Михаил Васильев - Путешествия в космос

В этом великая заслуга двух русских ученых.

Кибальчич умер 27 лет. Циолковский прожил большую жизнь. Ему выпало счастье творить и после Великой Октябрьской революции. Он успел разработать теорию полета ракеты, дал математический анализ ее движения, указал на целый ряд важнейших моментов в решении общей задачи — овладения космическим пространством. В продолжение всей своей жизни не оставлял он работ в любимой области. Из скромного учителя физики города Калуги он стал всемирно известным деятелем науки.

Еще в 1903 году Циолковский предложил использовать для целей космического полета не примитивную пороховую ракету, а жидкостный реактивный двигатель. Вот описание этого двигателя, данное изобретателем.

«Представим себе такой снаряд: металлическая продолговатая камера… Камера имеет большой запас веществ, которые при своем смешении тотчас же образуют взрывчатую массу. Вещества эти, правильно и довольно равномерно взрываясь в определенном для того месте, текут в виде горячих газов по расширяющимся к концу трубам вроде рупора или духового музыкального инструмента… В одном узком конце трубы совершается смешение взрывчатых веществ: тут получаются сгущенные и пламенные газы. В другом расширенном ее конце они, сильно разредившись и охладившись от этого, вырываются наружу через раструбы с громадной относительной скоростью. Понятно, что такой снаряд, как и ракета, при известных условиях, будет подниматься в высоту».

Почему же Циолковский в своем проекте отказался от твердого топлива для ракеты и перешел на жидкое? Потому, что твердое топливо, все известные нам взрывчатые вещества, даже самые сильные, выделяют на килограмм веса значительно меньше энергии, чем обыкновенное жидкое горючее. Так, килограмм сильнейшего известного в настоящее время взрывчатого вещества — нитроглицерина выделяет при взрыве всего 1480 килокалорий тепла. А килограмм обыкновенного керосина (без учета веса участвующего в реакции кислорода) выделяет при полном сгорании больше 10 тыс. больших калорий. Разница только в том, что из горючего вещества энергия выделяется постепенно, по мере его сгорания, при взрыве же нитроглицерина энергия освобождается практически мгновенно. Но ведь в ракете такого мгновенного освобождения как раз и не надо. Циолковский подчеркивал, что горючее в его ракете взрывается «правильно и довольно равномерно».

Правда, сравнение, которое мы сейчас привели, не является безукоризненным. Нитроглицерин, взрываясь, не требует для этого участия кислорода воздуха, в реакции же горения керосина обязательно должен участвовать кислород. Но и смесь соответствующих доз керосина и кислорода (керосин в данном случае является горючим, кислород — окислителем, а вся смесь называется обычно топливом) на каждый килограмм сможет выделить 2200 калорий — в полтора раза больше, чем килограмм нитроглицерина.

Конечно, Циолковский не предполагал сжигать в своей ракете сырую нефть. Отделения для горючего в ракете он предполагал заполнить сжиженными водородом и кислородом. Соединенные в известной пропорции, они образуют гремучий газ — самое сильное, самое калорийное, самое теплотворное из известных Циолковскому видов топлива. Ведь при горении водорода в кислороде на каждый килограмм сгоревшего топлива выделяется свыше 3000 калорий.

Ну что ж? Раз основной принцип определен, двигатель, способный работать в космическом пространстве, найден, принципиальный чертеж космического корабля существует, почему же до сих пор не осуществлена его практическая работоспособная конструкция?

Детская игрушка — жестяной пропеллер, взлетающий с раскручиваемой катушки — вот первый предшественник современного самолета.

Увеселительная пороховая ракета — предшественник двигателей будущих космических кораблей.

Циолковский вывел основную формулу движения ракеты. Анализ этой формулы показывает, что ракета в космическом пространстве может развить поистине беспредельную скорость. Но для этого она должна израсходовать очень много горючего.

Попробуем разобраться в этом вопросе подробнее.

Вот с космодрома взлетает наш космический корабль. Он огромен и тяжел. С ревом и грохотом вырываются из его кормовых дюз толстые столбы пламени — раскаленных газов, движущихся в сотни раз быстрее урагана. На этих столбах, словно на ходулях, поднимается он над космодромом, все ускоряя свое движение. Вот уже ходули оторвались от Земли, он уже стремительно летит в небо, оставляя за собой огненный след. Через несколько минут он достигнет границы атмосферы, затем разовьет параболическую скорость и тут будет выключен двигатель. Большую часть дальнейшего пути до соседней планеты космический корабль совершит фактически по инерции, хотя на него будут действовать силы притяжения Земли, Солнца и планет.

Совершенно очевидно, что в момент отрыва от Земли корабль весил значительно больше, чем к концу работы реактивных двигателей. Ведь за это время сгорело огромное количество топлива, освобожденная энергия которого и разогнала корабль до космической скорости. Математик назвал бы наш космический корабль «телом переменной массы».

Конечная скорость корабля зависит от массы сгоревшего топлива и скорости истечения газов горения из сопла.

Чем больше скорость вытекающих газов, тем большую скорость разовьет ракета при том же самом количестве сгоревшего топлива.

Теоретически при использовании в качестве горючих сжиженных водорода и кислорода можно было бы получить скорость истечения в 3650 метров в секунду. Но практически в настоящее время на используемых топливах достигнуты скорости в 2000–2500 метров в секунду. Вероятно, путем напряженной работы, используя более калорийные топлива, которые смогут представить нам химики, мы сможем поднять эту скорость до 3500–4000 метров в секунду.

В решении этой задачи придется принять участие ученым разных специальностей. Химикам надо будет выбрать горючее, найти способы его рационального сжигания, теплотехникам — разработать форму камеры сгорания и выхлопного сопла, металлургам — найти жаропрочные и жаростойкие сплавы, отсутствие которых очень тормозит в настоящее время работы по повышению скорости вылетающей струи газов, конструкторам надо будет разработать эффективные системы охлаждения деталей двигателя.

Кроме скорости истечения и массы сгоревшего топлива, конечная скорость ракеты, взлетающей с Земли, зависит от интенсивности сжигания этого топлива, от того, в течение какого времени работал реактивный двигатель. Легко представить себе, что всю массу топлива можно сжечь не спеша, понемногу, газы горения с расчетной скоростью тоненькой струйкой будут вылетать из сопла, а космический корабль как стоял, так и останется стоять на Земле. Усилие, развиваемое при такой работе двигателя, недостаточно для того, чтобы преодолеть силу тяжести.