Циолковский. Его жизнь, изобретения и научные труды. - Яков Исидорович Перельман
Характер этой зависимости можно ощутить, впрочем, и без формул, на основании следующего рассуждения Циолковского.
«Вообразим для простоты вывода, что тяжесть отсутствует. Обозначим массу ракеты без взрывчатых веществ через 1. Пусть и количество взрывчатых веществ такое же. Равные массы взаимно отталкиваются и приобретают равные скорости. Значит, если скорость вытекания продуктов взрывания, скажем, 5 км в сек., то и ракета приобретает секундную скорость 5 км. Если ракета возьмет с собою 3 части взрывчатых веществ на 1 часть собственного веса, то скорость ее, как легко показать, должна удвоиться. Действительно, выбрасывая сначала 2 части горючего, мы остальной части ракеты (равной массы) сообщим скорость в 5 км. Выбрасывая затем имеющуюся у нас еще 1 часть горючего, сообщим ракете (равной массы) добавочную скорость в 5 км, т. е. в конечном итоге 10 км в сек. Вообще, если будем брать последовательно запасы горючего
1, 3, 7, 15, 31 часть,
то окончательные скорости ракеты будут
5, 10, 15, 20, 25 км».
Но числа первой строки есть последовательные степени числа 2, уменьшенные на 1:
1=2-1
2=22-1
7=23-1
15=24-1
31=25-1
Становится ясно, что с возрастанием относительного количества взрывчатых веществ в геометрической прогрессии (приблизительно) скорость ракеты растет в прогрессии арифметической.
Горючее для ракет
Какое же горючее следует избрать в качестве заряда для будущего ракетного корабля? Вопрос этот был также тщательно изучен Циолковским. Он нашел, что порох вовсе не самое лучшее вещество для заряда ракеты. Во-первых, он слишком опасен, зачастую взрывается не только в момент поджигания ракеты, разнося ее в осколки, но даже и в процессе ее заряжения. Если так легко взрываются ракеты небольших размеров, то можно ли полагаться на безопасность огромных ракет, с зарядом в сотни и тысячи тонн? Во-вторых, взрывчатые вещества, подобные пороху, недостаточно «энергоемки». Ошибочно думать, что порох при сгорании развивает огромное количество энергии по сравнению с другими горючими веществами. Если бы мы вздумали топить наши комнатные печи порохом (практически это возможно без разрушения печей), то сразу заметили бы, как невыгодно подобное топливо по сравнению даже с осиновыми дровами. Дрова, уголь, спирт, нефть развивают при сгорании гораздо больше энергии, нежели различные виды пороха. Единственное преимущество пороха — быстрота его сгорания (оттого мы и говорим, что он не горит, а «взрывается»). Но быстрота сгорания, столь важная в огнестрельном оружии, не имеет, как показал Циолковский, почти никакого значения в ракете. Сгорит ли заряд ракеты быстро или медленно, сразу или с перерывами — окончательная скорость, приобретаемая ракетой, будет одна и та же.
Это важное указание Циолковского открывает путь к замене пороха в ракете такими сравнительно безопасными горючими жидкостями, как спирт, бензин, нефть и др. Циолковский предлагал в качестве заряда сжиженный водород (или какой-нибудь жидкий углевод), который должен смешиваться в камере сгорания с сжиженным же кислородом: без кислорода горение таких веществ невозможно (порох содержит источник кислорода в своих составных частях). Им намечена и схема устройства водородно-кислородной ракеты для вылета с пассажирами за атмосферу, т. е. настоящего ракетного корабля.
Звездолет
Прилагаемый здесь схематический набросок ракетного корабля сделан был Циолковским по моей просьбе еще в 1913 году. Рисунок этот не притязает вовсе служить изображением пространственного размещения частей корабля, а скорее представляет графический чертеж логического расчленения идей изобретателя.[24] Вот описание, которым Циолковский сопровождал чертеж:
8. Схема ракетного корабля Циолковского (1913 г.). Набросок Циолковского (объяснение в тексте).
«Труба (А) и камера (В) из прочного и тугоплавкого металла покрыты внутри еще более тугоплавким материалом, например, вольфрамом или уплотненным углеродом.
С и D — насосы накачивающие жидкий кислород и углеводы в камеру (В) взрывания.
Е — руль из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, как грубый способ управления ракетой. Взрывающиеся разреженные и охлажденные газы, благодаря этим рулям, изменяют направление своего движения и таким образом поворачивают ракету.
Во время десятиминутного (или более кратковременного) взрывания люди будут находиться в таком состоянии, что на управление вручную надеяться невозможно. Необходим автоматический, заранее испытанный прибор.
Ракета еще имеет вторую наружную тугоплавкую оболочку. Между обеими оболочками (F, F, F) 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 земной) атмосфере.
Жидкий кислород и такой же углевод разделены друг от друга непроницаемой (на чертеже не видной) оболочкой.
J — труба, ведущая испаренный холодный кислород в промежуток между двумя оболочками. Он выбрасывается через отверстия К.
После нескольких взрываний ракета приобретает какое-либо устойчивое состояние, например, она делается спутником Земли, как Луна. Тут начинается самое главное. Ракета свободна от тяготения (явление кажущееся, относительное), она окружена потоком света, но кругом ни молекулы газа. Открываются ставни, выдвигаются и слаживаются герметически закрытые оранжереи, с очень разреженными газами и парами, с почвой и растениями. Эти растения и должны служить орудием питания и дыхания разумных существ в ракете».
Дополним эти краткие пояснения еще некоторыми, данными Циолковским в другом месте:
«Аппарат имеет снаружи вид бескрылой птицы, легко рассекающей воздух. Большая часть внутренности занята двумя веществами в жидком состоянии: водородом и кислородом. Они разделены перегородкой и соединяются между собой только мало-помалу. Остальная часть камеры, меньшей вместимости, назначена для помещения наблюдателя и разного рода аппаратов, необходимых для сохранения его жизни, для научных наблюдений и для управления. Водород и кислород, смешиваясь в узкой части постепенно расширяющейся трубы, соединяются химически и образуют водяной пар при весьма высокой температуре. Он имеет огромную упругость и вырывается из широкого отверстия трубы с ужасающей скоростью по направлению трубы или продольной оси камеры. Направление давления пара и направление полета снаряда прямо противоположно».
Межпланетные путешествия
Циолковский не только заложил основы ракетной механики не только разработал вопрос о горючем для ракетных аппаратов, но обсуждал и многие стороны самого межпланетного путешествия, т. е. занимался проблемами звездной навигации. Он вычислил скорость, какую должен иметь ракетный корабль для того, чтобы, покинув Землю, сделаться спутником земного шара; для того чтобы достигнуть Луны, той или иной планеты, определил пути следования и т. п. После чтения его работ, убедительно подкрепленных строгими расчетами, у читателя не остается сомнений, что заманчивая мечта о достижении
