Циолковский. Жизнь и технические идеи

Механика ракетного полета

«Долго на ракету я смотрел, как все: с точки зрения увеселений и маленьких применений», — сознается Циолковский. Привычность ракеты, ее декоративное применение для украшения вечерних гуляний в садах и парках являются, вероятно, причиной того, что над этой старинной игрушкой никто глубоко не задумывался. На вопрос: почему зажженная ракета взлетает вверх? — у большинства готов ответ: ракета летит потому, что отталкивается от воздуха струей вырывающихся из нее пороховых газов. Мало кому известно, что это старинное объяснение, которое уподобляет летящую ракету рыбе, отталкивающейся от воды своим хвостом, совершенно неправильно. Ракета при полете в воздухе вовсе не опирается об этот воздух; она взлетела бы и в безвоздушном пространстве. Это знал еще Кибальчич, но не знает огромное большинство людей, даже знакомых с физикой. Опыты, произведенные в 1918 г. американским ученым проф. Годдардом, доказали, что в пустоте зажженная ракета должна развить даже бòльшую скорость, нежели в воздухе, который своим сопротивлением замедляет всякое быстрое движение. (Не приходится опасаться, что заряд ракеты в пустоте вообще гореть не будет: порох заключает кислород в своем составе и не нуждается для горения в притоке кислорода извне.)

Но обратимся к устройству пороховой ракеты.

Слово «ракета» — итальянское и означает «трубка»; ракета — трубка, набитая порохом. В картонную трубку плотно набивают порох так, что при поджигании с одного конца, масса заряда не загорается вся сразу, а горит постепенно. С одного конца трубка закрыта, с другого оставляется открытой; здесь делается лишь сужение просвета трубки. Против отверстия трубки вдавливается в плотной массе пороха продольная полость, так называемое «пролетное пространство». Ракету зажигают с помощью шнура, введенного через отверстие. Пороховая масса загорается, и ракета стремительно летит закрытым концом вперед.

Почему? Истинная причина взлета зажженной ракеты такова: в трубке ее скопляются при горении пороха газообразные продукты сгорания. Сжатые с тесном объеме, они давят во все стороны — в бока, вверх, вниз. Боковые давления не могут двигать ракеты; они взаимно уравновешиваются, но напор вверх не уравновешивается напором вниз, так как стенка имеет внизу отверстие; напор на нее, следовательно, меньше (часть газов свободно вырывается наружу). Давление вверх превозмогает, и избыток напора увлекает ракету в сторону закрытого конца.

Отсюда ясно, что ракета движется напором не того газа, который из нее вытекает, и не того, который находится под ней, а того газа, который заключается внутри ее самой. Вот почему ракета способна к управляемому полету за пределами атмосферы, и вот почему на ракетные аппараты возлагается задача завоевания безвоздушного мирового пространства.

Аэроплан, дирижабль так или иначе опираются о воздух; вне атмосферы они не только не могут управляться, но даже держаться. Ракетный корабль, т. е. огромная ракета с каютой для людей, — единственный аппарат, который сможет, управляясь, двигаться в безвоздушном пространстве.

У ракеты есть и еще одна важная особенность, также имеющая решающее значение в рассматриваемой проблеме. Вынестись за границы атмосферы мог бы со временем, пожалуй, и пушечный снаряд; родоначальник научной фантастики, Жюль Верн, произведения которого и послужили толчком для Циолковского[19], мечтал о полете на Луну внутри снаряда исполинской пушки. Но если бы пушка и могла когда-нибудь закинуть снаряд на Луну, в нем не уцелели бы люди; они неминуемо погибли бы в момент выстрела, так как человеческий организм не может перенести подобного сотрясения. Человеку внутри снаряда, — это сознавал еще и Жюль Верн, — грозит при выстреле совершенно такая же опасность, как если бы он находился у жерла пушки, направленной в него в упор. Резкий переход от состояния покоя к быстрому движению (а для вылета в мировое пространство нужна огромная скорость) есть лишь иное обозначение того, что мы называем сотрясением.

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: