ГЛАВА II
В космос по Циолковскому
Первым, кто взял на себя трудную миссию рассказать другим, что надо делать, чтобы побывать в космосе, стал великий русский ученый Константин Эдуардович Циолковский. Скромное провинциальное существование, оторванность от мировой науки, недостаток денежных средств не помешали ему сделать крупнейшие открытия в космонавтике и ракетной технике.
Опубликованный им в 1903 году труд «Исследования мировых пространств реактивными приборами» до сих пор не утратил своей актуальности. В книге было дано подробное описание устройства космической ракеты и жидкостного ракетного двигателя, разработаны основы математической теории ракетного полета, а также даны практические рекомендации по конструированию ракет.
В своих последующих работах Константин Эдуардович обосновал возможности применения различных ракетных топлив и выдвинул множество предложений по ряду других теоретических и практических вопросов космонавтики (составные или многоступенчатые ракеты, орбитальные станции, сварка в космосе, космические оранжереи и другое).
Наиболее интересно предложение о составных ракетах или, как называл их сам Циолковский, «ракетных поездах». В его работах можно встретить описание двух типов таких ракет.
Первый тип «поезда» подобен железнодорожному составу, когда паровоз толкает состав сзади. Сначала работает двигатель хвостового «вагона» (первая ступень). После использования запасов топлива в нем, он отцепляется, и включается двигатель следующего «вагона» (вторая ступень), который с того момента становится хвостовым. И так далее. После полного использования топлива в этом «поезде» головной «вагон» (ракета) получает достаточно высокую скорость для выхода в космос.
Пусть и другими словами, но Циолковский достаточно точно описал работу современного космического носителя. Более того, он доказал расчетами наиболее выгодное распределение весов отдельных «вагонов», входящих в «поезд». С некоторыми поправками эти расчеты используются до сих пор.
Второй тип составной ракеты, предложенной Циолковским в 1935 году, был назван им эскадрильей ракет, которые соединяются между собой, как бревна плота на реке. При старте одновременно начинают работать четыре ракетных двигателя. Когда каждый из них израсходует половину запаса топлива, две ракеты перельют свой неизрасходованный запас топлива в полупустые емкости оставшихся двух ракет и отделятся от эскадрильи. Дальнейший полет продолжат две ракеты с полностью заправленными баками.
Израсходовав половину своего топлива, одна из ракет эскадрильи переливает оставшуюся половину в ракету, предназначенную для достижения главной цели полета.
Второй из предложенных Циолковским типов «ракетных поездов» гораздо сложнее технически, чем первый тип. Однако имеет то существенное преимущество, что все ракеты одинаковы. А подобная унификация, как показала практика космических полетов, является выигрышным вариантом при реализации сложных и масштабных проектов.
До 1920 года все рассуждения Циолковского о ракетах носили в определенной степени абстрактный характер. Но в изданной в том году в Калуге книге «Вне Земли» ученый впервые предложил проект ракеты, предназначенной для полета в космос человека. В своей работе он описал события, которые должны были произойти в 2017 году. Как видим, до названного Константином Эдуардовичем срока осталось чуть-чуть.
Вот подробное описание «составной пассажирской ракеты 2017 года», данное Циолковским в своей книге:
«Составная пассажирская ракета состояла из двадцати простых ракет, причем каждая простая заключала в себе запас взрывчатых веществ (горючее), взрывную камеру с самодействующим инжектором – (ракетный двигатель), взрывную трубу (камера сгорания) и прочее. Однако 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 ее походила на гигантское веретено… Взрывные трубы были завиты спиралью и постепенно расширялись к выходному отверстию. Извивы одних были расположены поперек длины ракеты, других – вдоль. Газы, вращаясь во время взрыва в двух взаимноперпендикулярных плоскостях, придавали огромную устойчивость ракете. Она не вихляла, как дурно управляемая лодка, а летела стрелой. Но расширенные концы всех труб (сопла двигателей), выходя наружу сбоку ракеты, все имели почти одно направление и обращены в одну сторону. Ряд выходных отверстий составлял винтообразную линию кругом прибора (корректирующие двигатели).
Камеры взрывания и трубы, составляющие их продолжение, были сооружены из весьма тугоплавких и прочных веществ, вроде вольфрама. Также и инжекторы. Весь взрывной механизм окружался камерой с испаряющейся жидкостью (окислитель), температура которой была поэтому достаточно низкой. Эта жидкость была одним из элементов взрывания. Другая жидкость помещалась в других изолированных отделениях. Наружная оболочка ракеты состояла из трех слоев. Внутренний слой – прочный металлический с окнами из кварца, прикрытыми еще слоем обыкновенного стекла, с дверями, герметически закрывающимися. Второй – тугоплавкий, но почти не проводящий тепло. 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 в нутро. Этому еще мешал холодный газ, непрерывно циркулирующий между двумя крайними оболочками, проницая рыхлую малотеплопроводную среднюю прокладку. Сила взрывания могла регулироваться с помощью сложных инжекторов, также прекращаться и возобновляться. Этим и другими способами можно было изменять направление взрывания.
Температура внутри ракеты регулировалась по желанию с помощью кранов, пропускающих холодный газ через среднюю оболочку ракеты. Из особых резервуаров выделялся кислород, необходимый для дыхания. Другие снаряды были предназначены для поглощения продуктов выделения кожи и легких человека. Все это также регулировалось по надобности. Были камеры с запасами для пищи и воды. Были особые скафандры, которые надевались при выходе в пустое пространство и вхождения в чужую атмосферу чуждой планеты. Было множество инструментов и приборов, имеющих известное или специальное назначение. Были камеры с жидкостями для погружения в них путешествующих во время усиленной относительной тяжести. Погруженные в них люди дышали через трубку, выходящую в воздушную атмосферу ракеты. Жидкость уничтожала их вес, как бы он ни был велик в краткое время взрывания. Люди совершенно свободно шевелили своими членами, даже не чувствовали их веса, как он чувствуется на земле: они были подобны купающимся или прованскому маслу в вине при опыте Плато. Эта легкость и свобода движений позволяли им превосходно управлять всеми регуляторами ракеты, следить за температурой, силою вращения, направлением движения и т. д. Рукоятки, проведенные к ним в жидкость, давали им возможность все это делать. Кроме того, был особый автоматический управитель (автоматическая система управления), на котором, на несколько минут, зарегистрировалось все управление снарядом. На то время можно было не касаться ручек приборов: они сами собой делали все, что им заранее «приказано». Взяты были запасы семян разных плодов, овощей и хлебов для разведения их в особых оранжереях, выпускаемых в пустоту. Также заготовлены и строительные элементы этих оранжереей.
Объем ракеты составлял около 800 кубических метров. Она могла бы вместить 800 тонн воды (тонна – 61 пуд). Менее третьей доли этого объема (240 тонн) было занято двумя постепенно взрывающимися жидкостями. Этой массы было довольно, чтобы 50 раз придать ракете скорость, достаточную для удаления снаряда навеки от Солнечной системы, и вновь 50 раз потерять ее. Такова была сила взрывания этих материалов. Вес оболочки, или самого корпуса ракеты со всеми принадлежностями, был равен 40 тоннам. Запасы, инструменты, оранжерея составляли 30 тонн. Люди и остальное – менее 10 тонн.
Объем для помещения людей, т. е. заполненного разреженным кислородом пространства, составлял около 400 кубических метров. Предполагалось отправить в путь 20 человек. На каждого доставалось помещение в 20 кубических метров или около двух кубических сажень, что при постоянно очищаемой атмосфере было в высшей степени комфортабельно. Все отделения сообщались между собой небольшими проходами. Средний объем каждого отсека составлял около 32 кубических метров. Но половина этого объема была занята необходимыми вещами и взрывающейся массой. Оставалось на каждое отделение около 16 кубических метров. Средние отделения были больше, и каждое могло служить отличным помещением для одного человека. Одно отделение, в наиболее толстой части ракеты, имело в длину 20 метров и служило залом собраний. На боковых сторонах этих отделений были расположены окна с прозрачными стеклами, закрываемыми наружными и внутренними ставнями».
Чтобы сегодняшнему читателю было понятнее, о чем писал Циолковский, я «перевел» ряд используемых им терминов на современный язык.
Согласитесь, что в 2017 году на таком «ракетном поезде» мы в космос не полетим. Будут другие ракеты и корабли.
Однако проект, предложенный Циолковским в начале XX века, интересен не только в историческом аспекте. По сравнению с тем, что предлагалось ранее, его можно считать существенным шагом вперед в подготовке полета человека в космос.
Труды Циолковского дали мощный толчок для работ по созданию ракетной и космической техники во многих странах мира. В 1920–1930 годах этими вопросами занимались уже сотни ученых и инженеров: Ф.А. Цандер, Ю.В. Кондратюк и многие другие в нашей стране, Роберт Годдард в США, Герман Оберт и Макс Валье в Германии, Роберт Эно-Пельтри во Франции.
Так, Юрий Васильевич Кондратюк (настоящее имя Александр Иванович Шаргей) в 1918–1919 годах написал работу, которую озаглавил «Тем, кто будет читать, чтобы строить». В ней, независимо от Циолковского, оригинальным методом было выведено основное уравнение движения ракеты, приведены схема и описание четырехступенчатой ракеты на кислородно-водородном топливе, камеры сгорания двигателя с шахматным и другим расположением форсунок окислителя и горючего, параболоидального сопла и многого другого. Кондратюком были предложены: использовать сопротивление атмосферы для торможения ракеты при спуске с целью экономии топлива; при полетах к другим планетам выводить корабль на орбиту его искусственного спутника, а для посадки на них человека и возвращения на корабль применять небольшой взлетно-посадочный корабль (предложение реализовано в программе «Аполлон»); использовать гравитационное поле встречных небесных тел для доразгона или торможения космического аппарата при полете в Солнечной системе (пертурбационный маневр). В этой же работе рассматривалась возможность использования солнечной энергии для питания бортовых систем космических аппаратов, а также возможность размещения на околоземной орбите больших зеркал для освещения поверхности Земли.
В 1929 году Кондратюк издал в Новосибирске на собственные средства тиражом 2000 экземпляров книгу «Завоевание межпланетных пространств», в которой была определена последовательность первых этапов освоения космического пространства. Более подробно рассматривались вопросы, поднятые в его ранней работе «Тем, кто будет читать, чтобы строить». В частности, в книге было предложено использовать для снабжения спутников на околоземной орбите ракетно-артиллерийские системы (в настоящее время это предложение, естественно в измененном виде, реализовано в транспортной системе «Прогресс»). Кроме того, в работе были исследованы вопросы тепловой защиты космических аппаратов при их движении в атмосфере.
Любопытно, что в предисловии к книге Кондратюк упоминает о нескольких главах рукописи, которые «слишком близки к рабочему проекту овладения мировыми пространствами – слишком близки для того, чтобы их можно было публиковать, не зная заранее, кто и как этими данными воспользуется». Так как неизвестные главы еще не найдены и вряд ли когда-нибудь будут обнаружены, судить о том, что там было в действительности, не представляется возможным.
Сам автор утверждает, что он нашел способ достижения начальной скорости ракеты 1500–2000 метров в секунду «без расходования заряда и в то же время без применения грандиозного артиллерийского орудия». По его словам, он также «пришел к весьма неожиданному решению вопроса об оборудовании линии сообщения с Земли в пространство и обратно, для осуществления которой применение такой ракеты, как рассматриваемая в этой книге, необходимо только один раз».
Кондратюк также указал, что многие предложенные им технические решения могут быть реализованы уже на достигнутом уровне развития техники, особенно американцами.
В те же годы, когда Кондратюк формулировал свой план освоения космического пространства, этим же занимался и немец Герман Оберт. Из под его пера вышло предложение о постройке космического корабля, названного им «Модель Е». Это была ракета с одной большой дюзой и широким основанием, к которому крепились четыре опоры-стабилизатора. Ракета состояла из двух частей: первой разгонной ступени, работавшей на спирте и жидком кислороде, и второй, основной, в которой в качестве горючего использовался жидкий водород, а в качестве окислителя – все тот же жидкий кислород. В верхней части основной части размещалась каюта с иллюминаторами, позволяющими вести астрономические наблюдения. Оберт назвал ее «аквариумом для земных жителей». Высота всей ракеты, рассчитанной на двух пассажиров, оценивалась конструктором в «четырехэтажный дом», а общий вес заправленной ракеты – в 288 тонн.
Для преодоления земного притяжения, согласно расчетам Оберта, его ракета должна была лететь 332 секунды при ускорении 30 метров в секунду в квадрате. По истечении этого времени она достигнет высоты более 1600 километров и скорости почти 10 километров в секунду.
Возвращение пассажирской кабины с путешественниками внутри нее на Землю Оберт предполагал осуществить с помощью парашюта либо при помощи специальных несущих поверхностей и хвостовых стабилизаторов, позволяющих реализовать планирующий спуск.
А вот соотечественник Оберта Макс Валье предложил превратить обычный самолет в ракетный путем замены поршневых двигателей ракетными. В своей книге «Полет в мировое пространство», вышедшей в 1924 году, он утверждал, что в дальнейшем, постепенно совершенствуя двигатели и сокращая площадь несущих поверхностей, можно будет создать из такого самолета пилотируемую космическую ракету.
Первый свой проект Валье представлял в виде обычного аэроплана того времени с винтом, большими крыльями и двумя ракетами-ускорителями, закрепленными под ними. Во втором варианте ракетоплан уже имел четыре ракетных двигателя, а третий был уже лишен винта, имел крылья меньшей площади, но был оснащен шестью ракетными двигателями. И наконец в фантазии конструктора появился настоящий ракетный монстр – аэроплан с двумя фюзеляжами и восемнадцатью ракетными двигателями. Правда, конечный «продукт» Валье был в некоторой степени похож на конструкцию Оберта – двухступенчатый межпланетный корабль, первая ступень которого представляла собой аэроплан с толстыми короткими крыльями и множеством ракетных ускорителей.
Можно было бы описать и множество других проектов ракет, космических кораблей, ракетопланов и тому подобного, что появилось в те годы. Но особой необходимости в этом нет, так как они, в основном, похожи друг на друга, а отличаются только деталями. К тому же, все работы Циолковского, Годдарда, Оберта и других – это были лишь теоретическими изысканиями. На практике пионеры космонавтики занимались в те годы небольшими ракетами, которым было не под силу поднять человека в космос.
