V [глава]

Остановимся более подробно на важнейших результатах Циолковского, полученных в теории полёта ракет. Мы называем сейчас эту новую науку, основателем которой был Константин Эдуардович, динамикой полёта ракет или ракетодинамикой. Не приводя здесь подробных математических выкладок, которые можно найти в оригинальных статьях и книгах Циолковского, мы отметим только самые важные достижения учёного в этой области.

При исследовании законов движения ракет Циолковский идёт естественным путём, последовательно вводя основные силы, от которых зависит движение ракеты. Сначала он желает выяснить, какие возможности заключает в себе реактивный принцип создания механического движения и ставит простейшую задачу в предположении, что силы тяжести и сопротивления воздуха отсутствуют. Эту задачу называют сейчас первой задачей Циолковского. Движение ракеты в этом простейшем случае обусловлено только процессом отбрасывания (истечения) частиц вещества из камеры реактивного двигателя. При математических расчётах Циолковский вводит предположение о постоянстве относительной скорости отброса частиц, которым до настоящего времени пользуются все авторы теоретических работ по ракетодинамике. Это предположение называют гипотезой Циолковского. 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 скооость. Она же постоянна для определённых веществ отброса. Экономия энергии тут не имеет места: 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 под названием формулы Циолковского. Из этой формулы следует, что:

а) Скорость движения в конце горения (в конце активного участка) 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 тем больше, чем больше отношение начального веса ракеты к весу ракеты в конце горения. Однако здесь зависимость более сложная, она даётся следующей теоремой Циолковского:

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

Относительная масса (вес)

2

4=22

8=23

16=24

32=25

64 = 26

128=27

Скорость ракеты

1

2

3

4

5

6

7

 

«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 ещё единицу скорости; всего 3 единицы скорости». Из теоремы и пояснений Циолковского видно, что «скорость ракеты далеко не пропорциональна массе взрывчатого вещества, она растёт весьма медленно, но беспредельно».

Из формулы Циолковского следует весьма важный практический результат: для получения возможно больших скоростей ракеты в конце процесса горения гораздо выгоднее итти по пути увеличения относительных скоростей отбрасываемых частиц, чем по пути увеличения относительного запаса горючего.

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 равным 3 и относительную скорость истечения газов равную 2 километрам в секунду, то можно итти двумя путями:

— или увеличить относительную скорость истечения из сопла реактивного двигателя в 2 раза, т. е. до 4 километров в секунду;

— или увеличить запас топлива настолько, чтобы отношение начального веса к весу ракеты стало равным 32=9.

Можно считать при приближённых подсчётах, что дальность полёта ракеты увеличивается пропорционально квадрату скорости и, следовательно, при увеличении скорости в конце активного участка вдвое дальность полёта ракеты возрастёт в 4 раза.

Следует заметить, что увеличение относительных скоростей истечения частиц требует совершенствования реактивного двигателя и разумного выбора составных частей применяющихся топлив, а второй путь, связанный с увеличением относительного запаса топлива, требует значительного облегчения конструкции корпуса ракеты и уменьшения полезной нагрузки.

Работа Циолковского, как всякая прогрессивная научная идея, указывает практикам-инженерам рациональные пути дальнейшего развития ракетостроения.

Детально выяснив, что при помощи реактивных двигателей можно достигать космических скоростей, Циолковский тщательно изучает влияние сил тяжести на полёт ракеты. Следует отметить, что Константин Эдуардович считал силу притяжения как бы цепью, приковывающей человека к нашей планете. Область действия сил тяготения он назвал панцирем тяготения. Чрезвычайно интересны расчёты Циолковского по определению необходимых запасов топлива для преодоления панциря тяготения. Прежде всего заметим, что сила тяготения убывает с подъёмом на высоту. Если вес человека на поверхности земли равен 80 кг, то на высоте, равной радиусу земли (около 6400 км), вес человека будет только 20 кг. Спрашивается, какую работу нужно совершить, чтобы человек полностью преодолел панцирь тяготения? Расчёты Циолковского дают следующий результат: «Пусть сила тяжести не уменьшается с удалением тела от планеты. Пусть тело поднялось на высоту, равную радиусу планеты; тогда оно совершит работу, равную той, которая необходима для полного одоления силы тяжести планеты».

Движение ракеты по вертикали в поле силы тяжести земли требует выбора режима работы реактивного двигателя, так как очевидно, что при очень форсированном режиме работы будут очень большие перегрузки, обусловленные реактивной тягой, а при медленном сжигании топлива ракета может вообще не подняться, так как реактивная тяга может оказаться меньше собственного веса ракеты. Эта идея Циолковского послужила темой ряда работ советских учёных по определению оптимальных (наивыгоднейших) режимов движения ракет в поле силы тяготения.

Циолковский много занимался исследованием сил со-противления воздуха. Он первый в истории ракетной техники сделал оценки запасов горючего, нужных ракете для того, чтобы пробить слой земной атмосферы. Так как сила сопротивления воздуха препятствует увеличению скорости ракеты, то Циолковский назвал область действия сил со-противления воздуха — панцирем атмосферы.

Панцирь тяготения и панцирь атмосферы держат ракету вблизи земли. Преодолейте их и вы будете жителем космического пространства, вы можете направить вашу ракету к любой планете или астероиду. Циолковский сделал первые вычисления наивыгоднейшего угла подъёма реактивного аппарата, пробивающего слой воздуха переменной плотности, он же изучил условия взлёта ракет с различных планет и астероидов и решил задачу о необходимом запасе горючего для возвращения ракеты на землю.

В работах по ракетодинамике Циолковский впервые в истории науки определил коэффициент полезного действия ракеты и указал на выгодность реактивных двигателей при больших скоростях движения. Еще в первых своих работах он отмечает один случай, когда коэффициент полезного действия ракеты будет равен единице. Этот случай имеет место, если относительная скорость отброса частиц равна скорости полёта ракеты; легко сообразить, что «абсолютная» скорость частичек относительно земли будет в этом случае равна нулю. Так как скорости отброса в современных реактивных двигателях имеют величину от 1800 до 2200 м/сек, то становится ясным, что при больших скоростях полёта ракеты особенно выгодны.

Константин Эдуардович много занимался исследованием топлив для реактивных двигателей. Он формулировал основные требования к топливам, которыми до сих пор руководствуются и учёные и инженеры. Вот итог его изысканий, сформулированный в последние годы жизни *.

«Элементы взрывчатых веществ для реактивного движения должны обладать следующими свойствами:

1. На единицу своей массы при горении они должны выделять максимальную работу.

2. Должны при соединении давать газы или летучие жидкости, обращающиеся от нагревания в пары.

3. Должны при горении развивать возможно низкую температуру, чтобы не сжечь или не расплавить камеру сгорания.

4. Должны занимать небольшой объём, т. е. иметь возможно большую плотность.

5. Должны быть жидкими и легко смешиваться. Употребление же порошков сложно.

6. Они могут быть и газообразны, но иметь высокую критическую температуру и низкое критическое давление,

чтобы удобно было их употребить в сжиженном виде. Сжиженные газы вообще невыгодны своей низкой температурой, так как они поглощают тепло для своего нагревания. Потом употребление их сопряжено с потерями от испарения и опасностью взрыва. Не годятся также дорогие химически неустойчивые или трудно добываемые продукты».

Детальные исследования прямолинейных движений ракет и изучение скоростей отброса, получаемых различными топливами, убедили Циолковского, что достижение больших космических скоростей — очень трудная техническая проблема. Для того чтобы достигнуть космических скоростей при том уровне развития техники, Циолковский выдвинул в 1919 году новое оригинальное решение. Он предложил составные (многокамерные) ракеты или ракетные поезда и дал их подробную математическую теорию. «Под ракетным поездом,— пишет Циолковский ** — я подразумеваю соединение нескольких одинаковых реактивных приборов, двигающихся сначала по дороге, потом в воздухе, потом в пустоте вне атмосферы, наконец, где-нибудь между планетами или солнцами. Но только часть поезда уносится в небесное пространство, остальные части, не имея достаточной скорости, возвращаются на землю. Одиночной ракете, чтобы достигнуть космической скорости, надо давать большой запас горючего. Так, для достижения первой космической скорости, т. е. 8 км/сек, вес горючего должен быть, по крайней мере, в 4 раза больше веса ракеты со всем её остальным содержимым. Это затрудняет устройство реактивных приборов. Поезд же даёт возможность или достигать больших космических скоростей или ограничиться сравнительно небольшим запасом составных частей взрывания».

Идея составных или многокамерных ракет оказалась весьма плодотворной. Во время второй мировой войны составные ракеты конструировались и изготовлялись почти во всех странах и, несомненно, способствовали увеличению дальности полёта пороховых ракет.

Если относительную скорость отбрасывания частиц из сопла реактивного двигателя считать за единицу, тогда, по расчётам Циолковского, при относительном запасе топлива в каждой камере, равном Уз, получается следующая таблица:

Число камер

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Окончательная скорость последней камеры в долях относительной скорости отброса

1,386

1,856

2,118

2,325

2,491

2,622

2,735

2,835

2,925

3,005

 

Если относительную скорость отбрасывания довести до 3 км/сек, тогда поезда в 7—8 ракет вполне достаточно для получения космических скоростей и последняя ракета может обратиться в спутника земли.

Проблема расчёта и конструирования ракеты-спутника земли имеет весьма важное значение как принципиальный шаг развития ракетной техники. Этот шаг завершит развитие земных баллистических ракет (ракет-снарядов) и явится началом завоевания космического пространства. Поясним в нескольких словах основную идею этой большой научно-технической проблемы. Представим себе, для простоты и отчётливости суждений, что управляемая ракета-снаряд выпускается по экватору строго с востока на запад. Пусть в конце процесса горения (т. е. в конце активного участка траектории) скорость ракеты направлена как раз параллельно земной поверхности. Простые расчёты показывают, что если скорость ракеты в конце активного участка будет меньше 7.912 метров в секунду, то ракета, пролетев некоторое расстояние, упадёт на землю. При скорости ракеты в конце горения, равной 7.912 метров в секунду, ракета опишет полную окружность около земного шара и на землю не упадёт, превратившись в спутника земли (маленькую луну). Такая маленькая луна может служить исследовательской лабораторией, в которой можно изучать основные вопросы космических полётов. Следует отметить, что создание ракеты-спутника земли имеет также большое военное значение. Ракетам- снарядам, имеющим скорость около 7.912 метров в секунду, доступны любые районы земной поверхности и, следовательно, регулируя запас топлива, можно заставить ракету-спутника упасть там, где необходимо.

Наука капиталистических стран, особенно исследовательские институты США уделяют проблеме ракеты- спутника исключительное внимание. Империалисты и их верные слуги надеются при помощи таких ракет забрасывать атомными бомбами мирные города и сёла демократических стран. В наши дни наука стран капитализма в значительном масштабе поставлена на службу военным целям, на службу империалистической агрессии. Ученые, изобретатели и инженеры, поддерживающие капиталистические порядки, пытаются всякое новое открытие, всякое новое изобретение использовать как орудие нападения на свободолюбивые народы и для угнетения трудящихся своих собственных стран. Для этих господ ракета-спутник земли — еще одно новое тайное оружие против все возрастающего влияния коммунистических идей, против народов нашей великой страны. Только советская наука при разработке современных актуальных проблем ракетной техники руководствуется интересами трудящихся, интересами всего нашего народа, направляя научно-технические достижения на службу социалистическому государству. Советские учёные, изобретатели, инженеры стремятся покорить природу, познать законы природы для удовлетворения потребностей строителей нового, коммунистического общества. Сила советской науки состоит в том, что она руководствуется передовой теорией марксизма- ленинизма. Прогрессивная советская наука борется с рутиной и косностью, смело ломая старые, отживающие традиции и нормы, широко привлекая молодые научные силы. Наука освещает нам пути построения коммунизма.

К. Э. Циолковский первый в истории науки и техники подчеркнул важнейшее значение проблемы ракеты-спутника земли и указал, что даёт людям решение этой проблемы для развития ракетной техники.

Рис. 19 Схема винтового воздушно-реактивного двигателя К. Э. Циолковского

В последние годы своей жизни К. Э. Циолковский много работал над созданием теории реактивных самолётов. В его статье «Реактивный аэроплан» (1930 г.) подробно выясняются преимущества и недостатки реактивного самолёта по сравнению с самолётом, снабжённым воздушным винтом. Указывая на большие секундные расходы горючего в реактивных двигателях, как на один из самых существенных недостатков, Циолковский пишет: «...наш реактивный аэроплан убыточнее обыкновенного в 5 раз. Но вот он летит вдвое скорее там, где плотность атмосферы в 4 раза меньше. Тут он будет убыточнее только в 2раза. Еще выше, где воздух в 25 раз реже, он летит в 5 раз скорее и уже использует энергию так же успешно, как винтовой самолёт. На высоте, где среда в 100 раз реже, его скорость в 10 раз больше, и он будет выгоднее обыкновенного аэроплана в 2 раза». Эту статью Циолковский заканчивает замечательными словами, показывающими глубокое понимание законов техники. «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных, или аэропланов стратосферы». Следует отметить, что эти строки написаны за 10 лет до того, как первый реактивный самолёт, построенный в Советском Союзе, поднялся в воздух.

В статьях «Ракетоплан» и «Стратоплан полуреактивный» Циолковский даёт теорию движения аэроплана с жидкостным реактивным двигателем и подробно развивает идею турбокомпрессорного винтового реактивного самолёта. В своё время (1940—1941 гг.) особенно много писалось о выдающихся технических новшествах реактивного самолёта итальянской фирмы Капрони. Стоит сравнить идеи Циолковского, развитые в работе о полуреактивном стратоплане, и конструкцию самолёта Кампини — Капрони, чтобы понять источник оригинальности итальянского реактивного самолёта.

Примечания

* См. статью Циолковского „Топливо для ракеты", опубликованную в „Трудах O ракетной технике Оборонгиз, 1947 г., стр. 327.

** К. Э. Циолковский, Труды но ракетной технике, Оборонгиз, 1947 г., стр. 216 — 217.