Циолковский. Жизнь и технические идеи

Схема ракет Циолковского — земной и космической — до разъединения (вверху) и в момент разъединения.

Земная ракета под действием своего реактивного двигателя скользит без колес по обильно смазанным рельсам. Потеря энергии на трение (ослабленное смазкой) при весьма больших скоростях заметно уменьшается. Сопротивление воздуха доводится до минимальной величины приданием ракете удобообтекаемой удлиненной формы. Для ракеты, длина которой раз в 30 превышает ширину, потеря на воздушное сопротивление будет составлять, по мнению Циолковского, всего несколько процентов энергии ее движения.

Итак, открытая спереди земная ракета, с вложенной в нее ракетой космической, быстро движется по подготовленной дороге. Наступает момент, когда надо освободить космическую ракету и пустить ее в мировое пространство. Как это сделать? Надо затормозить движение земной ракеты, тогда космическая выскользнет из нее по инерции и, при одновременном пуске реактивного двигателя, начнет самостоятельно двигаться с возрастающей скоростью. Торможение же земной ракеты достигается просто тем, что конечный участок рельсового пути оставляют несмазанным: возросшее трение замедлит, а под конец и вовсе прекратит движение земной ракеты; способ этот не требует никакого расхода энергии. Еще лучший способ торможения состоит в том, что из корпуса земной ракеты выдвигаются поперечные планы: сопротивление воздуха при значительной скорости вследствие этого резко увеличивается, и ракета скоро остановится.

В качестве топлива для ракеты Циолковский считал возможным употребить бензин или нефть — вещества сравнительно недорогие, дающие газообразные продукты горения, которые вырываются из сопла с довольно значительной скоростью. Необходимый для горения (и дыхания) кислород берется в сжиженном виде[27]. Предпочтение, оказываемое жидкостям перед сильно сжатыми газами, вполне понятно. Сжатые газы необходимо было бы хранить в герметических толстостенных резервуарах, масса которых во много раз превышает массу их содержимого; запасать кислород в таком виде значило бы обременять ракету мертвым грузом. Сжиженный же газ оказывает на стенки сосуда сравнительно ничтожное давление (если хранить его, как обычно и делают, в открытом резервуаре). Низкая температура жидкого кислорода, около минус 180° Ц, может быть использована для охлаждения накаляющихся частей взрывной трубы.

Одна из ответственных частей ракеты — взрывная труба, или «сопло». В космической ракете Циолковского она должна иметь около 10 метров в длину. Горючие жидкости накачиваются в ее узкую часть мотором аэропланного типа. Температура в начале трубы доходит до 3000° Ц, но постепенно падает, по мере приближения к открытому концу.

Может показаться странным, что космическая ракета, предназначенная для движения в пустоте мирового пространства, будет снабжена рулями: горизонтальным рулем высоты, отвесным рулем направления и рулем боковой устойчивости. Но не следует упускать из виду, во-первых, того, что ракете при спуске на Землю придется планировать в атмосфере подобно аэроплану. Во-вторых, рули понадобятся и вне атмосферы, в пустоте, для управления ракетой: быстрый поток вытекающих из трубы газов, встречая руль, уклоняется в сторону, вызывая тем самым поворот ракеты. Поэтому рули помещаются непосредственно у выходного отверстия взрывной трубы.

Осуществление межпланетных путешествий могло бы значительно упроститься, если бы было реализовано одно предложение Циолковского, по смелости и оригинальности не имеющее себе равного в истории технических замыслов.

Мы имеем в виду его идею создать искусственный спутник Земли, маленькую новую луну. Проект не так фантастичен, как представляется с первого взгляда; зарубежные работники проблемы звездоплавания позже Циолковского и по-видимому вполне независимо от него пришли к той же мысли и подробно разработали проект «внеземной станции», как часто называют искусственный спутник земного шара.

Эфирное поселение вблизи Земли, по мысли Циолковского, должно быть устроено за пределами атмосферы на расстоянии одной-двух тысяч километров от земной поверхности. Оно не будет висеть неподвижно: сила тяжести немедленно заставила бы его обрушиться на Землю. Устойчиво оставаться на высоте небесное тело может лишь при том условии, если будет быстро кружиться около земного шара, замыкая круг менее чем в два часа. Небесный островок, стремительно обегающий Землю, будет состоять, конечно, не из горных пород, как естественное космическое тело; подобно прочим созданиям техники, это — конструкция металлическая. Составится она из материала многих ракет, последовательно пущенных в круговой полет около Земли и собранных в одно целое. Напомним, что поддерживать подобное кружение непрерывным расходованием энергии не придется: искусственная луна будет обращаться вокруг Земли, как и естественная, по законам Кеплера и Ньютона, не требуя энергии на свое движение.

Располагая подобной внеземной станцией, звездоплаватели будущего значительно облегчат себе задачу отправления в межпланетное путешествие. Дело сведется лишь к достижению этого небесного островка; отделиться же от него, чтобы направиться в дальнейшее космическое странствование, будет уже сравнительно легко, так как масса искусственной луны ничтожна и, чтобы преодолеть ее притяжение, потребуется весьма немного энергии.

Условия жизни на планетном островке, точнее внутри него, будут совершенно необычны, напоминая отчасти режим подводной лодки. Но в отличие от подводного судна, здесь возможно будет широко пользоваться энергией солнечных лучей (сквозь прозрачные окна сооружения). Вполне осуществимо в подобной обстановке выращивание растений, восполняющих своей деятельностью убыль кислорода от дыхания людей и создающих в уменьшенном масштабе тот круговорот материи и энергии, который совершается в земной природе. Отсутствие тяжести придаст условиям этого мирка совершенно своеобразный характер; о них мы уже говорили, описывая картину полета.

Циолковский следующими чертами рисует обстановку жизни искусственного спутника:

«Нужны особые жилища (на внеземной станции) — безопасные, светлые, с желаемой температурой, с возобновляющимся кислородом, с постоянным притоком пищи, с удобствами для жизни и работы. Эти жилища и все принадлежности для них должны доставляться в пространство по прибытии на место. Жилище должно быть непроницаемо для газов и доступно для лучей света.

Работы всякого рода тут удобнее производить, чем на Земле. Во-первых, потому, что сооружения могут быть неограниченно велики, при самом слабом материале — тяжесть не разрушит их, так как ее тут нет. Во-вторых, человек здесь в состоянии работать в любом положении: нет ни верха, ни низа, упасть никуда нельзя. Перемещаются все вещи при малейшем усилии, независимо от их массы и размера. Транспорт буквально ничего не стоит».

Искусственная луна, как уже сказано, значительно облегчила бы отправление в межпланетный рейс.

Теперь на очереди следующий этап межпланетного путешествия — спуск на планету. Он представляет гораздо больше затруднений, чем может казаться с первого взгляда. Ракета мчится с огромною, космическою скоростью; пристать прямо к планете, значит подвергнуть ракету сокрушительному удару, а пассажиров неизбежной гибели. Как избегнуть удара, как уменьшить скорость настолько, чтобы возможен был безопасный спуск? Не забудем, что то же затруднение возникает и при возвращении на нашу собственную планету. Необходимо изыскать средства его преодолеть.

Здесь есть два пути. Первый тот, к которому прибегает машинист, желающий остановить мчащийся паровоз: он дает «контр-пар», т. е. сообщает машине обратный ход. Ракета тоже может дать «контр-пар», повернувшись отверстием трубы к планете и пустив в действие горение. Новая скорость, имеющая направление, обратное существующей, будет отниматься от последней и постепенно сведет ее к нулю (конечно, лишь по отношению к планете). Это сопряжено, однако, с необходимостью затрачивать, а следовательно, и брать с собой огромные количества горючего. Значительно легче посещение более крупных планет, так как эти планеты окружены атмосферой, которою можно воспользоваться в качестве воздушного тормоза. По проекту Циолковского, ракета может описывать постепенно суживающуюся спираль вокруг планеты, прорезывая всякий раз часть ее атмосферы и теряя поэтому с каждым новым оборотом некоторую долю своей скорости. Достаточно уменьшив стремительность движения, ракета совершит планирующий спуск на поверхность планеты, избрав для большей безопасности местом спуска не сушу, а море. Замечательно, что ту же идею об использовании тормозящего действия атмосферы высказал и подробно разработал независимо от Циолковского (хотя и позже его) немецкий исследователь межпланетных полетов инж. Гоманн.

Особенно пригоден предлагаемый Циолковским маневр для обратного спуска на нашу собственную планету.

«Для возвращения на Землю, — пишет Циолковский, — нет надобности прибегать к контр-взрыванию

и таким образом тратить запасы вещества и энергии. Если поблизости атмосферы слабым обратным взрыванием еще более подойдем к ней и, наконец, заденем за ее края, то сейчас же будем, от сопротивления воздуха, терять скорость и спускаться по спирали к Земле. Собственно, скорость сначала будет от падения увеличиваться, потом же, при вступлении в более плотную часть атмосферы, начнет уменьшаться. Когда она сделается недостаточной, чтобы одной центробежной силой уравновешивать силу тяжести, то, наклонив продольную ось снаряда, начинают планировать. Словом, мы поступаем с ракетой, как с аэропланом, у которого остановлен мотор. Как тут, так и там, надо приноровить момент потери большей части скорости к моменту касания суши или воды. Терять громадную скорость ракеты на высотах совершенно безопасно, в виду чрезвычайной разреженности там воздуха. Можно даже потерять почти всю скорость, обернувшись много раз вокруг Земли: оставить только 200–300 метров в секунду (смотря по плотности окружающей среды), а затем поступать как с самолетом. Но все же, если у ракеты нет добавочных планов (крыльев), приземление совершается при гораздо большей скорости, чем у аэроплана, и потому оно рискованнее. Его хорошо делать не на суше, а на воде».

Возможность спускаться на Землю без затраты топлива чрезвычайно упрощает сооружение и обслуживание той внеземной станции, о которой мы говорили раньше; работа на станции неизбежно потребует частых сношений с Землей для смены персонала, доставки материалов и т. п.

Такова в главнейших очертаниях картина завоевания мирового пространства, рисовавшаяся нашему исследователю вдали будущего. Практика, без сомнения, внесет в нее более или менее значительные перемены. Не следует поэтому придавать абсолютного значения набросанному здесь очерку. Эго лишь предварительный, ориентирующий план.

Не надо закрывать глаза на огромные технические трудности, которые в этих проектах не устранены. Не разрешен важный вопрос о сжигании в небольшой ракетной камере ежесекундно весьма значительного количества топлива; далее, вопрос о смешении под большим давлением составных элементов горючей смеси; о получении в достаточном количестве наиболее выгодных родов горючего и окислителя; об ограждении двигателя от разрушительного действия высокой температуры; об устойчивости ракеты в полете; об управлении ею при значительных скоростях и ускорениях, и т. п. Все эти задачи приходится разрешать, не забудем, в тесном пространстве ракеты, где на строгом счету каждый грамм массы и каждый сантиметр объема.