Циолковский. Жизнь и технические идеи - Яков Исидорович Перельман
Совершенно другие условия будем мы иметь в ракетном корабле. Он летит не менее быстро, чем пушечное ядро, но огромная его скорость накопляется постепенно: переход от покоя к стремительному движению совершается плавно, не угрожая жизни пассажиров.
Заслуга Циолковского состоит, как уже было сказано, не в том лишь, что он указал на ракету, как на орудие будущего заатмосферного транспорта, но и в том, что он разработал теорию ракетного движения, установив математически зависимость между скоростью ракеты и другими факторами. Для полетов вне атмосферы чрезвычайно важно развить достаточную скорость движения[20]. Циолковский доказал, что ракета может получить любую, сколь угодно большую скорость, если в ней сгорит достаточное количество горючих веществ: чем больше сгорит топлива и чем бóльшую скорость имеет струя вытекающих продуктов, тем значительнее окажется скорость ракеты по окончании горения. Точная зависимость между этими тремя величинами — количеством потребленного горючего, скоростью вытекания газов и скоростью самой ракеты, выраженная математически, впервые установлена была Циолковским и является основанием теории реактивного движения. Это «уравнение ракеты» часто называется теперь уравнением или формулой Циолковского.
В настоящей книге было бы неуместно углубляться в математические соотношения; интересующиеся могут найти их в другом сочинении того же автора «Межпланетные путешествия». Попытаемся здесь лишь помочь читателю ощутить своеобразный характер зависимости, о которой идет речь, причем воспользуемся отрывком из недавно опубликованной статьи Циолковского[21]:
«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 километров в секунду, то и ракета приобретает секундную скорость в 5 километров. 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 километров. Выбрасывая затем имеющуюся у нас еще 1 часть горючего, сообщим ракете (равной массы) добавочную скорость в 5 километров, т. е. в конечном итоге 10 километров в секунду. 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».
Это так называемая «четвертая теорема Циолковского».
За новую ракету
Создав теорию ракеты, Циолковский, верный своему правилу: «знать — чтобы улучшать», указал путь ее коренного переустройства. Ракета для усиления своей мощности, учил Циолковский, должна порвать вековую связь свою с порохом и получить иное энергетическое вооружение. В древнее тело ракеты надо влить свежую кровь. Взамен опасного, легко взрывающегося пороха, новая ракета должна получить высококалорийное промышленное горючее. Это не только сообщит ракете бóльшую безопасность, но и даст ей возможность выполнять задачи, недостижимые для ракеты пороховой: накоплять бóльшие скорости, покрывать в полете бóльшие расстояния, брать бóльшие высоты, переносить бóльшие грузы.
Распространенное убеждение, будто порох развивает при сгорании огромные количества энергии, совершенно ошибочно. По заложенному в нем запасу энергии порох в ряду горючих веществ занимает последнее место, далеко позади бензина, керосина, нефти, спирта. В технике огнестрельного оружия порох ценится вовсе не благодаря своей высокой энергоёмкости, а из-за способности быстро, почти мгновенно сгорать. В огнестрельном оружии такое быстрое сгорание заряда, сосредоточение подаваемой энергии на небольшом промежутке времени, играет решающую роль. Ради этого и приходится предпочитать порох всем другим, гораздо более энергоёмким видам горючего. Но если бы керосин или спирт сгорали столь же быстро, как порох, артиллеристы, не колеблясь, стали бы заряжать пушки керосином или спиртом.
В отличие от огнестрельного оружия, ракета совершенно не нуждается в быстром сгорании ее заряда: окончательная скорость, приобретаемая ею после сгорания заряда, не зависит от того, происходило ли горение быстро или медленно. Одно из положений, установленных Циолковским, так называемая вторая его теорема, гласит:
«окончательная скорость (ракеты) не зависит от времени и порядка взрывания. Происходит ли оно равномерно или нет, длится ли секунды или тысячелетия — это все равно. Даже перерывы ничего не значат».
Скажем больше: в ракете, предназначаемой для транспорта, чрезмерная быстрота сгорания есть именно то, чего следует избегать. Ракета только тогда сможет выполнять возлагаемые на нее новые технические задачи транспортного характера, когда огромная ее окончательная скорость будет возникать не сразу, в результате мгновенного взрыва, а станет накопляться с плавной постепенностью в результате медленного сгорания. Слишком стремительный темп нарастания скорости создал бы для конструкции ракеты и находящихся внутри приборов такие напряжения, которые угрожали бы их целости, а в организме пассажиров породили бы нарушения, опасные для жизни.
Вот почему Циолковский поставил вопрос о необходимости создать новый тип ракеты, в которой порох заменен был бы жидким горючим и жидким окислителем. Ракета должна быть снабжена зарядом, горящим без взрыва и дающим при сгорании значительно больше энергии, нежели порох. Первоначально Циолковский предлагал в качестве заряда для новой ракеты сжиженный водород и сжиженный кислород; при горении водорода в кислороде развивается огромное количество теплоты, и образующийся водяной пар с весьма большой скоростью вырывается из трубы (сопла) ракеты. Впоследствии, когда выяснилось, что жидкий водород чрезвычайно легок — в 14 раз легче воды — и что, следовательно, для хранения его понадобятся чересчур объемистые вместилища, Циолковский отказался от водорода и заменил его другими, более плотными горючими жидкостями. Ракеты с жидким зарядом принято теперь называть «жидкостными».
Прежде чем перейти к дальнейшему изложению, уместно будет разъяснить один пункт, вызывающий нередко недоумение. Почему нужна для межпланетного полета огромная скорость в 11 километров в секунду? Ведь притяжение Земли уменьшает скорость взлета ежесекундно всего лишь на 10 метров в секунду. Казалось бы, достаточно поэтому сообщить звездолету скорость чуть побольше 10 метров в секунду, и ракетный корабль удалится от Земли навсегда.
Такие возражения высказывали Циолковскому иные читатели его книг, недостаточно знакомые с физикой. Мысль эта совершенно ошибочна. Верно то, что в первую секунду ракета-звездолет, брошенная ввысь, потеряет из своей секундной скорости только 10 метров. Но не надо забывать, что в течение второй секунды полета она потеряет еще 10 метров секундной скорости, в третью секунду — новые
