время лишь выявляет и подчеркивает грандиозность замыслов, своеобразие творчества и высокую мудрость проникновения в сущность новых закономерностей явлений природы, которые свойственны этим произведениям Константина Эдуардовича Циолковского. Его труды помогают осуществлять новые дерзания советской науки и техники. Наша Родина может гордиться своим знаменитым ученым, зачинателем новых направлений в науке и промышленности.

1. ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКЕ

«Я учился, творя...»

(К.Э. Циолковский)

Константин Эдуардович Циолковский - выдающийся русский ученый, исследователь огромной трудоспособности и настойчивости, человек большого таланта. Широта и богатство творческой фантазии сочетались у него с логической последовательностью и математической точностью суждений. Это был подлинный новатор в науке. Наиболее важные и жизнеспособные исследования Циолковского относятся к обоснованию теории реактивного движения. В последней четверти XIX и начале XX столетия Константин Эдуардович создавал новую науку, определяющую законы движения ракет, и разрабатывал первые конструкции для исследования безграничных мировых пространств реактивными приборами. Многие ученые считали в то время реактивные двигатели и ракетную технику делом бесперспективным и ничтожным по своему практическому значению, а ракеты -- пригодными лишь для увеселительных фейерверков и иллюминаций.

Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857 года в старинном русском селе Ижевском, расположенном в пойме ОКИ, Спасского уезда, Рязанской губернии, в семье лесничего Эдуарда Игнатьевича Циолковского. О своих родителях Циолковский писал:

«Отец всегда был холоден, сдержан. Среди знакомых он слыл умным человеком и оратором. Среди чиновников-- красным и нетерпимым по своей идеальной честности... У него была страсть к изобретательству и строительству. Меня еще не было на свете, когда он придумал и устроил молотилку. Увы, неудачно! Старшие братья рассказывали, что он строил с ними модели домов и дворцов. Всякий физический труд отец в нас поощрял, как и вообще самодеятельность. Мы почти всегда все делали сами... Мать была совершенно другого характера -- натура сангвиническая, горячка, хохотунья, насмешница и даровитая. В отце преобладал характер, сила воли, в матери -- талантливость»¹¹ К. Э. Циолковский. Моя жизнь и работа. Сборник Аэрофлота, посвященный Циолковскому. М., 1939, стр. 16..

Первые годы детства Константина Эдуардовича были счастливыми. Он был живым, смышленым ребенком, предприимчивым и впечатлительным. Летом мальчик строил с товарищами в лесу шалаши, любил лазить на заборы, крыши и деревья. Много бегал, играл в мяч, лапту, городки. Часто запускал змея и отправлял ввысь по нитке «почту» -- коробочку с тараканом. Зимой с увлечением катался на коньках. Циолковскому было лет восемь, когда мать подарила ему крошечный воздушный" шар "(аэростат), выдутый из коллодиума и наполненный водородом. Будущий создатель теории цельнометаллического дирижабля с удовольствием занимался этой игрушкой. Вспоминая о годах детства, Циолковский писал: «Я страстно любил читать и читал все, что можно было достать... Любил мечтать и даже платил младшему брату за то, чтобы он слушал мои бредни. Мы были маленькие, и мне хотелось, чтобы и дома, и люди, и животные -- все тоже было маленькое. Потом я мечтал о физической силе. Я мысленно высоко прыгал, взбирался, как кошка, на шесты, по веревкам.

На десятом году жизни -- в начале зимы -- Циолковский, катаясь на санках, простудился и заболел скарлатиной. Болезнь была тяжелой, и вследствие ее осложнения мальчик почти совершенно потерял слух. Глухота не позволила продолжать учебу в школе. «Глухота делает мою биографию малоинтересной, -- пишет позднее Циолковский, -- ибо лишает меня общения с людьми, наблюдения и заимствования. Моя биография бедна лицами и столкновениями» С 11 до 14 лет жизнь Циолковского была «самым грустным, самым темным временем. «Я стараюсь, -- пишет К.Э. Циолковский, -- восстановить его в памяти, но ничего сейчас не могу больше вспомнить. Нечем помянуть это время»²² К. Э. Циолковский. Моя жизнь и работа. Сборник Аэрофлота, посвященный Циолковскому. М., 1939, стр. 24..

С 14 лет Константин Эдуардович начал заниматься самостоятельно, пользуясь небольшой библиотекой своего отца, в которой были книги по естественным наукам и по математике. Тогда же в нем пробуждается страсть к изобретательству. Он строит воздушные шары из тонкой, папиросной бумаги, делает маленький токарный станок и конструирует коляску, которая должна была двигаться при помощи ветра. Модель коляски прекрасно удалась и двигалась на крыше по доске даже против ветра! «Проблески серьезного умственного сознания, -- пишет Циолковский об этом периоде своей жизни, -- проявились при чтении. Так, лет четырнадцати я вздумал почитать арифметику, и мне показалось там все совершенно ясным и понятным. С этого времени я понял, что книги вещь немудреная и вполне мне доступная. Я стал разбирать с любопытством и пониманием некоторые отцовские книги по естественным и математическим наукам... Меня увлекает астролябия, измерение расстояния до недоступных предметов, снятие планов, определение высот. И я устраиваю астролябию -- угломер. С помощью ее, не выходя из дома, определяю расстояние до пожарной каланчи. Нахожу 400 аршин. Иду и проверяю. Оказывается, верно. С этого момента я поверил теоретическому знанию!»³³ К. Э. Циолковский. Моя жизнь и работа. Сборник Аэрофлота, посвященный Циолковскому. М., 1939, стр. 24.. Выдающиеся способности, склонность к самостоятельной работе и несомненный талант изобретателя заставили родителей К.Э. Циолковского задуматься над его будущей профессией и дальнейшим образованием.

Константину Эдуардовичу было 16 лет, когда отец решил отправить его в Москву для знакомства с промышленностью и продолжения самообразования. Один из лучших знатоков биографии Циолковского инженер Б.Н. Воробьев пишет о будущем ученом: «Как и многие юноши и девушки, стекавшиеся в столицу для получения образования, он был полон самых радужных надежд. Но никто и не думал обращать внимание на молодого провинциала, всеми силами стремившегося к сокровищнице знаний. Тяжелое материальное положение, глухота и практическая неприспособленность к жизни меньше всего способствовали выявлению его талантов и способностей»⁴⁴ Б. Н. Воробьев. Циолковский, 1940, стр. 25..

Из дому Циолковский получал 10--15 рублей в месяц. Питался одним черным хлебом, не имел даже картошки и чаю. Зато покупал книги, реторты, ртуть, серную кислоту и прочее для различнейших опытов и самодельных приборов. Я помню отлично, -- пишет Циолковский в своей автобиографии, -- что, кроме воды и черного хлеба, у меня тогда ничего не было. Каждые три дня я ходил в булочную и покупал там, на 9 копеек хлеба. Таким образом, я проживал 90 копеек в месяц... Все же я был счастлив своими идеями, и черный хлеб меня нисколько не огорчал»⁵⁵ Эта и ряд последующих цитат, относящихся к биографии К. Э. Циолковского, взяты из его статьи «Моя жизнь и работа», опубликованной в 1939 г. в сборнике Аэрофлота, посвященном К. Э. Циолковскому..

Кроме опытов по физике и химии, Циолковский много читал, он тщательно изучал курсы начальной и высшей математики, аналитической геометрии.

Три года жил Циолковский в Москве. Вернувшись домой к отцу, стал давать частные уроки по математике и физике плохо успевающим гимназистам. Несомненные педагогические способности и хорошие отзывы об этих частных уроках решили вопрос о выборе профессии. Осенью 1878 года Константин Эдуардович сдал экстерном экзамен на звание учителя народного училища, а месяца через четыре был назначен на должность учителя арифметики и геометрии в Боровское уездное училище Калужской губернии.

По рекомендации жителей Боровска Циолковский «попал на хлеба к одному вдовцу с дочерью, жившему на окраине города», Е.Н. Соколову. Циолковскому «сдали две комнаты и стол из супа и каши». Дочь Соколова Варя была ровесницей Циолковского -- моложе его на два месяца. Ее характер, трудолюбие пришлись по душе Константину Эдуардовичу, и он вскоре на ней женился. «Венчаться мы ходили за 4 версты пешком, не наряжались. В церковь никого не пускали. Вернулись -- и никто о нашем браке ничего не знал... Помню, в день венчания купил у соседа токарный станок и резал стекло для электрических машин. Все же про свадьбу как-то пронюхали музыканты. Насилу их выпроводили. Напился только венчавший поп. И то угощал его не я, а хозяин».

B своей квартире в Боровске Циолковский устроил маленькую лабораторию. У него в доме сверкали электрические молнии, гремели громы, звонили колокольчики, загорались огни, вертелись колеса и блистали иллюминации. «Я предлагал желающим попробовать ложкой невидимого варенья. Соблазнившиеся угощением получали электрический удар.

Посетители любовались и дивились на электрического осьминога, который хватал всякого своими лапами за нос или за пальцы, и тогда у попавшего к нему в «лапы» волосы становились дыбом и выскакивали из любой части тела».

1881 году 24-летний Циолковский самостоятельно разработал основы кинетической теории газов. Работу он послал в Петербургское физико-химическое общество, где она получила одобрение видных членов общества, в том числе и гениального русского химика Менделеева. Однако важные открытия, сделанные Циолковским в глухом провинциальном городке, не представляли новости для науки: аналогичные открытия были сделаны несколько раньше в Германии. За вторую научную работу, названную «Механика животного организма»⁶⁶ Работа получила благоприятный отзыв знаменитого физиолога И. М. Сеченова., Циолковского единогласно избирают членом физико-химического общества. Эту моральную поддержку своим первым научным исследованиям Циолковский вспоминал с благодарностью всю жизнь. В предисловии ко второму изданию своей работы «Простое учение о воздушном корабле и его построении» Константин Эдуардович писал: «Содержание этих работ несколько запоздало, т. е. я сделал самостоятельно открытия, уже сделанные ранее другими. Тем не менее, общество отнеслось ко мне с большим вниманием, чем поддержало мои силы. Может быть, оно и забыло меня, но я не забыл г.г. Боргмана, Менделеева, Фан-дер-Флита, Пелурушевского, Бобылева и в особенности Сеченова»⁷⁷ «Простое учение о воздушном корабле и его построении». К. Циолковского, 2-е издание, Калуга, 1904 г., стр. 5.. В 1883 году Константин Эдуардович написал в форме научного дневника работу «Свободное пространство», в которой он подверг систематическому изучению ряда задач классической механики в пространстве без действия силы тяжести и сил сопротивления. В этом случае основные характеристики движения тел определяются только силами взаимодействия между телами данной механической системы и особое значение для количественных выводов приобретают законы сохранения основных динамических величин: количества движения, момента количества движения и кинетической энергии. Циолковский был глубоко принципиален в своих творческих исканиях, а его умение самостоятельно работать над научными проблемами - великолепный пример для всех начинающих. Его первые шаги в науке, сделанные в труднейших условиях, - это шаги большого мастера, революционного новаторства, зачинателя новых направлений в науке и технике.

3. Работы по воздухоплаванию и экспериментальной аэродинамике.

Результатом исследовательской работы Циолковского было объемистое сочинение «Теория и опыт аэростата». В этом сочинении давалось научно-техническое обоснование создания конструкции дирижабля с металлической оболочкой. Циолковским были разработаны чертежи общих видов дирижабля и некоторых важных узлов конструкции.

Дирижабль Циолковского имел следующие характерные особенности. Во-первых, это был дирижабль переменного объема, что позволяло сохранять постоянную подъемную силу при различных температурах окружающего воздуха и различных высотах полета. Возможность изменения объема конструктивно достигалась при помощи особой стягивающей системы и гофрированных боковин (рис. 1)

Во - вторых, газ, наполняющий дирижабль, можно было подогревать путем пропускания по змеевикам отработанных газов моторов. Третья особенность конструкции состояла в том, что тонкая металлическая оболочка для увеличения прочности и устойчивости была гофрированной, причем волны гофра располагались перпендикулярно оси дирижабля. Выбор геометрической формы дирижабля и расчет прочности его тонкой оболочки были решены Циолковским впервые.

Этот проект Дирижабля Циолковского не получил признания. Официальная организация царской России по проблемам воздухоплавания -- VII воздухоплавательный отдел Русского технического общества -- нашла, что проект цельнометаллического дирижабля, способного изменять свой объем, не может иметь большого практического значения и дирижабли «вечно будут игрушкой ветров». Поэтому автору было отказано даже в субсидии на постройку модели. Обращения Циолковского в Генеральный штаб армии также не имели успеха. Печатный труд (1892 г.) Циолковского «Аэростат металлический управляемый» получил несколько сочувственных отзывов, и этим дело ограничилось.

Циолковскому принадлежит прогрессивная идея постройки цельнометаллического аэроплана.

В статье 1894 года «Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина», опубликованной в журнале «Наука и жизнь»⁸⁸ Статья вышла отдельной брошюрой в 1895 году., дано описание, расчеты и чертежи моноплана со свободнонесущим, безрасчалочным крылом. В противоположность зарубежным изобретателям и конструкторам, разрабатывавшим в те годы аппараты с машущими крыльями, Циолковский указывал, что «подражание птице в техническом отношении весьма затруднительно вследствие сложности движения крыльев и хвоста, а также вследствие сложности устройства этих органов».

Аэроплан Циолковского имеет форму «застывшей парящей птицы, но вместо головы ее вообразим два гребных винта, вращающихся в обратные стороны... Мускулы животного мы заменим взрывными нейтральными двигателями. Они не требуют большого запаса топлива (бензина) и не нуждаются в тяжелых паровиках и больших запасах воды. ...Вместо хвоста устроим двойной руль -- из вертикальной и горизонтальной плоскости. ...Двойной руль, двойной винт и неподвижность крыльев придуманы нами не ради выгоды и экономии работы, а единственно ради исполнимости конструкции».

В цельнометаллическом аэроплане Циолковского крылья уже имеют толстый профиль, а фюзеляж -- обтекаемую форму. Весьма интересно, что Циолковский впервые в истории развития самолетостроения особенно подчеркивает необходимость улучшения обтекаемости аэроплана для получения больших скоростей. Конструктивные очертания аэроплана Циолковского были несравненно более совершенными, нежели более поздние конструкции братьев Райт, Сантос-Дюмона, Вуазена и других изобретателей. Для оправдания своих расчетов Циолковский писал: «При получении этих чисел я принял самые благоприятные, идеальные условия сопротивления корпуса и крыльев; в моем аэроплане нет выдающихся частей, кроме крыльев; все закрыто общей плавной оболочкой, даже пассажиры».

Циолковский хорошо предвидит значение бензиновых (или нефтяных) двигателей внутреннего сгорания. Вот его слова, показывающие полное понимание устремлений технического прогресса: «Однако у меня есть теоретические основания верить в возможность построения чрезвычайно легких и в то же время сильных бензиновых или нефтяных двигателей, вполне удовлетворяющих задаче летания». Константин Эдуардович предсказывал, что со временем маленький аэроплан будет успешно конкурировать с автомобилем.

Разработка цельнометаллического свободнонесущего моноплана с толстым изогнутым крылом есть крупнейшая заслуга Циолковского перед авиацией. Он первый исследовал эту наиболее распространенную в наши дни схему аэроплана. Но идея Циолковского о постройке пассажирского аэроплана также не получила признания в царской России. На дальнейшие изыскания по аэроплану не было ни средств, ни даже моральной поддержки.

Об этом периоде своей жизни ученый писал с горечью: «При своих опытах я сделал много-много новых выводов, но новые выводы встречаются учеными недоверчиво. Эти выводы могут подтвердиться повторением моих трудов каким-нибудь экспериментом, но когда же это будет? Тяжело работать в одиночку многие годы при неблагоприятных условиях и не видеть ниоткуда ни просвета, ни поддержки».

Над разработкой своих идей о создании цельнометаллического дирижабля и хорошо обтекаемого моноплана ученый работал почти все время с 1885 по 1898 год. Эти научно-технические изобретения натолкнули Циолковского на ряд важнейших открытий. В области дирижаблестроения он выдвинул ряд совершенно новых положений. В сущности говоря, он был зачинателем теории металлических управляемых аэростатов. Его техническая интуиция значительно опередила уровень промышленного развития 90-х годов прошлого столетия.

Его техническая интуиция значительно опередила уровень промышленного развития 90-х годов прошлого столетия. Целесообразность своих предложений он обосновал подробными вычислениями и схемами. Осуществление цельнометаллического воздушного корабля, как всякая большая и новая техническая проблема, затрагивало широкий комплекс совершенно не разработанных в науке и технике задач. Решить их одному человеку было, конечно, невозможно. Ведь здесь были и вопросы аэродинамики, и вопросы устойчивости гофрированных оболочек, и задачи прочности, газонепроницаемости, и задачи герметической пайки металлических листов и т. д. Сейчас приходится изумляться, как далеко удалось продвинуть Циолковскому, кроме общей идеи, отдельные технические и научные вопросы.

Константин Эдуардович разработал метод так называемых гидростатических испытаний дирижаблей. Для определения прочности тонких оболочек, какими являются оболочки цельнометаллических дирижаблей, он рекомендовал наполнять их опытные модели водой. Этот метод применяется сейчас во всем мире для проверки прочности и устойчивости тонкостенных сосудов и оболочек. Циолковский также создал прибор, позволяющий точно, графически определить форму сечения оболочки дирижабля при заданном сверхдавлении. Однако невероятно тяжелые условия жизни и работы, отсутствие коллектива учеников и последователей заставили ученого во многих случаях ограничиться, в сущности, только формулировкой проблем.

Работы Константина Эдуардовича по теоретической и экспериментальной аэродинамике, несомненно, обусловлены необходимостью дать аэродинамический расчет летных характеристик дирижабля и аэроплана.

Циолковский был настоящим ученым-естествоиспытателем. Наблюдения, мечты, вычисления и размышления соединялись у него с постановкой опытов и моделированием.

В 1890--1891 годах он пишет работу «К вопросу о летании посредством крыльев. Выдержка из этой рукописи, опубликованная при содействии знаменитого физика профессора Московского университета А. Г. Столетова в трудах Общества любителей естествознания в 1891 году, явилась первой напечатанной работой Циолковского. Он был полон идей, весьма деятелен и энергичен, хотя внешне казался спокойным и уравновешенным. Выше среднего роста, с длинными черными волосами и черными немного печальными глазами, он был неловок и застенчив в обществе. У него было не много друзей. В Боровске Константин Эдуардович близко сошелся с коллегой по школе Е. С. Еремеевым, в Калуге ему много помогали В. И. Ассонов, П. П. Каннинг и С. В. Щербаков. Однако при защите своих идей он был решителен и настойчив, мало считаясь с пересудами коллег и обывателей.

Зима. Изумленные боровские жители видят, как на коньках по замерзшей реке мчится учитель уездного училища Циолковский. Он воспользовался сильным ветром и, распустив зонт, катится со скоростью курьерского поезда, влекомый силой ветра. «Всегда я что-нибудь затевал. Вздумал я сделать сани с колесом так, чтобы все сидели и качали рычаги. Сани должны были мчаться по льду... Потом я заменил это сооружение особым парусным креслом. По реке ездили крестьяне. Лошади пугались мчащегося паруса, проезжие ругались. Но, по глухоте, я долго об этом не догадывался. Потом уже, завидя лошадь, заранее поспешно снимал парус».

Почти все сослуживцы по школе и представители местной интеллигенции считали Циолковского неисправимым фантазером и утопистом. Более злые люди называли его дилетантом и кустарем. Идеи Циолковского казались обывателям невероятными. «Он думает, что железный шар поднимется в воздух и полетит. Вот чудак!» Ученый всегда был занят, всегда трудился. Если не читал и не писал, то работал на токарном станке, паял, строгал, мастерил для своих учеников много действующих моделей. «Сделал огромный воздушный шар... из бумаги. Спирта достать не смог. Поэтому внизу шара приспособил сетку из тонкой проволоки, на которую клал несколько горящих лучинок. Шар, имевший иногда причудливую форму, поднимался вверх, насколько позволяла привязанная к нему нитка. Однажды нитка перегорела, и шар мой умчался в город, роняя искры и горящую лучину! Попал на крышу сапожнику. Сапожник заарестовал шар».

Обыватели смотрели на все опыты Циолковского, как на курьезы и баловство, многие, не размышляя, считали его чудаком и «немножко тронутым». Нужны были изумительная энергия и настойчивость, величайшая вера в пути прогресса техники, чтобы в таком окружении и в тяжелых, почти нищенских условиях ежедневно работать, изобретать, вычислять, двигаясь все вперед и вперед.

4. РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ

«Практические дела делаются только исходя из общих начал, только при знакомстве с абстрактами, до них относящимися».

(Д. И. Менделеев)

Среди великих технических и научных достижений XX столетия одно из первых мест, несомненно, принадлежит ракетам и теории реактивного движения. Годы второй мировой войны (1941 --1945) привели к необычайно быстрому совершенствованию конструкций реактивных аппаратов. На полях сражений вновь появились пороховые ракеты, но уже на более калорийном бездымном тротил - пироксилиновом порохе («катюши»). Были созданы самолеты с воздушно-реактивными двигателями, беспилотные самолеты с пульсирующими воздушно-реактивными двигателями (Фау-1) и баллистические ракеты с дальностью полета до 300 км (Фау-2).

Ракетная техника становится сейчас очень важной и быстро растущей отраслью промышленности. Развитие теории полета реактивных аппаратов -- одна из насущных проблем современного научно-технического развития.

К. Э. Циолковский много сделал для познания основ теории движения ракет. Он был первым в истории науки, кто сформулировал и исследовал проблему изучения прямолинейных движений ракет, исходя из законов теоретической механики.

Простейший реактивный двигатель на жидком топливе представляет собой камеру, похожую по форме на горшок, в котором жители сельских местностей хранят молоко. Через форсунки, расположенные на днище этого горшка, происходит подача жидкого горючего и окислителя в камеру горения. Подача компонентов топлива рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить полное сгорание. В камере сгорания (рис. 3) происходит воспламенение топлива, и продукты горения -- горячие газы -- с большой скоростью выбрасываются через специально профилированное сопло. Окислитель и горючее помещаются в специальных баках, располагающихся на ракете или самолете. Для подачи окислителя и горючего в камеру сгорания применяют турбонасосы или выдавливают их сжатым нейтральным газом (например, азотом). На рис. 4 приведена фотография реактивного двигателя немецкой ракеты Фау-2.

Струя горячих газов, выбрасываемая из сопла реактивного двигателя, создает реактивную силу, действующую на ракету в сторону, противоположную скорости частиц струи. Величина реактивной силы равняется произведению массы отбрасываемых в одну секунду газов на относительную скорость. Если скорость измерять в метрах в секунду, а массу секундного расхода через вес частиц в килограммах, разделенных на ускорение силы тяжести , то реактивная сила будет получаться в килограммах. Возьмем, например, реактивный двигатель, в котором каждую секунду сгорает 4,9 кг топлива. Пусть относительная скорость отбрасываемых частиц (продуктов сгорания) будет , тогда реактивная сила, которую обозначим через , будет равна

У немецкой ракеты Фау-2 весовой секундный расход составляет в среднем 127,4 кг. Скорость истечения продуктов сгорания из сопла двигателя равна 2000 м/сек. Реактивная сила в этом случае равна

Приведенные примеры показывают, что реактивная сила тем больше, чем больше секундный расход топлива и чем больше относительная скорость отбрасывания частиц.

В некоторых случаях для сжигания горючего в камере реактивного двигателя приходится забирать воздух из атмосферы. Тогда в процессе движения реактивного аппарата происходит присоединение частиц воздуха и выбрасывание нагретых газов. Мы получаем так называемый воздушно - реактивный двигатель. Простейшим примером воздушно - реактивного двигателя будет обыкновенная трубка, открытая с обоих концов, внутри которой помещен вентилятор. Если заставить вентилятор работать, то он будет засасывать воздух с одного конца трубки и выбрасывать его через другой конец. Если в трубку, в пространство за вентилятором, впрыснуть бензин и поджечь его, то скорость выходящих из трубки горячих газов будет значительно больше, чем входящих, и трубка получит тягу в сторону, противоположную струе выбрасываемых из нее газов. Делая поперечное сечение трубки (радиус трубки) переменным, можно соответствующим подбором этих сечений по длине трубки достигнуть весьма больших скоростей истечения выбрасываемых газов. Чтобы не возить с собой двигатель для вращения вентилятора, можно заставить струю текущих по трубке газов вращать его с нужным числом оборотов. Некоторые трудности будут возникать только при запуске такого двигателя. Простейшая схема воздушно-реактивного двигателя была предложена еще в 1887 году русским инженером Гешвендом.

Идея использования воздушно-реактивного двигателя для современных типов самолетов была с большой тщательностью самостоятельно разработана К.Э. Циолковским. Он дал первые в мире расчеты самолета с воздушно-реактивным двигателем и турбокомпрессорным винтовым двигателем. Прямоточного воздушно-реактивного двигателя, у которого движение частиц воздуха по оси трубы создается за счет начальной скорости, полученной ракетой от какого-либо другого двигателя, а дальнейшее движение поддерживается за счет реактивной силы, обусловленной увеличенной скоростью отброса частиц по сравнению со скоростью входящих частиц.

Энергия движения воздушного реактивного двигателя получается за счет сжигания горючего, так же как и в простой ракете. Таким образом, источником движения любого реактивного аппарата является запасенная в этом аппарате энергия, которую можно преобразовать в механическое движение выбрасываемых из аппарата с большой скоростью частиц вещества. Как только будет создано выбрасывание таких частиц из аппарата, он получает движение в сторону, противоположную струе извергающихся частиц.

Направленная соответствующим образом струя выбрасываемых частиц -- основное в конструкциях всех реактивных аппаратов. Методы получения мощных потоков извергающихся частиц очень разнообразны. Проблема получения потоков отбрасываемых частиц простейшим и наиболее экономичным способом, разработка методов регулирования таких потоков -- важная задача изобретателей и конструкторов.

Если рассмотреть движение простейшей ракеты, то легко понять, что ее вес изменяется, так как часть массы ракеты сгорает и отбрасывается с течением времени. Ракета представляет собой тело переменной массы. Теория движения тел переменной массы создана в конце XIX века у нас в России И.В. Мещерским и К.Э. Циолковским.

Замечательные работы Мещерского и Циолковского прекрасно дополняют друг друга. Изучение прямолинейных движений ракет, проведенное Циолковским, существенно обогатило теорию движения тел переменной массы благодаря постановке совершенно новых проблем. К сожалению, работы Мещерского не были известны Циолковскому, и он в ряде случаев повторял в своих работах более ранние результаты Мещерского.

Изучение движения реактивных аппаратов представляет большие трудности, так как во время движения вес любого реактивного аппарата значительно изменяется. Уже сейчас существуют ракеты, у которых во время работы двигателя вес уменьшается в 8--10 раз. Изменение веса ракеты в процессе движения не позволяет использовать непосредственно те формулы и выводы, которые получены в классической механике, являющейся теоретической базой расчетов движения тел, вес которых постоянен во время движения.

Известно также, что в тех задачах техники, где проходилось иметь дело с движением тел переменного веса (например, у самолетов с большими запасами горючего), всегда предполагалось, что траекторию движения можно разделить на участки и считать на каждом отдельном участке вес движущегося тела постоянным. Таким приемом трудную задачу изучения движения тела переменной массы заменяли более простой и уже изученной задачей о движении тела постоянной массы. Изучение движения ракет как тел переменной массы было поставлено на твердую научную почву К. Э. Циолковским. Мы называем теперь теорию полета ракет ракетодинамикой. Циолковский является основоположником современной ракетодинамики. Опубликованные труды К.Э. Циолковского по ракетодинамике позволяют установить последовательное развитие его идей в этой новой области человеческого знания. Каковы же основные законы, управляющие движением тел переменной массы? Как рассчитывать скорость полета реактивного аппарата? Как найти высоту полета ракеты, выпущенной вертикально? Как выбраться на реактивном приборе за пределы атмосферы -- пробить «панцирь» атмосферы? Как преодолеть притяжение земли -- пробить «панцирь» тяготения? Вот некоторые из вопросов, рассмотренных и решенных Циолковским.

С нашей точки зрения, самой драгоценной идеей Циолковского в теории ракет является добавление к классической механике Ньютона нового раздела -- механики тел переменной массы. Сделать подвластной человеческому разуму новую большую группу явлений, объяснить то, что видели многие, но не понимали, дать человечеству новое мощное орудие технических преобразований -- вот те задачи, которые ставил перед собой гениальный Циолковский. Весь талант исследователя, вся оригинальность, творческая самобытность и необычайный взлет фантазии с особой силой и продуктивностью выявились в его работах по реактивному движению. Он на десятилетия вперед предсказал пути развития реактивных аппаратов. Он рассмотрел те изменения, которым должна была подвергнуться обыкновенная фейерверочная ракета, чтобы стать мощным орудием технического прогресса в новой области человеческого знания.

В одной из своих работ (1911 г.) Циолковский высказал глубокую мысль о простейших применениях ракет, которые были известны людям очень давно. «Такие жалкие реактивные явления мы обыкновенно и наблюдаем на земле. Вот почему они никого не могли поощрить к мечтам и исследованиям. Только разум и наука могли указать на преобразование этих явлений в грандиозные, почти непостижимые чувству»⁹⁹ К. Э. Циолковский. Труды по ракетной технике. Оборонгиз, 1947, стр. 60..

При полете ракеты на сравнительно небольших высотах на нее будут действовать три основные силы: сила тяжести (сила ньютоновского тяготения), сила аэродинамическая, обусловленная наличием атмосферы (обычно эту силу разлагают на две: подъемную и лобового сопротивления), и реактивная сила, обусловленная процессом отбрасывания частиц из сопла реактивного двигателя. Если учитывать все указанные силы, то задача изучения движения ракеты получается достаточно сложной. Естественно поэтому начать теорию полета ракеты с простейших случаев, когда некоторыми из сил можно пренебречь. Циолковский в своей работе 1903 года прежде всего исследовал, какие возможности заключает в себе реактивный принцип создания механического движения, не учитывая действия аэродинамической силы и силы тяжести. Такой случай движения ракеты может быть при межзвездных перелетах, когда силами притяжения планет солнечной системы и звезд можно пренебречь (ракета находится достаточно далеко и от солнечной системы и от звезд -- в «свободном пространстве» -- по терминологии Циолковского). Эту задачу называют сейчас первой задачей Циолковского. Движение ракеты в этом случае обусловлено только реактивной силой. При математической формулировке задачи Циолковский вводит предположение о постоянстве относительной скорости отброса частиц. При полете в пустоте это предположение означает, что реактивный двигатель работает при установившемся режиме и скорости истекающих частиц в выходном сечении сопла не зависят от закона движения ракеты.

Вот как обосновывает эту гипотезу Константин Эдуардович в своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами». «Чтобы снаряд получил наибольшую скорость, надо, чтобы каждая частица продуктов горения или иного отброса получила наибольшую относительную скорость.

Она же постоянна для определенных веществ отброса. ...Экономия энергии тут не должна иметь места: она невозможна и невыгодна. Другими словами: в основу теории ракеты надо принять постоянную относительную скорость частиц отброса».

Циолковский составляет и подробно исследует уравнение движения ракеты при постоянной скорости частиц отброса и получает весьма важный математический результат, известный сейчас как формула Циолковского.

Если обозначить буквой скорость ракеты в момент, когда ее масса равна а через обозначить постоянную скорость отбрасываемых из сопла двигателя частиц, то формула Циолковского будет иметь следующий вид:

где -- масса ракеты в момент старта, когда ее скорость равна нулю; -- знак десятичного логарифма.

Участок полета ракеты при работающем двигателе называют активным участком полета.

Скорость ракеты в конце активного участка будет наибольшей.

Если масса ракеты при полностью израсходованном топливе будет равна , а наибольшая скорость, то из формулы Циолковского следует, что

.

Пусть отношение начальной массы (веса) ракеты к массе (весу) в конце горения равно 10 и пусть относительная скорость отбрасываемых частиц равна , тогда максимальная скорость ракеты будет равна

.

Из формулы Циолковского для максимальной скорости следует, что:

а). Скорость движения ракеты в конце работы двигателя (в конце активного участка полета) будет тем больше, чем больше относительная скорость отбрасываемых частиц. Если относительная скорость истечения удваивается, то и скорость ракеты возрастает в два раза.

б). Скорость ракеты в конце активного участка возрастает, если увеличивается отношение начальной массы (веса) ракеты к массе (весу) ракеты в конце горения. Однако здесь зависимость более сложная, она дается следующей теоремой Циолковского:

«Когда масса ракеты плюс масса взрывчатых веществ, имеющихся в реактивном приборе, возрастает в геометрической прогрессии, то скорость ракеты увеличивается в прогрессии арифметической». Этот закон можно выразить двумя рядами чисел:

«Положим, например, -- пишет Циолковский, -- что масса ракеты и взрывчатых веществ составляет 8 единиц. Я отбрасываю четыре единицы и получаю скорость, которую мы примем за единицу. Затем я отбрасываю две единицы взрывчатого материала и получаю еще единицу скорости; наконец отбрасываю последнюю единицу массы взрывчатых веществ и получаю еще единицу скорости; всего 3 единицы скорости». Из теоремы и пояснений Циолковского видно, что «скорость ракеты далеко не пропорциональна массе, взрывчатого материала: она растет весьма медленно, но беспредельно».

Из формулы Циолковского следует весьма важный практический результат: для получения возможно больших скоростей ракеты в конце работы двигателя нужно увеличивать относительные скорости отбрасываемых частиц и увеличивать относительный запас топлива.

Так, например, если бы захотели в 2 раза увеличить скорость в конце активного участка для современной ракеты, имеющей отношение начального веса к весу пустой (без горючего) ракеты, приблизительно равное 3, и относительную скорость истечения газов, равную , то можно идти двумя путями: или увеличить относительную скорость истечения частиц из сопла реактивного двигателя в 2 раза, т. е. до , или увеличить относительный запас топлива настолько, чтобы отношение начального веса к весу пустой ракеты стало равным 3²=9.

Следует заметить, что увеличение относительных скоростей истечения частиц требует совершенствования реактивного двигателя и разумного выбора составных частей (компонентов) применяющихся топлив. Второй путь, связанный с увеличением относительного запаса топлива, требует значительного улучшения (облегчения) конструкции корпуса ракеты, вспомогательных механизмов и приборов управления полетом.

Строгий математический анализ, проведенный Циолковским, выявил основные закономерности движения ракет и дал возможность количественной оценки совершенства реальных конструкций ракет.

Простая формула Циолковского позволяет путем элементарных вычислений устанавливать исполнимость того или другого задания. В самом деле, пусть, например, вы хотите создать одноступенчатую ракету для полета на Марс. Вы располагаете двигателем, имеющим относительную скорость отброса частиц, равную . Тогда, зная, что для преодоления поля тяготения Земли нужна скорость , можно найти необходимый относительный запас топлива в ракете. Из формулы Циолковского имеем

,

или

По таблицам десятичных логарифмов находим, что т. е. суммарный вес конструкции ракеты, двигателя, вспомогательных механизмов и приборов управления должен составлять немногим больше 1% стартового веса. Такую ракету сделать невозможно. Если бы удалось увеличить относительную скорость истечения до то из формулы Циолковского легко найти, что в этом случае

а следовательно,

т.е. вес ракеты без топлива должен составлять 10% ее стартового веса. Такую ракету можно создать.

Формулой Циолковского можно пользоваться для приближенных оценок скорости ракеты в тех случаях, когда сила аэродинамическая и сила тяжести сравнительно невелеки по отношению к реактивной силе. Подобного рода задачи возникают для пороховых ракет с небольшими временами горения и большими секундными расходами. Реактивная сила у таких пороховых ракет превосходит силу тяжести в 40 - 120 раз и силу лобового сопротивления в 20 - 60 раз. Максимальная скорость такой пороховой ракеты, подсчитанная по формуле Циолковского, будет отличаться от истинной на 1 - 4%; такая точность определения летных характеристик на первоначальных стадиях проектирования вполне достаточна.

Формула Циолковского позволила количественно оценить максимальные возможности реактивного способа сообщения движения. После работы Циолковского 1903 года началась новая эпоха развития ракетной техники. Эта эпоха знаменуется тем, что летные характеристики ракет можно заранее определить путем вычислений, следовательно, с работы Циолковского начинается создание научного проектирования ракет. Предвидение К. И. Константинова - конструктора пороховых ракет XIX века - о возможности создания новой науки - баллистики ракет (или ракетодинамики) - получило реальное осуществление в работах Циолковского.

5. РАКЕТЫ ЦИОЛКОВСКОГО

В конце XIX века Циолковский возродил научно-технические изыскания по ракетной технике в России и в дальнейшем предложил большое число оригинальных схем конструкций ракет. Существенно новым шагом в развитии ракетной техники были разработанные Циолковским схемы ракет дальнего действия и ракет для межпланетных путешествий с реактивными двигателями на жидком топливе. До работ Циолковского исследовались и предлагались для решения различных задач ракеты с пороховыми реактивными двигателями.

Применение жидкого топлива (горючего и окислителя) позволяет дать весьма рациональную конструкцию жидкостного реактивного двигателя с тонкими стенками, охлаждаемыми горючим (или окислителем), легкого и надежного в работе. Для ракет больших размеров такое решение было единственно приемлемым.

Ракета 1903 года. Первый тип ракеты дальнего действия был описан Циолковским в его работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованной в 1903 году. Ракета представляет собой продолговатую металлическую камеру, очень похожую по форме на дирижабль или большое веретено. «Представим себе, -- пишет Циолковский, -- такой снаряд: продолговатая металлическая камера (формы наименьшего, сопротивления), снабженная светом, кислородом, поглотителями углекислоты, миазмов и других животных выделений, предназначенная не только для хранения разных физических приборов, но и для человека, управляющего камерой... 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 по расширяющимся к концу трубам вроде рупора или духового музыкального инструмента... В одном узком конце трубы совершается смешение взрывчатых веществ: тут получаются сгущенные и пламенные газы. В другом расширенном ее конце они, сильно разредившись и охладившись от этого, вырываются наружу через раструбы с громадной относительной скоростью»¹¹⁰ К. Э. Циолковский. Собрание сочинений. Изд. АН СССР, 1954, том II, стр. 73--74.⁰.

Для управления полетом ракеты в верхних разреженных слоях атмосферы Циолковский рекомендовал два способа: графитовые рули, помещаемые в струе газов вблизи среза сопла реактивного двигателя, или поворачивание конца раструба (поворачивание сопла двигателя). Оба приема позволяют отклонять направление струи горячих газов от оси ракеты и создавать силу, перпендикулярную направлению полета (управляющую силу). Следует отметить, что указанные предложения Циолковского нашли широкое применение и развитие в современной ракетной технике. Все известные лам из иностранной печати жидкостные реактивные двигатели сконструированы с принудительным охлаждением стенок камеры и сопла одним из компонентов топлива. Такое охлаждение позволяет делать стенки достаточно тонкими и выдерживающими высокие температуры (до 3500--4000°) в течение нескольких минут. Без охлаждения такие камеры прогорают за 2--3 секунды.

Газовые рули, предложенные Циолковским, применяются для управления полетом ракет различных классов за рубежом. Если реактивная сила, развиваемая двигателем, превосходит силу тяжести ракеты в 1,5--3 раза, то в первые секунды полета, когда скорость ракеты невелика, воздушные рули будут неэффективны даже в плотных слоях атмосферы и правильный полет ракеты обеспечивают при помощи газовых рулей. Обычно в струю реактивного. двигателя помещают четыре графитовых руля, располагаемых в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Отклонение одной пары позволяет изменять направление полета в вертикальной плоскости, а отклонение второй пары изменяет направление полета в горизонтальной плоскости. Следовательно, действие газовых рулей аналогично действию рулей высоты и направления у самолета или планера, меняющих угол тангажа и курса при полете. Чтобы ракета не вращалась вокруг собственной оси, одна пара газовых рулей может отклоняться в разные стороны; в этом случае их действие аналогично действию элеронов у самолета.

Газовые рули, помещаемые в струе горячих газов, уменьшают реактивную силу, поэтому при сравнительно большом времени работы реактивного двигателя (более 2--3 минут) иногда оказывается более выгодным или поворачивать соответствующим автоматом весь двигатель, или ставить на ракету дополнительные (меньшего размера) поворачивающиеся двигатели, которые и служат для управления полетом ракеты. На рис. 7 показаны три случая полета шара с поворачивающимся реактивным двигателем. Рис. 7, а соответствует прямолинейному горизонтальному полету шара; струя выбрасываемых частиц параллельна горизонту, и реактивная сила Ф направлена также горизонтально. Рис. 7, б соответствует отклонению струи (оси двигателя) вверх; реактивная сила Ф отклонится вниз, и траектория центра тяжести шара начнет также отклоняться вниз. Рис. 7, в соответствует отклонению струи (оси двигателя) вниз; реактивная сила будет отклонена вверх, и траектория центра тяжести шара будет также отклоняться вверх.

Ракета 1914 года¹¹¹ К. Э. Циолковский. Собрание сочинений, том II, стр. 149--150.¹. Внешние очертания ракеты 1914 года близки к очертаниям ракеты 1903 года, но устройство взрывной трубы (т. е. сопла) реактивного двигателя усложнено. В качестве горючего Циолковский рекомендует использовать углеводороды (например, керосин, бензин). Вот как описывается устройство этой ракеты (рис. 8)¹¹² См. стр. 15 реферата.²: «Левая задняя кормовая часть ракеты состоит из двух камер, разделенных не обозначенной на чертеже перегородкой. Первая камера содержит жидкий, свободно

испаряющийся кислород. Он имеет очень низкую температуру и окружает часть взрывной трубы и другие детали, подверженные высокой температуре. Другое отделение содержит углеводороды в жидком виде. Две черные точки внизу (почти посредине) означают поперечное сечение труб, доставляющих взрывной трубе взрывчатые материалы. От устья взрывной трубы (см. кругом двух точек) отходят две ветки с быстро мчащимися газами, которые увлекают и вталкивают жидкие элементы взрывания в устье, подобно инжектору Жиффара или пароструйному насосу». «...Взрывная труба делает несколько оборотов вдоль ракеты параллельно ее продольной оси и затем несколько оборотов перпендикулярно к этой оси. Цель -- уменьшить вертлявость ракеты или облегчить ее управляемость»¹¹³ Позднее К. Э. Циолковский отказался от такой конструкции сопла ракеты.³.

В этой схеме ракеты внешняя оболочка корпуса может охлаждаться жидким кислородом. Циолковский хорошо понимал трудность возвращения ракеты из космического пространства на землю, имея в виду, что при больших скоростях полета в плотных слоях атмосферы ракета может сгореть или разрушиться подобно метеориту.

В носовой части ракеты Циолковский располагает: запас газов, необходимых для дыхания и поддержания нормальной жизнедеятельности пассажиров; приспособления для сохранения живых существ от больших перегрузок, возникающих при ускоренном (или замедленном) движении ракеты; приспособления для управления полетом; запасы пищи и воды; вещества, поглощающие углекислый газ, миазмы и вообще все вредные продукты дыхания.

Очень интересна идея Циолковского о предохранении живых существ и человека от больших перегрузок («усиленной тяжести» -- по терминологии Циолковского) при помощи погружения их в жидкость равной плотности. Впервые эта идея встречается в работе Циолковского 1891 года. Вот краткое описание простого опыта, убеждающего нас в правильности предложения Циолковского для однородных тел (тел одинаковой плотности). Возьмем 'нежную восковую фигуру, которая едва выдерживает собственный вес. Нальем в крепкий сосуд жидкость такой же плотности, как и воск, и погрузим в эту жидкость фигуру. Теперь посредством центробежной машины вызовем перегрузки, превышающие силу тяжести во много раз. Сосуд, если недостаточна крепок, может разрушиться, но восковая фигура в жидкости будет сохраняться целой. «Природа давно пользуется этим приемом,--пишет Циолковский, -- погружая зародыш животных, их мозги и другие слабые части в жидкость. Так она предохраняет их от всяких повреждений. Человек же пока мало использовал эту мысль».

Следует отметить, что для тел, плотность которых различна (тела неоднородные), влияние перегрузки все равно будет проявляться и при погружении тела в жидкость. Так, если в восковую фигуру заделать свинцовые дробинки, то при больших перегрузках все они вылезут из восковой фигуры в жидкость. Но, по-видимому, несомненно, что в жидкости человек сможет выдержать большие перегрузки, чем, например, в специальном кресле.

Ракета 1915 года. В книжке Перельмана «Межпланетные путешествия», изданной в 1915 году в Петрограде, помещены чертеж и описание ракеты, выполненные Циолковским.

«Труба А и камера В из прочного тугоплавкого металла покрыты внутри еще более тугоплавким материалом, например вольфрамом. С и Д -- насосы, накачивающие жидкий кислород и водород в камеру взрывания. Ракета имеет еще вторую тугоплавкую наружную оболочку. Между обеими оболочками есть промежуток, в который устремляется испаряющийся жидкий кислород в виде очень холодного газа, он препятствует чрезмерному нагреванию обеих оболочек от трения при быстром движении ракеты в атмосфере. Жидкий кислород и такой же водород разделены друг от друга непроницаемой оболочкой (не изображенной на рис. 9). Е -- труба, отводящая испаренный холодный кислород в промежуток между двумя оболочками, он вытекает наружу через отверстие К. У отверстия трубы имеется (не изображенный на рис. 9) руль из двух взаимно-перпендикулярных плоскостей для управления ракетой. Вырывающиеся разреженные и охлажденные газы благодаря этим рулям изменяют направление своего движения и, таким образом, поворачивают ракету»¹¹⁴ Н. А. Рынин. К. Э. Циолковский, его жизнь, работы и ракеты. .1931, стр. 41.⁴.