Третья большая комплексная проблема, которой плодотворно занимался К. Э. Циолковский, была проблема реактивного движения. Долгое время Циолковский, как и его современники, не придавал большого значения ракетам. Он писал в 1926 году: «Долго на ракету я смотрел, как и все: с точки зрения увеселений и маленьких применений. Не помню хорошо, как мне пришло в голову сделать вычисления, относящиеся к ракете. Мне кажется, первые семена мысли были заронены известным фантазёром Жюль Верном; он пробудил работу моего мозга в известном направлении. Явились желания; за желаниями возникла деятельность ума... Старый листок с окончательными формулами, относящимися к реактивному прибору, помечен датой 25 августа 1898 года». «Никогда я не претендовал на полное решение вопроса. Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчёт. И уже в конце концов исполнение венчает мысль. Мои работы о космических путешествиях относятся к средней фазе творчества. Более чем кто-нибудь, я понимаю бездну, разделяющую идею от её осуществления, так как в течение моей жизни я не только мыслил и вычислял, но и исполнял, работая также руками. Однако нельзя не быть идее: исполнению предшествует мысль, точному расчёту — фантазия.»
В 1903 году в журнале «Научное обозрение» появилась первая статья Константина Эдуардовича по ракетной технике, которая называлась: «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этом труде на основании простейших законов теоретической механики была дана теория полёта ракеты и обоснована возможность применения реактивных аппаратов для межпланетных сообщений.
Идея применения ракеты для решения научных проблем, использование реактивного принципа для создания движения межпланетных кораблей целиком принадлежат Циолковскому. Он — родоначальник современных жидкостных ракет дальнего действия, один из создателей новой главы теоретической механики.
Классическая механика, изучающая законы движения и равновесия материальных тел, базируется на трёх аксиомах движения, отчётливо и строго сформулированных Ньютоном еще в 1687 году. Эти аксиомы применялись многими исследователями для изучения движения тел, вес (масса) которых не изменялся во время движения. Были рассмотрены очень важные случаи движения, и создалась большая наука — механика тел постоянной массы. Аксиомы механики тел постоянной массы или законы движения Ньютона явились обобщением всего предыдущего развития механики. В настоящее время основные законы механического движения излагаются во всех учебниках физики для средней школы. Мы дадим здесь некоторые пояснения к законам движения Ньютона, так как последующий шаг в науке, позволивший изучать движение ракет, был естественным обобщением аксиом классической механики. Первый закон Ньютона, в частных случаях известный еще Галилею, формулируется следующим образом: всякое материальное тело продолжает пребывать в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние.
Этот закон часто называется законом инерции, и он выражает одно из существенных свойств материальных тел. Суть закона инерции состоит в том, что механическое движение не может возникнуть из ничего, а только под влиянием взаимодействия с другими телами. Изолированное от влияния других тел всякое материальное тело или находится в покое или движется прямолинейно и равномерно, ^охраняя своё движение. Взаимодействия тел друг с другом, передача движения от одного тела к другому суть причины изменения покоя или равномерного и прямолинейного движения. Движение тела не может исчезнуть и превратиться в ничто, а может быть или передано другому материальному телу как механическое движение или может превратиться в другие формы движения (например в тепло). Если m — масса тела, a v — его скорость, то произведение (m-v) называют количеством движения тела. Для изолированного тела его количество движения остаётся постоянным. Изменение количества движения может произойти только под влиянием других тел или, как говорят в механике, под действием сил. Стремление тела сохранить своё количество движения проявляется на опыте в том, что при встрече движущегося тела с препятствием оно производит тем большее
давление, чем больше его скорость и чем больше его масса.
Второй закон Ньютона устанавливает меру механического взаимодействия между телами и формулируется так: изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.
Если должным образом выбрать единицы массы, скорости и времени, то второй закон можно высказать еще в следующем виде: масса тела, умноженная на его ускорение, равняется движущей силе. Направление ускорения совпадает с направлением движущей силы.
Таким образом, величину механических взаимодействий между телами мы можем измерять по изменению количества движения, а для тел постоянной массы по ускорению движущегося тела. Из второго закона 'Ньютона следует, что одна и та же сила сообщает телам с разными массами (разными весами) разные ускорения. Разные силы сообщают какому-либо выбранному телу ускорения, пропорциональные силам. В современной теоретической механике второй закон Ньютона является той основой, на которой базируются все математические расчёты. Однако следует указать, что второй закон Ньютона справедлив только для тел, масса которых сохраняется постоянной во всё время движения. Следовательно, вторым законом Ньютона можно, например, воспользоваться для изучения движения артиллерийского снаряда, но нельзя изучать движение реактивного снаряда. Для тел постоянной массы законы Ньютона и выводы из них подтверждаются всей общественно-производственной практикой человечества, за исключением специальных областей техники, охватываемых механикой относительности.
Третий закон Ньютона имеет весьма большое значение в теории движения ракет, и его можно высказать в следующей форме: действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе говоря — взаимные действия тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.
В самом деле, если какое-нибудь тело давит на что- либо другое или тянет его, то оно само этим последним давится или тянется. Если кто нажимает пальцем на камень, то и палец его также нажимается камнем. Если какое-либо тело, ударившись о другое тело, изменяет его количество движения на сколько-нибудь, то и оно претерпит от второго тела в своём собственном количестве движения то же самое изменение, но обратно направленное, ибо давления этих тел друг на друга постоянно равны. Следует отметить, что действие и противодействие приложены к разным телам и поэтому не представляют уравновешенной системы сил. По этой причине как действие, так и противодействие могут вызвать движение тел, к которым они приложены. Возьмём, например, камень, находящийся под действием силы притяжения земли, сила противодействия будет в данном случае приложена к земле. Действие вызывает движение камня, противодействие — движение земли. Так как масса камня ничтожно мала по сравнению с массой земли, то смещения земли не могут быть обнаружены современными приборами; перемещения камня видны простым, невооружённым глазом. Противодействие — на латинском языке реакция, поэтому одну из сил, возникающую в результате взаимодействия соприкасающихся тел, часто называют реактивной силой. Например, весло действует на воду, сообщая ей движение, а частицы воды дают реактивные силы давления на весло и тем способствуют движению лодки. Хотя законы Ньютона необходимы для создания теории реактивного движения, но создать такую теорию Ньютону не удалось.
Если мы будем рассматривать движение простейшей ракеты, то легко понять, что её вес изменяется, так как часть массы ракеты сгорает с течением времени. Ракета представляет собой тело переменной массы. Теория движения тел переменной массы создана в конце 19-го века у нас в России.
Основоположником этой новой научной дисциплины, создателем теоретических принципов, на которых зиждется ракетная техника, вдохновенным её пропагандистом был знаменитый русский учёный, изобретатель и мыслитель К. Э. Циолковский.
Изучение движения реактивных аппаратов представляет большие трудности, так как во время движения вес любого реактивного аппарата значительно изменяется. Изменение веса ракеты в процессе движения не позволяет использовать непосредственно те формулы и выводы, которые получены в классической механике, являющейся теоретической базой расчётов движения тел, вес которых постоянен во время движения.
Известно также, что в тех задачах техники, где приходилось иметь дело с движением тел переменного веса (например у самолётов с большими запасами горючего), всегда предполагалось, что траекторию движения можно разделить на участки и считать на каждом отдельном участке вес движущегося тела постоянным. Изучение движения ракет, как тел переменного веса, было поставлено на твёрдую научную почву К. Э. Циолковским. Мы называем теперь теорию полёта ракет ракетодинамикой. Циолковский является основоположником современной ракетодинамики.
В 1947 г. вышла в свет книга К. Э. Циолковского «Труды по ракетной технике». Она является собранием всех наиболее важных и ценных работ по ракетодинамике, написанных К. Э. Циолковским в период с 1903 г. по 1935 г. В книгу вошли статьи и монографии Константина Эдуардовича: «Ракета в космическое пространство» (1903 г.), «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (1911, 1914 и 1926 гг.), «Космический корабль» (1924 г.), «Космическая ракета» (1927 г.), «Космические ракетные поезда» (1929 г.), «Реактивный двигатель» (1929 г.), «Новый аэроплан» (1929 г.), «Реактивный аэроплан» (1930 г.), «Ракетоплан» (1930 г.), «Стратоплан полуреактивный» (1932 г.) и ряд других статей, опубликованных ранее в различных научно-технических журналах или заимствованных из архива учёного. Труды К. Э. Циолковского по ракетной технике позволяют установить последовательное развитие идей ракетодинамики и оценить научно-технические достижения Циолковского в этой новой области человеческого знания. Собрание работ Циолковского позволяет составить ясное представление об уровне развития ракетодинамики в нашей стране до 1935 года.
Каковы основные законы, управляющие движением тел переменной массы? Как рассчитывать полёт реактивного аппарата? Какова дальность полёта ракеты, выпущенной под углом к горизонту? Как выбраться на реактивном приборе за пределы атмосферы — пробить «панцирь» атмосферы? Как выбраться за пределы протяжения земли — пробить «панцирь» тяготения? Вот некоторые из вопросов, рассмотренных и решённых Циолковским.
С нашей точки зрения, самой драгоценной идеей Циолковского в теории ракет является приобщение 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 та задача, которую ставил перед собой гениальный Циолковский. Весь талант исследователя, вся оригинальность, творческая самобытность и необычайный взлёт фантазии с особой силой и продуктивностью выявились в его работах по реактивному движению. Он на десятилетия вперёд 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 одну весьма глубокую мысль о простейших применениях ракет, которые были известны людям достаточно 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» *.
Среди великих технических и научных достижений 20-го столетия одно из первых мест, несомненно, принадлежит реактивным двигателям. Годы второй мировой войны привели к необычайно быстрому прогрессу техники реактивных аппаратов. В ряде стран были организованы большие научно-исследовательские институты, конструкторские бюро и серийные заводы, работающие над созданием реактивного вооружения. На полях сражений появились реактивные миномёты, самолёты с реактивными двигателями, реактивные снаряды. Ракетная техника становится сейчас очень важной отраслью промышленности. Изучение реактивных движений — одна из актуальнейших великих проблем современного технического прогресса.
Какие же причины заставляют в авиации отходить от привычных бензиновых двигателей к реактивным? Почему военных специалистов в некоторых случаях перестали удовлетворять нарезные орудия, стреляющие с большой точностью и значительной дальностью? Чем нехороши современные скоростные истребители с пропеллером и почему для получения очень больших скоростей полёта мотор внутреннего сгорания с пропеллером становится неэкономичным и плохим движителем? На все эти вопросы можно получить ответ, если внимательно проследить за совершенствованием реактивных аппаратов, имеющих весьма поучительную историю развития.
Рис. 10. Схема жидкостного реактивного двигателя (ЖРД):
А — камера сгорании; В — струя продуктов сгорания; С— направление реактивной силы
Поясним несколькими примерами основной принцип полёта ракеты и работы реактивного двигателя. В простейшем случае ракета представляет собой трубку, запаянную с одного конца и заполненную спрессованным порохом. Если поджечь порох, то продукты горения, нагретые газы, будут с большой скоростью выбрасываться через открытый конец трубки. Возникает отдача, которая и является реактивной силой, заставляющей трубку двигаться в сторону, противоположную направлению струи нагретого газа, выбрасываемого из трубки. Чем больше (по весу) газов выбрасывается из трубки и чем больше их скорость, тем больше и реактивная сила. Для выявления реактивной силы и движения, которое она вызывает, можно устроить очень простой-опыт.
Встаньте спокойно на платформу весов. Пусть уравновешивающие вес гири равны 60 кг. Попробуйте оттолкнуться ногами от платформы и подпрыгнуть вверх и вы увидите, что в момент прыжка стрелка весов покажет значительно больше, чем 60 кг. Увеличение веса в момент отталкивания является проявлением реактивной силы. Для наглядности представлений о работе ракеты частицы нагретых газов, вылетающие из трубки, можно рассматривать, как маленькие, выпрыгивающие из неё живые существа, которые отталкиваются от корпуса ракеты (как человек от платформы весов) и тем самым создают её движение.
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 помещён 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 скорости выходящих из трубки горячих газов будут значительно больше, чем входящих, и трубка получит тягу в сторону, противоположную струе выбрасываемых из неё газов. Делая поперечное сечение трубки (радиус трубки) переменным, можно соответствующим подбором этих сечений по отношению к 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 пуске такого двигателя.
Простейшая схема воздушно-реактивного двигателя была предложена еще в 1887 году русским инженером Гешвендом. Идея использования воздушно-реактивного двигателя для современных типов самолётов была с большой тщательностью и математической строгостью самостоятельно разработана К. Э. Циолковским. Он дал первые в мире расчёты самолёта с воздушно-реактивным двигателем и турбокомпрессорным винтовым двигателем.
Энергия движения воздушно-реактивного двигателя получается за счёт сжигания горючего, так же как и в простой ракете. Таким образом, источником движения любого реактивного аппарата является запасённая 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.
<- Направление движения и реактивной силы
Рис. 11. Схема воздушного реактивного двигателя (ВРД):
А — входное отверстие для воздуха; В — вентилятор (или турбина); С — камера сгорания, Д —сопло двигателя. Скорость втекающего воздуха V1, меньше скорости отбрасываемых продуктов сгорания V2
Направленная соответствующим образом струя выбрасываемых частиц — основное в конструкциях всех реактивных аппаратов. Методы получения мощных потоков извергающихся частиц очень разнообразны. Проблема получения потоков частиц простейшим и наиболее экономичным способом, разработка методов регулирования таких потоков — благодарная задача изобретателей и конструкторов.
Принцип реактивного движения был известен очень давно. Еще при завоевании Индии англичанам пришлось встретиться с отрядами обученных воинов-ракетчиков. Индийская ракета представляла собой стрелу с прикреплённой к ней бамбуковой трубкой. В трубке находилось горючее вещество. Воины-индусы поднимали стрелы-ракеты над головой, поджигали горючее и бросали их на неприятеля. Реактивная сила, возникающая от выбрасывания горящих газов из бамбуковой трубки, позволяла значительно увеличить дальность полёта стрелы. «Эффект применения таких огненных стрел был потрясающим»,— пишет английский генерал Конгрев, участник этого военного похода.
Ракеты, как боевое оружие, появились в Европе только в 19-м столетии, и работа над ними велась почти одновременно во всех странах континента. После Севастопольской обороны 1854—1855 гг., когда начали сказываться плодотворные результаты исследовательской, инженерной и организаторской работы К. И. Константинова (1818—1871), прогресс ракетной техники обязан главным образом России. Производство боевых пороховых ракет было сосредоточено в России в Петербургском ракетном заведении. Этим заведением Константинов начал руководить в 1847 году. Константинов заново разработал техно-логию производства пороховых реактивных снарядов, провёл большое число опытных стрельб, исследуя вопросы устойчивости и кучности. Константинов первый в мире разработал конструкции специальных машин для изготовления и набивки ракетных порохов; он первый применил баллистический маятник для измерения реактивной силы. В книге «О боевых ракетах» Константинов писал: «Ракетный маятник доставил нам многие указания, относящиеся до влияния соразмерности составных частей ракетного состава, внутренних размеров ракетной пустоты, числа и размеров очков на порождение движущей силы и образа её действия». Константинов читал лекции по боевым ракетам в Михайловской артиллерийской академии, но его основной труд «О боевых ракетах» из-за низкопоклонства перед Западом правящей верхушки царской России был издан во Франции в 1861 году, а в России только в 1864 году. Большое число научных статей Константинова было опубликовано в Артиллерийском журнале. Константинов был идейным руководителем школы ракетчиков, создавшей в России первоклассные методы производства боевых пороховых ракет и разработавшей основы экспериментальной ракетодинамики. Именно по этим причинам русские боевые пороховые ракеты были лучшими в мире.
Этот период развития ракетной техники был тесно связан с разработкой и созданием образцов вооружения и в научном отношении был периодом накопления технического опыта, периодом наблюдений и качественной систематизации опытного материала. Весь комплекс вопросов, связанный с созданием новых образцов реактивных снарядов, решался на полигоне и ракетном заведении. Россия стояла во главе прогресса ракетной техники потому, что благодаря проницательности К. И. Константинова в качестве существенного элемента развития был введён научно-поставленный опыт, анализирующий отдельные параметры порохового реактивного снаряда. Однако большой материал, собранный в Петербургском ракетном заведении, не получил широких научных обобщений, теории полёта ракет Константинову создать не удалось.
Изобретение и усовершенствование в середине 19-го века нарезных артиллерийских орудий, стреляющих продолговатыми вращающимися снарядами, явилось сильным тормозом для дальнейшего развития реактивной артиллерии. Новые артиллерийские орудия, разработанные и сконструированные знаменитым русским ученым-артиллеристом генералом Н. В. Маневским (1823—1892), показали превосходные боевые качества: большую дальность стрельбы, великолепную точность попаданий и значительную скорострельность. Нарезные орудия, заряжаемые с казенной части, вытеснили реактивные, и на долгие годы — до второй мировой войны — реактивная артиллерия была забыта.
Циолковский возродил научно-технические изыскания по ракетной технике в России и разработал большое число оригинальных конструкций ракет. Он же разработал и основы теории полёта ракет. Первый тип ракеты был описан в работе К. Э. Циолковского, опубликованной в майском номере журнала «Научное обозрение» в 1903 году (рис. 14). Ракета представляет собой металлическую продолговатую камеру, очень похожую по форме на аэростаты заграждения или большой рыбий пузырь. Изолированная часть камеры снабжена кислородом, поглотителями углекислоты, миазмов и предназначена не только для хранения разных физических приборов, но и для человека, управляющего ракетой. Камера имеет большой запас веществ, которые при своём смешении образуют взрывчатую массу. Вещества эти, правильно и довольно равномерно взрываясь в определённом месте, текут в виде горячих газов по расширяющимся к концу трубам вроде рупора или духового музыкального инструмента. Весь запас взрывчатого вещества расходуется в течение 10 минут. На рис. 14 показаны положения
Рис. 14. Ракета Циолковского—проект 1903 года (с прямой дюзой)
жидких газов: водорода и кислорода. Место их смешения — узкая часть трубы. На рис. 16 взрывная камера обозначена буквой В. Здесь газы взрываются (быстро сгорают), и продукты горения вылетают по трубе с громадной относительной скоростью (несколько километров в секунду).
Для того чтобы ракета при полёте не вращалась, сила реакции должна проходить через центр инерции ракеты. Для восстановления случайно нарушенного относительного равновесия можно или перемещать какую-нибудь массу внутри ракеты или воспользоваться рулями, помещёнными в потоке извергающихся газов. Для придания ракете устойчивости можно применить и другие автоматические приспособления.
В работах Циолковского 1911, 1914 и 1926 гг. даны более детальные описания жидкостных ракет, представляющих развитие основной идеи, выдвинутой в 1903 году. Схемы этих ракет даны на рис. 15, 16 и 17.
Рис. 15. Ракета Циолковского — проект 1914 года (с кривой дюзой)
Рис. 16. Ракета Циолковского — проект 1915 года
Для достижения космических скоростей движения снаряда изобретатель выдвинул идею составных ракет. Вот краткое описание составной пассажирской ракеты 2017 года: «Ракета состояла из двадцати простых ракет, причём каждая простая заключала в себе запас взрывчатых веществ, взрывную камеру с самодействующим инжектором, взрывную трубу и прочее. Одно среднее (двадцать первое) отделение не имело реактивного прибора и служило кают-компанией; оно имело двадцать метров длины и четыре метра в диаметре. Длина всей ракеты 100 метров, диаметр 4 метра. Форма её походила на гигантское веретено... Взрывные трубы были завиты спиралью и постепенно расширялись к выходному отверстию. Извивы одних были расположены поперёк длины ракеты, другие вдоль. Газы, вращаясь во время взрыва в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, придавали огромную устойчивость ракете» **.
Наружная оболочка ракеты состояла из трёх слоёв. Внутренний слой — прочный металлический, с окнами из кварца, прикрытыми еще слоем обыкновенного стекла, с дверями, герметически закрывающимися. Второй — тугоплавкий, но почти не проводящий тепла. Третий — наружный — представлял очень тугоплавкую, но довольно тонкую металлическую оболочку. Во время стремительного движения ракеты в атмосфере наружная оболочка накалялась добела, но теплота эта излучалась в пространство, не проникая сильно через другие оболочки внутрь. Этому ещё мешал холодный газ, непрерывно циркулирующий между двумя крайними оболочками, проницая рыхлую, малотеплопроводную среднюю прокладку.
В ракете Циолковский предусматривал камеры с жидкостями для погружения в них путешествующих во время усиления относительной тяжести (т. е. при большой перегрузке). Эта идея Циолковского о предохранении слабых вещей и организмов от ударов, толчков и усиленной тяжести (большой перегрузки) посредством погружения их в жидкость равной им плотности была подробно разработана Циолковским еще в 1891 году. Вот краткое описание простого опыта, убеждающего нас в правильности этой идеи: «Возьмём нежную восковую фигуру, которая едва выдерживает свой собственный вес. Нальём в крепкий сосуд жидкость такой же плотности, как воск, и погрузим в эту жидкость фигуру. Теперь, посредством центробежной машины, усилим тяжесть сосуда и его содержимого в 1000 раз. Сосуд, если недостаточно крепок, может разрушиться, но фигура никогда... Природа давно пользуется этим приёмом, — пишет Циолковский, — погружая зародыши животных, их мозги и другие слабые части в жидкость. Так она предохраняет их от всяких повреждений. Человек же пока мало использовал эту мысль».
Объем ракеты Циолковского для космических путешествий составлял около 800 кубических метров. Менее трети этого объёма (240 тонн) было занято горючим и окислителем. Запас горючего был рассчитан так, чтобы можно было 50 раз придать ракете скорость, достаточную для удаления снаряда из солнечной системы, и вновь 50 раз потерять её. Вес корпуса ракеты равнялся 40 тоннам. Запасы, инструменты, оранжерея составляли 30 тонн.
Примечания
* К. Э. Циолковский, „Труды по ракетной технике". Оборонгиз, 1647 г., стр. 60.
** К. Э. Циолковский, Вне земли, 1920 г., Калуга.