Текст книги "О космосе"

Исследование мировых пространств реактивными приборами
(переиздание от 1903 и 1911 годов с некоторыми изменениями и дополнениями)

Работа Константина Эдуардовича Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами» – это один из ключевых трудов ученого, посвященный космическим полетам. «Исследование…» дополнялось и публиковалось несколько раз и содержит в себе полное представление Циолковского о том, как и на чем человечество покинет свою «колыбель», и как будет жить, пока не доберется до новых планет. Расчеты и предположения Константина Эдуардовича во многом подтвердились и были реализованы на практике, но, к сожалению, их автор не дожил до этого момента. И самое важное, что необходимо понимать, читая этот и другие труды Циолковского: его заветной мечтой было переселение людей на другие планеты, покорение других звездных систем, а ракета, строение корабля, двигатели ракеты, скорости полета, траектории и другие затронутые в «Исследовании…» темы есть не что иное, как средство осуществление его мечты. Ракета не цель, а необходимый инструмент, чтобы покинуть планету-колыбель.

В XXI веке мы не улетели к звездам и даже не поселились на соседних планетах, но продолжаем изучать Солнечную систему, ведем научные исследования, которые помогут осуществить задуманное учеными прошлого, в том числе и Циолковским. Нам уже есть с чем сравнить теоретические выводы Константина Эдуардовича о космическом полете и строении ракеты, ведь с 60‐х годов прошлого века новость о старте ракеты современных людей уже не будоражит, мы привыкли к этому чуду. Потому интересно и справедливо (не вдаваясь в математические расчеты и специальные знания) проанализировать, как себе представлял ракету, космический полет, невесомость, жизнь в космическом корабле Циолковский и как это происходит сейчас.

Предисловие

Стремление к космическим путешествиям заложено во мне известным фантазером Ж.-Верном. Он пробудил работу мозга в этом направлении. Явились желания. За желаниями возникла деятельность ума. Конечно, она ни к чему бы не повела, если бы не встретила помощь со стороны науки.

Кроме того, мне представляется, вероятно, ложно, что основные идеи и любовь к вечному стремлению туда – к солнцу, к освобождению от цепей тяготения, во мне заложены чуть не с рождения. По крайней мере, я отлично помню, что моей любимой мечтой в самом раннем детстве, еще до книг, было смутное сознание о среде без тяжести, где движения во все стороны совершенно свободны и безграничны и где каждому лучше, чем птице в воздухе. Откуда явились также желания – я до сих пор не могу понять. И сказок таких нет, а я смутно верил, и чувствовал, и желал именно такой среды без пут тяготения.

Может быть, остатки атрофированного механизма, выдохшихся стремлений, когда наши предки жили еще в воде и тяжесть ею была уравновешена – причина таких снов и желаний.

Еще с юных лет я нашел путь к космическим полетам. Это – центробежная сила и быстрое движение (см. мои «Грезы о Земле и небе» 1895 года). Первая уравновешивает тяжесть и сводит ее к нулю. Вторая – поднимает тела к небесам и уносит их тем дальше, чем скорость больше. Вычисления могли указать мне и те скорости, которые необходимы для освобождения от земной тяжести и достижения планет. Но как их получить? Вот вопрос, который всю жизнь меня мучил и только с 1896 года был мною определенно намечен, как наиболее осуществимый.

Долго на ракету я смотрел, как все: с точки зрения увеселений и маленьких применений. Она даже никогда меня не интересовала в качестве игрушки. Между тем как многие с незапамятных времен смотрели на ракету как на один из способов воздухоплавания. Покопавшись в истории, мы найдем множество изобретателей такого рода. Таковы Кибальчич и Федоров. Иногда одни только старинные рисунки дают понятие о желании применить ракету к воздухоплаванию.

В 1896 году я выписал книжку А. П. Федорова: «Новый принцип воздухоплавания» (Ленинград, 96 год, объем: полпечатного листа). Мне показалась она неясной (так как расчетов никаких не дано). А в таких случаях я принимаюсь за вычисления самостоятельно – с азов. Вот начало моих теоретических изысканий о возможности применения реактивных приборов к космическим путешествиям. Никто не упоминал до меня о книжке Федорова. Она мне ничего не дала, но все же она толкнула меня к серьезным работам, как упавшее яблоко к открытию Ньютоном тяготения.

Очень возможно, что имеется и еще много более серьезных работ о ракете, мне неизвестных, изданных очень давно. В этом же году, после многих вычислений, я написал повесть «Вне Земли», которая потом была помещена в журнале «Природа и Люди» и даже издана особой книгой (20‐й год).

Старый листок с окончательными формулами, случайно сохранившийся, помечен датою 25 авг. 1898 года. Но из предыдущего очевидно, что теориею ракеты я занимался ранее этого времени, именно с 1896 года.

Никогда я не претендовал на полное решение вопроса. Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчет. И уже в конце концов исполнение венчает мысль. Мои работы 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.

Вот что писал я М. Филиппову, редактору «Научного Обозрения», перед тем, как посылать ему свою тетрадь (издана в 1903 году): «Я разработал некоторые стороны вопроса о поднятии в пространство с помощью реактивного прибора, подобного ракете. Математические выводы, основанные на научных данных и много раз проверенные, указывают на возможность с помощью таких приборов подниматься в небесное пространство и, может быть, основывать поселения за пределами земной атмосферы. Пройдут, вероятно, сотни лет прежде чем высказанные мною мысли найдут применение, и люди воспользуются ими, чтобы расселяться не только по лицу земли, но и по лицу всей вселенной.

Почти вся энергия Солнца пропадает в настоящее время бесполезно для человечества, ибо Земля получает в два (2,23) миллиарда раз меньше, чем испускает Солнце.

Что странного в идее воспользоваться этой энергией! Что странного в мысли овладеть и окружающим земной шар беспредельным пространством…»

Все знают, как невообразимо велика, как безгранична вселенная. Все знают, что и вся Солнечная система, с сотнями своих планет есть точка в Млечном Пути. И самый Млечный Путь есть точка по отношению к эфирному острову. Последний же есть точка в мире.

Проникни люди в Солнечную систему, распоряжайся в ней, как хозяйка в доме: раскроются ли тогда тайны вселенной? Нисколько! Как осмотр какого-нибудь камешка или раковины не раскроет еще тайны океана… Если бы даже человечество овладело другим солнцем, исследовало весь Млечный Путь, эти миллиарды солнц, эти сотни миллиардов планет, – то и тогда мы сказали бы то же. И миллиарды эти, точка и они бы не разоблачили тайн неба.

Вся известная нам вселенная только нуль, и все наши познания, настоящие и будущие, ничто в сравнении с тем, что мы никогда не будем знать.

Но как жалок человек в своих заблуждениях! Давно ли было время, когда поднятие на воздух считалось кощунственным покушением и каралось казнью, когда рассуждение о вращении Земли наказывалось сожжением. Неужели и теперь суждено людям впадать в ошибки такого же сорта!

Напечатанные ранее мои труды достать довольно трудно. Поэтому я тут в своем издании соединяю прошлые работы с некоторыми позднейшими достижениями.

Обозначение величин помещено в конце книги.

На первые мои работы обращено внимание немногих (особенно благодарю за это внимание В. В. Рюмина и Я. И. Перельмана). Много лет спустя, появились труды проф. Годарда, астронома Оберта, инженера Гомона и общедоступные труды Рюмина, Перельмана, Валье и других, труды которых, к сожалению, мне неизвестны. Они пришли, в общем, к тем же выводам, как и я. Тогда, естественно, и мне было оказано больше доверия и внимания. В этом отношении очень я обязан также Ассоциации Натуралистов и ее председателю А. П. Модестову.

Мне известны общедоступные статьи Модестова, Давидова, Лапирова-Скобло, Прянишникова, Егорова, Мануйлова, Бабаева, Глушкова, Чижевского, Алчевского, Шмурло, Рябушпнского, Родных, Редина, Соловьева, Ширинкина и многих других, указать на которых сейчас не могу. Некоторые статьи подписаны только двумя буквами, а иные и совсем без подписи. Много было диспутов и лекций, посвященных космической ракете.

* * *

Содержание этой книги.

Для решения нашей задачи нам надо одолеть два главных препятствия: притяжение Земли и сопротивление атмосферы. Далее надо в эфире, в пустоте, найти средства для дыхания, питания и сохранения достаточной температуры. Надо найти средства и источник энергии для перемещения по всему пространству Солнечной системы. Необходимо развитие индустрии, поддерживающей необходимый комфорт бесчисленных будущих поколений, заселяющих Солнечную систему. Наконец, надо указать практические пути для одоления 1‐го шага, т. е. поселения вне атмосферы по близости Земли, в качестве ее маленького спутника.

Небесный корабль должен быть подобен ракете. Основа действия каждого экипажа и корабля одна и та же: они отталкивают какую-либо массу в одну сторону, а сами (от этого) двигаются в противоположную. Пароход отталкивает воду, дирижабль и аэроплан – воздух, человек и лошадь – земной шар, реактивный прибор, напр. ракета, Сегнерово колесо[16]16
  Сегнерово колесо – двигатель, основанный на реактивном действии вытекающей воды. Первая в истории гидравлическая турбина.


[Закрыть]– не только воздух, но и те вещества, которые заключены в них самих: порох, воду. Если бы ракета находилась в пустоте или в эфире, то все же она приобрела бы движение, так как у ней есть запас для отталкивания: порох или другие взрывчатые вещества, содержащие одновременно и массу, и энергию. Очевидно, для движения прибора в пустоте он должен быть подобен ракете, т. е. содержать не только энергию, но и опорную массу в самом себе.

Для путешествий вне атмосферы и всякой другой материальной среды на высоте 300 килом., а также еще дальше, между планетами и солнцами, – нужен специальный прибор, который мы только для краткости будем называть ракетой.

Об истории возникновения ракет и истории развития ракетостроения вы прочитаете немного позже, здесь хотелось бы сказать о том, откуда появилось слово «ракета».

В этимологическом словаре русского языка Семенова А.В.[17]17
  Этимологический словарь русского языка. М.: Русский язык от А до Я. Издательство «ЮНВЕС», Москва. 2003. https://rus-etmo-semenov-dict.slovaronline.com/


[Закрыть] указано, что слово «ракета» заимствовано из немецкого языка. Немецкое слово «Rakete» – снаряд из плотной бумажной трубки, набитый слабым пороховым составом с прикрепленным деревянным прутом. В итальянском языке слово «rocchetta» обозначает веретено. Впервые заимствованное слово с данным значением употребляется в 1696 году Петром I. В это время в России стали использоваться снаряды веретенообразной формы для фейерверков, судовых сигналов на море, в военных целях. Позже название «ракета» получили металлические снаряды со взрывным пороховым зарядом.

Заметим, что межзвездный эфир такая же материальная среда, как и воздух, но до такой степени разреженная, что ни в каком случае не может служить опорой. Только условно она не причисляется к материи. Даже небесные камни (болиды, аэролиты, падающие звезды) в несколько граммов весом могут в ней двигаться с ужасающей скоростью (до 50 и более верст в сек.), не встречая заметного сопротивления. Одним словом, эфир, в отношении сопротивления движению тел, может считаться за пустоту. Также и его потоки, в виде лучистой и электрической энергии, оказывают лишь чрезвычайно малое давление на тела. Так что мы пока и ими пренебрежем.

«Межзвездный эфир»

До разработки специальной теории относительности считалось, что пространство, в том числе космическое, заполнено эфиром – всепроникающей средой, колебания которой порождают электромагнитные волны. Предполагалось, что, подобно звуку, свету нужна среда для распространения, и как раз этой средой являлся эфир. Предположение о наличии всепроникающего вещества сделал в XVII веке Рене Декарт (1596–1650; французский философ, математик, механик, физик и физиолог, создатель аналитической геометрии и современной алгебраической символики), а затем Христиан Гюйгенс (1629–1695; нидерландский механик, физик, математик, астроном и изобретатель). Теория эфира развивалась 200 лет, но к концу XIX века ряд экспериментов показал, что ней есть проблемы при описании некоторых физических явлений. Одним из ключевых противоречий теории стало то, что реальность процессов в эфире зависит от точки наблюдения, что в физике недопустимо.

Циолковский, как и другие ученые того времени, был ее сторонником. Альберт Эйнштейн примерно в то же время разрабатывал и публиковал свою теорию относительности, однако Константин Эдуардович относился к ней крайне скептически[18]18
  См. работу К. Циолковского «Монизм Вселенной».


[Закрыть].

Взрывание не только может служить для поднятия с планеты, но и для спуска на нее; не только для получения скорости, но и для потери ее. Снаряд в состоянии удаляться от Земли, блуждать между планетами, между звездами, посещать планеты, их спутники, кольца и другие небесные тела, возвращаться на Землю. Лишь бы было довольно энергического взрывчатого материала. Впрочем, мы увидим, что есть возможность спускаться на планеты, имеющие атмосферы, без всяких затрат взрывчатого материала.

Работа тяготения при удалении от планеты. Очень простым интегрированием можем получить следующее выражение для работы (Т), необходимой для удаления единицы массы от поверхности планеты радиуса (r₁) на высоту h.

Здесь (g) означает ускорение тяжести на поверхности данной планеты, a (g₁) – ускорение земной тяжести на поверхности земли.

Положим в этой формуле (h) равным бесконечности. Тогда определим наибольшую работу, при удалении единицы массы с поверхности планеты в бесконечность и получим:

Заметив, что g/g₁ есть тяжесть на поверхности планеты по отношению к тяжести Земли, видим, что работа, потребная для удаления единицы массы от поверхности планеты на бесконечно большое расстояние, равна работе поднятия этой же массы от поверхности на один радиус планеты, – если допустить, что сила тяжести на ней не уменьшается с удалением от поверхности.

Таким образом, хотя пространство, куда проникает сила тяготения любой планеты, безгранично, однако сила эта представляет как бы стену или сферу ничтожного сопротивления, облекающую кругом планету на величину ее радиуса. Одолейте эту стену, прошибите эту неуловимую равноплотную оболочку – и тяготение побеждено на всем его бесконечном протяжении.

Из последней формулы видно, что предельная работа (T₁) пропорциональна силе тяжести (g/g₁) у поверхности планеты и величине ее радиуса.

Для равноплотных планет, т. е. для планет одной плотности, напр., с земной (5,5), сила тяжести у поверхности, как известно, пропорциональна радиусу планеты и выражается отношением радиуса (r₁) планеты к радиусу земли (r₂).

Следовательно,

Значит, предельная работа (T₁) чрезвычайно быстро уменьшается с уменьшением радиуса (r₁) планеты, именно как ее поверхность.

Так, если эта работа для земного шара (r₁ = r₂) равна (r₂), или 6 366 000 килограмм-метрам, то для планеты с диаметром, в 10 раз меньшим, она равна 63 660 килограмм-метрам.

Килограмм-метры

Циолковский выражает энергию как произведение килограмма на метр. Но правильнее записать единицу измерения энергии как произведение килограмм-силы на метр, что будет соответствовать привычной единице измерения работы, энергии и количества теплоты – джоулю. Соотношение единиц измерений следующее: 1 килограмм-сила-метр (кгс·м) = 9,80665 Дж.

Но и для Земли, с некоторой точки зрения, она не очень велика. В самом деле, если считать теплопроизводительность нефти в 10 000 калорий, что довольно верно, то энергия этого горения выразится механической работой в 4 240 000 килограмм-метров на 1 килограмм горючего материала.

Выходит, что для предельного удаления единицы массы от поверхности нашей планеты требуется работа, которая содержится потенциально в полутора массовых единицах нефти.

Так, в применении к человеку, весящему 70 кило, получим количество нефти в 105 килограмм.

Недостает только уменья воспользоваться этой могучей энергиею химического сродства.

Становится все-таки более понятным, почему увосьмиренное количество взрывчатого материала сравнительно с весом снаряда может помочь последнему вполне одолеть силу земного тяготения.

По Ланглею, квадратный метр, освещенный нормальными лучами солнца, дает в минуту 30 калорий или 12 720 килограмм-метров.

Чтобы получить всю работу, потребную для победы одного кило над тяжестью земли, нужно пользоваться квадратным метром, освещенным лучами, в течение 501 минуты или 8 с лишком часов.

Все это очень немного; но при сравнении человеческой силы с силою притяжения последняя нам покажется огромной.

Так, допустим, что человек каждую секунду подымается по прекрасно устроенной лестнице на высоту 20 сант (около 4¹∕₂ вершка). Тогда предельная работа будет им совершена только в течение 500 дней тяжкого труда, если на ежедневный отдых подарим 6 часов. При употреблении для поднятия лошадиной силы сократим работу в пять раз. При 10 лошадиных силах понадобится только 10 дней, а при непрерывной работе – около недели.

При той работе, которую поглощает летящий аэроплан (70 сил), довольно одного дня.

Для большинства астероидов и для Марсовых лун эта работа полного одоления тяжести поразительно мала. Так, луны Марса не имеют в диаметре больше 10 километров. Если принять для них земную плотность (5¹∕₂), то работа (T₁) составит не более 16 килограмм-метров, т. е. соответствует поднятию на березу в 7¹∕₂ сажени высоты. Если бы на нашей луне, на Марсе оказались разумные существа, то победа над тяжестью для них была бы гораздо легче, чем для жителей Земли.

Так, для Луны (T₁) в 22 раза меньше, чем для Земли. На крупных планетоидах и спутниках планет победа над тяжестью была бы пустяками с помощью описанных мною реактивных приборов. Напр., на Весте (T_l) в 1 000 раз меньше, чем на Земле потому, что поперечник Весты равен 375 верстам. Поперечник Метиссы около 100 верст, a T₁ в 15 000 раз меньше.

Но это громаднейшие астероиды; большинство в 5–10 раз меньше. Для них T₁ в миллионы раз меньше, чем для Земли.

Работа силы тяготения

То, что нас удерживает на Земле – это сила тяжести, и для того, чтобы покинуть нашу «колыбель», надо ее преодолеть. Циолковский приводит расчет работы, которую нужно совершить, чтобы победить земное тяготение. Кстати, бóльшая часть энергии ракеты расходуется именно на это. Cила тяжести, – это произведение массы ракеты и ускорения свободного падения g. Для Земли оно равно 9,81 м/с².

Вот стартовал с Земли космический корабль, и, как мы видели в передачах, в какой-то момент в нем наступает невесомость (для его индикации космонавты берут с собой, как правило, мягкую игрушку – в невесомости она начинает плавать по кораблю). Обычно говорят, что космический корабль преодолел тяготение Земли. Это не совсем так. Корабль, который вращается на околоземной орбите, испытывает тяготение Земли, но за счет того, что двигается с очень высокой скоростью (об этом ниже), он не падает на Землю вертикально. Выражаясь научным языком, космический аппарат испытывает центростремительную силу. Эта сила является «обобщающей», складывается из вектора движения космического аппарата (по прямой, по касательной к Земле) и вектора силы тяготения (направленной к центру Земли). Если космический аппарат (КА) остановится, то невесомость пропадет.

Как нам известно из школьного курса физики, между телами, обладающими массой, существует гравитационное взаимодействие, которое описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Этот закон гласит, что сила притяжения между двумя материальными точками массы, разделенными расстоянием, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния. Согласно этому закону притяжение Земли будет ослабевать по квадрату расстояния от ее поверхности. Итак, если подняться на высоту, равную двум радиусам Земли (радиус Земли равен 6 371 км), то гравитация ослабнет только на ¼.

Современная наука изучает гравитационное взаимодействие. Это стало возможно благодаря разработке специальных телескопов и спутников. Гравитация рассматривается с точки зрения не классической (Ньютоновской механики), а общей теории относительности Эйнштейна.

Необходимые скорости. Так как мы раньше часто давали скорости, приобретаемые ракетой от действия взрывчатых веществ, то интересно знать, каковы они должны быть, чтобы одолеть сопротивление тяготения.

Мы опять не будем приводить банальных вычислений, с помощью которых скорости эти определяются, и ограничимся только выводами.

Так, скорость (V₁), потребная для поднятия ракеты на высоту (h) и получения после этого скорости (V), равна

Если тут положить, что V = 0, т. е. если тело движется вверх до остановки силою тяжести, то найдем:

Когда (h) бесконечно велико, т. е. если поднятие беспредельно и конечная скорость нуль, то необходимая для того у поверхности планеты скорость выразится:

По этой формуле вычислим для Земли: V₁= 11 170 метров в 1 секунду, или в 5 раз быстрее наибыстрейшего пушечного ядра, при его вылете из жерла.

Для нашей Луны V₁ = 2 373 метра, т. е. это близко к скорости ядра и скорости молекул водорода. Для планеты Агаты, имеющей 6 верст в диаметре и плотность, не бо́льшую плотности Земли (5,5), – (V₁) менее 5,7 метра в 1 секунду; такую же почти скорость (V₁) найдем и для спутников Марса. На этих телах Солнечной системы достаточно слегка разбежаться, чтобы навсегда освободиться от силы их тяготения и сделаться самостоятельной планетой.

Для планет, равноплотных с Землей, получим:

где g₁ и r₂ относятся к земному шару. Из формулы видно, что предельная скорость бросания (V₁) в этом случае пропорциональна радиусу (r₁) данной планеты.

Так, для наибольшего планетоида – Весты, поперечник которой близок к 400 километрам, найдем, что V_l = 324 метра в секунду.

Это значит, что даже ружейная пуля оставляет навсегда Весту и делается аэролитом, кружащимся вокруг солнца.

Последняя формула удобна для быстрого соображения о скоростях бросания на разной величины равноплотных планетах. Так, Метисса, один из крупных астероидов, имеет диаметр раза в четыре меньше, чем Веста, и скорость поэтому будет во столько же раз меньше, т. е. около 80 метров в секунду.

Вечное кружение вокруг планеты требует работы вдвое меньшей и скорости в раза меньшей, чем для удаления в бесконечность.

В современной космонавтике используют понятие «космическая скорость»[19]19
  § I.6.3. Закон Кеплера. Космические скорости. Физика: Для школьников ст. кл. и поступающих в вузы / Б. М. Яворский, А. А. Детлаф. – 3. изд., испр. – М.: Дрофа, 2000.– 795 с.: ил.; 22 см. – (В помощь абитуриенту).


[Закрыть], добавляя порядковый номер: первая, вторая или третья.

Для того чтобы подняться в космос, необходимо прежде всего преодолеть силу притяжения Земли. Общепринятая высота (принята Международной авиационной федерацией), на которой начинается космос, составляет 100 км, еще эта высота называется линией Кармана (по имени американского ученого Теодора фон Кармана (1881–1963))[20]20
  https://ria.ru/20090416/168315963.html «Где начинается граница космоса?».


[Закрыть]. На такой высоте привычные нам атмосферные летательные аппараты с крыльями летать не способны, т. к. атмосфера настолько разреженная (неплотная), что таким летательным аппаратам потребуется скорость выше первой космической, чтобы создавалась подъемная сила. Ракете для подъема не нужно опираться на воздух, но важно набрать определенную скорость для преодоления земного притяжения – первую космическую. Это скорость горизонтального полета, необходимая, чтобы сделаться спутником Земли и вращаться по орбите вокруг планеты. Она составляет 7,9 км/с. При такой скорости космический аппарат будет падать на поверхность очень медленно и по спиральной траектории, т. е. постоянно «промахиваться» мимо планеты. Так, спутники и Международная космическая станция (МКС) находятся в состоянии постоянного падения, за счет которого возникает состояние невесомости.

Чтобы полностью преодолеть гравитацию Земли и сделаться спутником Солнца, космическому кораблю нужно развить вторую космическую скорость. Циолковский вывел формулу для ее определения и рассчитал, что она составляет 11,2 км/с. Первым космическим аппаратом, который разогнали до второй космической скорости, стала советская автоматическая межпланетная станция «Луна‐1» для изучения нашего естественного спутника.

Если космический корабль разовьет скорость меньше второй космической, он будет вращаться вокруг Земли по эллиптической орбите, при второй (11,2 км/с) – по параболической, если скорость будет больше второй, корабль приобретет гиперболическую траекторию полета (расходящаяся спираль).

Время полета. […] Итак, чтобы получить время падения какого-нибудь небесного тела (напр., нашей ракеты) на центр (или, приблизительно, – на поверхность), вокруг которого оно обращается, надо время звездного обращения этого тела по кругу разделить на 5,66.

Так узнаем, что Луна падает до Земли 4,8 суток, а Земля до Солнца – 64¹∕₄ суток.

Наоборот, ракета, брошенная с Земли и остановившаяся на расстоянии Луны, летела в течение 4,8 суток, или около 5 дней.

Также ракета, брошенная с Солнца и остановившаяся под влиянием могучей силы его тяготения и недостаточной скорости ракеты, на расстоянии Земли, употребила бы на свой полет около 64 суток, или 2 месяца с лишком.

Время полета

Время полета зависит от скорости и высоты космического корабля. Полеты пилотируемых космических аппаратов на околоземной орбите происходят на высотах от 200 до 500 км, в термосфере (от греч. θερμoς – «теплый» и σφαiρα – «шар», «сфера»). На высоте ниже 200 км сказывается сопротивление атмосферы, а выше 500 км находится радиационный пояс Земли, который оказывает вредное воздействие на человека (орбита Международной космической станции находится на высоте около 400 км). Поскольку ракета движется с ускорением, разгоняясь все больше и больше при подъеме, среднее время полета современных ракет на околоземную орбиту составляет около 10 минут.

Если рассматривать время, необходимое для достижения Луны, то знаменитый полет американского «Аполлона‐11», который состоялся в июле 1969 года, длился около 73 часов (сам полет к Луне), что составило примерно трое суток. За это время космический корабль преодолел расстояние примерно в 380 000 км по эллиптической орбите. Получилось чуть быстрее, чем рассчитывал Константин Эдуардович[21]21
  Глава 12, «Экспедиция на Луну». Левантовский В.И., Механика космического полета в элементарном изложении, 3‐е изд., дополненное и переработанное. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1980. 512 с.


[Закрыть].

Полет к Солнцу тоже может пройти за более короткое время, поскольку сила его тяготения разгоняет приближающееся тело.

Работа солнечного тяготения. Определим работу тяготения Солнца, когда ракета направляется с земного шара. Конечно, выгоднее всего, чтобы снаряд был направлен по годовому движению Земли вокруг Солнца. Тут можно воспользоваться также и вращением нашей планеты вокруг оси.

Работа ракеты слагается из двух работ. Первая – одоление земной тяжести. Для единицы массы, напр. тонны, она выражается 6 366 000 тонно-метров, или секундной скоростью в 11 170 метров. Если ракета будет брошена по направлению годового движения Земли, то она удалится от Земли и сделается спутником Солнца, как и Земля. Она также будет иметь секундную скорость, положим (среднюю), в 29,5 кило. Для того чтобы теперь она совсем удалилась от Солнца, надо работу ее годового движения увеличить в 2 раза или скорость в , т. е. прибавить ей скорость, равную 29,5 ( – 1) = 12,21 кило. Полная работа выражается относительным числом (11,17)² + (12,21)², а скорость, потребная для получения всей работы, будет

кило.

Так как у ракеты второй опоры нет, то она сразу должна приобрести эту скорость, отталкиваясь от земли. Если воспользоваться вращением экваториальных точек Земли, то эта скорость еще уменьшится на 465 метров и будет составлять 16 085 метров, т. е. около 16 кило в секунду. Этой скорости, разумеется, более чем достаточно, чтобы долететь до любой планеты Солнечной системы. С ней можно вечно блуждать между звездами (солнцами), никогда не останавливаясь. Только нельзя будет вылететь или, вернее, удалиться навсегда от нашего млечного пути. Если бы мы вздумали начать полет против годового движения Земли, то потребовалась бы громадная скорость и ужасающая работа, чтобы одолеть солнечное тяготение. Действительно, при первой работе мы удаляемся от Земли, но не теряем опять своей годовой скорости в 29,5 кило. При отталкивании от Земли в противоположном направлении, чтобы удалиться от Солнца, мы должны потерять эту скорость и приобрести еще против годового движения скорость в 41,7 кило, т. е. всего 71,2 кило в секунду. Вся скорость, потребная для нашего дела, будет = 72,1. Эта скорость в 4½ раза больше, а работа в 20 раз, количество же взрывчатых веществ невообразимо велико. Менее невыгодно будет при бросании снаряда в нормальном направлении к годовому пути Земли.

К части «Работа солнечного тяготения»

Третья космическая скорость дает космическому кораблю возможность покинуть пределы Солнечной системы и отправиться к другим звездам, преодолев притяжение Земли и Солнца. Третья космическая скорость равна 16,65 км/с. Но для того чтобы покинуть Солнечную систему, пуск ракеты нужно производить по ходу вращения Земли и по траектории движения Земли вокруг Солнца. При таком пуске космический корабль приобретет скорость относительно Солнца: 29,8 км/с (скорость движения Земли вокруг Солнца) + 16,65 км/с = 46,9 км/с.

Пока ни один космический корабль не покидал околоземное пространство с третьей космической скоростью. По состоянию на конец 2017 года «Вояджер‐1» являлся самым быстрым из покидающих Солнечную систему космических аппаратов. Хотя запущенный 19 января 2006 года в сторону Плутона аппарат «Новые горизонты» имел более высокую стартовую скорость, в итоге он движется медленнее обоих «Вояджеров» благодаря удачным гравитационным маневрам последних.

Сопротивление атмосферы движению снаряда. Пока мы покажем только, что сопротивление атмосферы есть работа незначительная по отношению к работе тяготения. Потом эти вопросы разберем основательно. Пусть снаряд имеет отвесное движение. Если секундное ускорение его 30 м, то он пронижет 50 верст, т. е. почти всю атмосферу в течение 33 секунд. При этом наибольшая сек. скорость составит 1 кило. Но ведь эта скорость на высоте, где воздуха почти нет. Мы можем принять среднюю скорость не более полкилометра. Давление на 4 кв. метра сечения ракеты не будет превышать при такой скорости, по известным формулам, 10 тонн. Но так как ракета очень длинна, имеет хорошую форму и движется очень быстро, то это давление на плоское сечение уменьшается по крайней мере в 100 раз. Значит, оно будет не более 0,1 тонны. Наша большая ракета весит не менее 10 тонн. Давление на нее будет не менее 40 тонн. Таким образом, оно составит число в 400 раз больше того, которое выражает среднее сопротивление атмосферы. Полная работа снаряда или работа тяготения, конечно, будет в тысячи раз больше работы сопротивления атмосферы. Отсюда также видно, что воздух должен иметь незаметное влияние на скорость движения ракеты.