Часть II. Победа над силой тяготения: человек в космосе

2.1. Мечты о космосе: летательная машина Николая Кибальчича и «ракетные поезда» Константина Циолковского

С тех пор как люди поняли, что звезды и планеты – это не светящиеся точки, перемещающиеся по сферическому небосводу, а огромные космические тела, они стали мечтать о путешествиях за пределы Земли. Поначалу эти идеи относились к области фантастики, но уже в XIX–XX вв. появились разработки, близкие к тем, которые позволили осуществить запуск космических аппаратов.

Еще Иоганн Кеплер, первооткрыватель законов движения планет, мечтал о полете на Луну. Своей мечте астроном посвятил книгу «Сон». Об этом же писал французский поэт Сирано де Бержерак. Для запуска на спутник Земли он предлагал использовать ящик с пороховыми ракетами – так сочинитель XVII в. предвосхитил будущие открытия покорителей космоса. Первое правдоподобное описание внеземного путешествия предложил Жюль Берн в своих романах «С Земли на Луну» и «Вокруг Луны». Писатель был знаком с основами физики и небесной механикой Ньютона, поэтому читатели сразу поверили, что полет на Луну возможен.

Приблизительно в то же время, когда Жюль Берн писал свои фантастические книги, инженеры и изобретатели придумывали реальные способы подняться в космос. Российский военный инженер Третский, служивший на Кавказе, в 1849 г. представил в армейский комитет рукопись с описанием трех разных видов аэростатов, управляемых сжатым воздухом, газом и пороховыми ракетами. Его расчеты были убедительными, но эксперты их отвергли, посчитав саму идею фантастической.

Еще один военный, адмирал русского флота Николай Соковнин, в 1860-х гг. придумал реактивный дирижабль. В своей книге «Воздушный корабль» он писал: «Воздушный корабль должен летать способом, подобным тому, как летит ракета». Роль реактивной струи в двигателе, придуманном Соковниным, выполнял воздух, который засасывался из атмосферы и сжимался при помощи дополнительно установленного двигателя. Эта схема очень близка к современному турбореактивному двигателю, применяемому в авиации.

Совсем другой подход к вопросу полетов был у артиллерийского офицера Николая Телешова. Это изобретение позже назвали «ракетоплан», а сам он называл его «система воздухоплавания». В то время, когда самолетов и понятия о них не существовало в принципе, Телешов разработал прообраз современного по форме и внутреннему наполнению летательного аппарата с воздушно-реактивным двигателем. Российская Академия наук и Военное министерство отклонили проект Телешова, и он запатентовал свое изобретение во Франции и Великобритании.

Сергей Неждановский был еще одним российским инженером, чьи изобретения опередили свое время и не были поняты современниками. Он предлагал использовать для полетов взрывчатое вещество. «Продукты его горения извергаются через прибор вроде инжектора, – писал Неждановский. – Раструб, выпуская воздух с наивыгоднейшей скоростью, достигает экономии в горючем материале и увеличивает время полета». В другом проекте Неждановский обращался к весьма прогрессивной идее жидкостного реактивного двигателя – подобная схема применяется в современных ракетах.

Изобретателем первого ракетного летательного аппарата считают Николая Кибальчича.

Кибальчич не приспосабливал ракету к уже существующим воздушным средствам передвижения, как это делало большинство его предшественников, а создал оригинальный, полностью ракетный корабль. Свой проект Кибальчич писал в тюрьме, в 1881 г., за несколько дней до казни. Он был революционером и состоял в террористической группировке организации «Земля и воля». Знания, полученные во время учебы в Институте инженеров путей сообщения и в результате самостоятельного обучения, Кибальчич использовал для изготовления взрывчатых веществ. При помощи его бомб было совершено покушение на императора Александра II. В результате покушения император погиб, а Кибальчича приговорили к смерти через повешение.

Начиненная порохом ракета взлетает вверх благодаря закону противодействия, открытому Ньютоном: газы от горящего пороха стремительно перемещаются вниз, а трубка ракеты отталкивается от них и устремляется вверх. До изобретения двигателя внутреннего сгорания, продвинувшего вперед авиацию, сила пороха и других взрывчатых веществ (динамита, нитроглицерина) была самой мощной из известных. Кибальчич, изготавливавший бомбы собственного изобретения, хорошо это понимал. Он пришел к следующему выводу: чтобы сделать энергию газов, образующихся при горении взрывчатки, «долгоиграющей», нужно добиться того, чтобы она возникала постепенно, в течение какого-то промежутка времени.

Реактивный летательный аппарат Кибальчича, изображенный на сделанной им схеме, представлял собой пустотелый цилиндр, герметично закрытый сверху и укрепленный при помощи двух стоек на платформе. «Расположим по оси этого цилиндра кусок прессованного пороха и зажжем его, – пишет изобретатель. – При горении образуются газы, которые будут давить на всю внутреннюю поверхность цилиндра. Но давления на боковую поверхность цилиндра будут взаимно уравновешиваться, и только давление газов на закрытое дно цилиндра не будет уравновешено противоположным давлением, так как с противоположной стороны газы имеют свободный выход через отверстие. Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов цилиндр должен подняться вверх».

Прессованный порох должен подаваться в цилиндр постепенно, порциями, что обеспечивало бы длительное образование энергии газов, толкающих ракету. Это обеспечивается неким автоматическим приспособлением – прообразом современных систем подачи топлива в ракетах. Управление летательным аппаратом обеспечивается за счет поворота цилиндра, устойчивость ему придают регуляторы в форме крыла.

В 1881 г. проект Кибальчича не получил хода, по политическим причинам его публикацию сочли неуместной. Его рассекретили лишь в 1917 г., когда создатель теоретической космонавтики Константин Циолковский активно работал над научно обоснованной идеей космического полета. Циолковский разработал несколько решений межпланетных ракет, одно из них было очень близко к проекту Кибальчича. Вот как он его описывал: «Представим себе такой снаряд: металлическая продолговатая камера, снабженная светом, кислородом, поглотителями углекислоты… Камера имеет большой запас веществ, которые при своем смешении тотчас же образуют взрывчатую массу. Вещества эти, правильно и равномерно взрываясь в определенном для этого месте, текут в виде горячих газов по расширяющимся трубам. В расширенном конце, сильно разредившись и охладившись от этого, они вырываются наружу через раструбы с громадною скоростью… Люди в этом аппарате смогут при помощи особого руля направлять его в любую сторону. Это будет настоящий управляемый космический корабль, на котором можно умчаться в беспредельное мировое пространство, перелететь на Луну, к планетам… Пассажиры смогут, управляя горением, увеличивать скорость своего звездолета с необходимой постепенностью, чтобы возрастание ее было безвредно».

Этот космический аппарат ученый называл «дирижабль-звездолет», на чертежах он выглядел как огромная ракета с несколькими отсеками, задняя часть предназначалась для горючего, передняя – для пассажиров и оборудования, поддерживающего жизнеобеспечение.

Циолковский понимал, что первая задача космического полета – вырваться за пределы атмосферы, преодолеть земное притяжение. Для этого звездолет должен развить значительную скорость, но все же она не должна быть чрезмерной, чтобы люди могли выдержать перегрузки. Скорость, по задумке изобретателя, будет набираться постепенно. Когда летательный аппарат окажется за пределами атмосферы, он может либо превратиться в спутник и вращаться вокруг Земли по орбите, либо отправиться дальше, увеличив скорость. Циолковский предусматривал и возможность возвращения дирижабля-звездолета на Землю, для этого ему нужно было вернуться в атмосферу.

Схема ракетного корабля Циолковского

Для первого этапа космического путешествия – преодоления атмосферы – Циолковский разработал многоступенчатые ракеты.

Самый простой вариант представлял собой тандем из двух ракет – земной и космической, вторая должна находиться внутри первой. После того как земная ракета наберет нужную скорость, она отсоединяется, путь продолжает космическая ракета меньшего размера.

Другие варианты – ракетные «поезда» и «эскадрильи». «Поезд» из нескольких ракет набирает скорость таким образом: сначала свое топливо сжигает первая ракета, она отсоединяется, начинается использование горючего второй ракеты и т. д. «Эскадрильи» отличались способом соединения ракет, он был не последовательным, а параллельным. Многоступенчатое устройство ракеты позволяло уменьшить массу последней части, которая летела в космос, и осуществлять разгон постепенно.

Константин Циолковский не смог осуществить детальную разработку своих проектов, это были лишь эскизы, но они содержали огромное количество конструкторских решений, подобные которым были осуществлены при создании реальных космических кораблей и спутников. Главная же заслуга ученого состоит в том, что он одним из первых заговорил о реальности межпланетных путешествий и смог с научной точки зрения обосновать их возможность.