15. Проекты К. Э. Циолковского
После этих общих замечаний перейдем к рассмотрению образца конкретного проекта межпланетного перелета, избрав для этого план нашего соотечественника К. Э. Циолковского, теоретические изыскания которого опередили исследования других деятелей на том же поприще не только по времени, но зачастую и по полноте и разносторонности.
Изложить подробно содержание его интересных исследований – задача научного сочинения, а не популярной книги. Мы можем развернуть перед читателем только общий план завоеваний мирового пространства, как он вырисовывается в последних работах К. Э. Циолковского. Этот очерк поможет читателю если не представить себе, то, по крайней мере, ощутить основную линию грядущего развития заатмосферного летания.
Отлет межпланетной ракеты с Земли состоится где-нибудь в высокой горной местности. Должна быть подготовлена прямая ровная дорога для разбега, идущая наклонно вверх под углом 10–12 градусов. Ракета помещается на самодвижущемся экипаже, – например, на автомобиле, мчащемся с наибольшею возможною для него скоростью. Получив таким образом начальный разбег, ракета начинает свой самостоятельный восходящий полет под действием взрывающихся в ней горючих веществ. По мере возрастания скорости крутизна взлета постепенно уменьшается, путь ракеты становится все более пологим. Вынырнув за атмосферу, аппарат принимает горизонтальное направление и начинает кружиться около земного шара на расстоянии 1–2 тысячи километров от его поверхности наподобие спутника.
Рис. 31. Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935)
По законам небесной механики это возможно, – как мы уже говорили, – при секундной скорости в 8 км. Скорость эта достигается постепенно: взрывание регулируют так, чтобы секундное ускорение не слишком превышало привычное нам ускорение земной тяжести (10 м/сек).
Благодаря этим предосторожностям искусственная тяжесть, возникающая в ракете при взрывании, не представляет опасности для пассажиров.
Так достигается первый и самый трудный этап межпланетного путешествия – превращение ракеты в спутника Земли. Чтобы заставить теперь ракету удалиться от Земли на расстояние Луны или еще далее – в другие зоны нашей солнечной системы, – потребуется лишь добавочным взрыванием увеличить в 1½–2 раза скорость той же ракеты. «Так мы можем, – пишет К. Э. Циолковский, – добраться до астероидов, маленьких планеток, спуск на которые по малой на них тяжести не представляет трудности. Достигнув этих крохотных небесных тел (от 400 до 10 и менее километров в диаметре), мы получим обилие опорного материала для космических путешествий»…
Остановимся подробнее на этом первом и решающем этапе межпланетного путешествия, обстоятельно рассмотренном в исследовании К. Э. Циолковского.
Мы сказали раньше, что начальный разбег сообщается ракете автомобилем. Но для этой цели пригодны вообще любые транспортные средства: паровоз, пароход, аэроплан, дирижабль. Годилась бы даже пушка, пороховая или электромагнитная, если бы необходимость делать ее чрезвычайно длинной (ради ослабления искусственной тяжести в снаряде) не увеличивала чрезмерно ее стоимости. Однако всеми перечисленными средствами (кроме пушки) нельзя надеяться достичь скорости больше 700 км/час (200 м/сек). Причина та, что окружная скорость на ободе колеса или на конечных точках пропеллера не должна превосходить 200 м/сек, – иначе вращающемуся телу угрожает разрыв. Между тем чрезвычайно важно довести скорость ракеты до возможно большей величины еще на Земле, при первоначальном разбеге, так как это создает весьма заметную экономию в количестве запасаемых ракетой веществ для взрывания.
Рис. 32. Схема ракет Циолковского – земной и космической – до разъединения и (внизу) в момент разъединения
Взамен автомобиля или какого-нибудь другого колесного экипажа Циолковский предлагает воспользоваться для разбега опять-таки ракетой. Эту вспомогательную ракету он называет «земной», – в отличие от «космической», предназначенной для межпланетного рейса. Ракета космическая должна быть временно помещена внутрь ракеты земной, которая, не отрываясь от почвы, сообщит ей надлежащую скорость и в нужный момент освободит ее для самостоятельного полета в мировое пространство (рис. 32).
Земная ракета под действием взрывания будет стремительно скользить без колес по особым обильно смазанным рельсам. Потеря энергии на трение (ослабленное смазкой) сильно уменьшается при весьма больших скоростях. Что же касается сопротивления воздуха, то его можно довести до минимальной величины, придав ракете весьма удлиненную, легко обтекаемую воздухом форму. Если бы возможно было построить ракету в сто раз длиннее ее толщины, сопротивление воздуха было бы настолько ничтожно, что им можно было бы и вовсе пренебречь. Длину земной ракеты нельзя, однако, практически делать свыше 100 м; а так как толщина ее должна быть не меньше нескольких метров, то ракета окажется всего в 20–30 раз длиннее своего поперечника. Впрочем, и при таких условиях общее сопротивление движению земной ракеты будет составлять всего несколько процентов энергии ее движения.
Итак, открытая спереди земная ракета с вложенной в нее космической стремительно движется по подготовленной для нее дороге. Наступает момент, когда надо освободить космическую ракету и пустить ее в мировое пространство. Каким образом это сделать? Циолковский указывает весьма простое средство: затормозить земную ракету – космическая вырвется тогда из нее по инерции и при одновременном пуске взрывного механизма начнет самостоятельно двигаться с возрастающей скоростью. Торможение же земной ракеты достигается просто тем, что конечный участок дороги оставляют не смазанным: увеличенное трение замедлит и, наконец, совсем прекратит движение вспомогательной ракеты без добавочного расхода энергии. Еще лучший способ торможения состоит в том, что из земной ракеты выдвигаются перпендикулярные к ней тормозящие планы:
сопротивление им воздуха при большой скорости громадно, и ракета скоро остановится. Тому же способствует открытая тупизна передней части ракеты.
Использование земной ракеты для сообщения космической ракете начальной скорости, как мы уже заметили, ощутительно разгружает этот небесный корабль: оно освобождает его от необходимости нести с собою весьма большой запас горючего.
Мы знаем, что для преодоления солнечного притяжения и, следовательно, для свободных полетов во всей планетной системе ракета должна обладать скоростью около 17 км/сек. Чтобы неподвижная ракета приобрела такую скорость, необходимо в случае горения водорода взять запас вещества для взрывания раз в 30 (а для ракеты с нефтью – в 70 раз) больше прочего веса ракеты. Между тем, если космическая ракета уже приобрела от разбега земной ракеты скорость в 5 км/сек, указанное отношение уменьшается втрое; запас веществ для взрывания (водорода и кислорода) должен быть только в 10 раз тяжелее незаряженной ракеты. Для получения 5-километровой секундной скорости нужен для земной ракеты путь по Земле в 25 км при ускорении 500 м/сек2. Тяжесть в ракете увеличивается при этом в 50 раз (500:10); пассажиры на это время должны быть погружены в воду – иначе они едва ли перенесут такую усиленную тяжесть. Вообще, получение на Земле таких скоростей встретит много затруднений. Однако можно ограничиться и меньшей скоростью.
Чтобы покончить с земной ракетой, приведем еще несколько ориентирующих цифр. Вес ее должен быть около 50 т, из которых тонн 40 приходится на вещества для горения; вместе с вложенной в нее 10-тонной космической ракетой вполне снаряженная земная ракета будет весить тонн 60. Впрочем, земная ракета может устраиваться и меньшего веса, но тогда выгода будет менее значительна. Продолжительность разбега зависит от длины пути. Взрывание ведется таким темпом, чтобы искусственная тяжесть, обусловленная нарастанием скорости, была весьма невелика – от 0,1 земной до, в крайнем случае, – 10-кратной. При ускорении, значительно большем земного, пассажирам необходимо будет, по мнению Циолковского, погружаться в ванну для избежания вредных последствий усиленной тяжести. При ускорении же не более 30 м/сек2 искусственная тяжесть не превосходит степени, безвредно переносимой человеком. Такой же безопасной искусственной тяжести будут, конечно, подвержены и пассажиры, находящиеся в космической ракете. Гораздо сильнее искусственная тяжесть, порождаемая стремительным торможением земной ракеты на сравнительно коротком пути. По своей величине она заметно опаснее для нашего организма; поэтому необходимо устроить так, чтобы управление взрыванием в земной ракете осуществлялось автоматическим путем, без непосредственного участия человека. Пассажирам же космической ракеты это торможение не может причинить вреда, так как в первый же момент торможения они, нисколько не уменьшая достаточной скорости, уже покинут в своем снаряде земную ракету.
Ракета космическая, предназначенная для межпланетных полетов, должна иметь сравнительно небольшие размеры. По Циолковскому, ее длина 10–20 м, поперечник 1–2 м. Для успешного планирования при спуске на Землю или на другие планеты понадобится, быть может, соединять вместе несколько таких сигарообразных ракет бок о бок. Оболочка может быть из стали (вольфрамовая, хромовая или марганцевая сталь) умеренной толщины. По расчетам Циолковского, оболочка ракеты в 100 м3 может весить меньше тонны (650 килограммов).
В качестве горючего вещества можно будет, по всей вероятности, обойтись нефтью, как веществом недорогим и дающим газообразные продукты горения, вытекающие из трубы с довольно значительною скоростью – около 4 км/сек. Конечно, гораздо выгоднее взрывать не нефть, а чистый жидкий водород (скорость отбрасываемых продуктов горения – до 5 км/сек), но это вещество довольно дорогое. Необходимый для горения и дыхания кислород берется в сжиженном виде. Предпочтение, оказываемое жидкостям перед сильно сжатыми газами, вполне понятно. Сжатые газы необходимо было бы хранить в герметических толстостенных резервуарах, масса которых в несколько раз превышает массу их содержимого; запасать кислород в таком виде – значило бы обременять ракету мертвым грузом, а мы знаем, как невыгоден для межпланетной ракеты каждый лишний килограмм мертвой массы. 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 °C – может быть использована для непрерывного охлаждения накаленных частей взрывной трубы.
Рис. 33. Ракеты Циолковского в полете (фантастический рисунок)
Одна из самых ответственных частей ракеты – взрывная труба (дюза). В космической ракете Циолковского она должна иметь около 10 м в длину и 8 см в узкой части; вес ее около 30 кг. Горючее и кислород накачиваются в ее узкую часть мотором аэропланного типа мощностью до 100 лош. сил. Температура в начале трубы доходит до 3000 °C, но постепенно падает по мере приближения к открытому концу. Наклонная часть трубы, как мы уже говорили, охлаждается жидким кислородом. Труба имеет коническую форму с углом раструба не больше 30°; это во много раз сокращает длину трубы при хорошем использовании теплоты горения.
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 вида, во-первых, того, что ракете при спуске на Землю придется планировать в атмосфере без взрывания, 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. Излишне перечислять все те приспособления, которыми необходимо будет снабдить пассажирскую каюту. Романисты, мечтавшие о межпланетных перелетах, достаточно писали об этом, и в общем – довольно правильно. Окна из кварца с предохранительным слоем обыкновенного стекла соединят прочность с защитой пассажиров от ультрафиолетовых лучей Солнца и дадут им возможность обозревать окрестности и ориентироваться при управлении ракетой.
Вот при каких условиях будут отправляться космические дирижабли в свой межпланетный рейс. Первый этап – кружение около земного шара наподобие его спутника. Второй – странствование в отдаленные зоны нашей солнечной системы, к другим планетным мирам. То и другое нами уже рассмотрено. Следующий этап – спуск на планету – представляет гораздо больше затруднений, чем может казаться с первого взгляда. Ракета мчится с космическою скоростью; пристать прямо к планете, которая движется в другом направлении и с другой скоростью, – значит подвергнуть ракету сокрушительному удару и неизбежной гибели. Как избегнуть удара, как уменьшить скорость настолько, чтобы возможен был безопасный спуск на планету? Не забудем, что то же затруднение возникает при возвращении на нашу родную планету. Необходимо изыскать средства его преодолеть.
Рис. 34. Спиральный путь ракетного корабля, тормозящегося о земную атмосферу при возвращении из межпланетного полета
Здесь есть два пути. Первый – тот, к которому прибегает машинист, желающий быстро остановить мчащийся паровоз: он дает «контрпар», т. е. сообщает машине обратный ход. Ракета тоже может «дать контрпар», повернувшись отверстием трубы к планете и пустив в действие взрывание. Новая скорость, имеющая направление, обратное существующей, будет отниматься от последней и постепенно сведет ее к нулю (конечно, лишь по отношению к планете). Это приводит, однако, к довольно безнадежным выводам. Если для отправления ракеты в путь понадобилось сжечь, например, такое количество взрывчатых веществ, масса которого составляла 0,9 массы ракеты, то, предполагая, что спуск состоится на Землю или на планету с равной силой тяжести (например, на Венеру), для остановки придется расходовать еще 0,9 остатка, а в оба раза 0,9 + 0,1 × 0,9 = 0,99 всей его массы. Остается всего 1 % первоначальной массы. Надо, значит, устроить ракету так, чтобы масса ее оболочки составляла не более 1 % массы снаряженной ракеты. Это уже достаточно трудно, – чтобы не сказать невозможно, – а ведь понадобится еще снова взлететь с посещенной планеты, истратив опять 0,9 оставшейся массы ракеты, да еще опуститься на земной шар с новым расходованием 0,9 остатка.
В конечном итоге из 10 000 кг массы звездолета, отправившегося в межпланетный рейс, возвратился бы всего 1 кг…
Столь безотрадный вывод лишил бы нас всякой надежды на посещение крупных планет, если бы как раз эти планеты не были окружены атмосферой, которою можно воспользоваться в качестве своего рода воздушного тормоза. Тут мы подходим ко второму средству уменьшения скорости межпланетной ракеты. 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. В. Гоманн. Однако сказанное лишь облегчает решение, но не решает проблемы высадки на планеты, особенно большие, с обратным подъемом. Это, в сущности, один из неразрешенных пока даже в теории вопросов звездоплавания.
Такова в главнейших своих очертаниях картина завоевания мирового пространства, рисующаяся нашему исследователю в дали будущего. Практика, без сомнения, внесет в нее значительные перемены. Не следует поэтому придавать абсолютного значения набросанному здесь очерку. Это лишь предварительный, ориентирующий план, с которым можно приступить к реальным достижениям. «Никогда не претендовал я, – пишет Циолковский, – на полное решение вопроса. Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчет. И уже в конце концов исполнение венчает мысль. Мои расчеты о космических путешествиях относятся к средней фазе творчества. Более чем кто-нибудь я понимаю бездну, разделяющую идею от ее осуществления, так как в течение моей жизни я не только мыслил и вычислял, но и исполнял, работая также руками. Однако нельзя не быть идее: исполнению предшествует мысль, точному расчету – фантазия».
К подготовительным опытам Циолковский считает возможным приступить теперь же, не откладывая их на неопределенное время; описанию таких работ, расчищающих путь к дальнейшим шагам, посвящен его краткий очерк «Космическая ракета. Опытная подготовка».
