Читать книгу "О космосе"

Имеющаяся энергия. Приводим тут таблицу (1).

Мы видели, что работа тяготения Земли на килограмм массы составляет 6,37×10⁶ килограмм-метров или секундную скорость в 11 километров. С этой работой мы и будем сравнивать энергию, которой может распоряжаться человек. Верхняя часть табл. (1) относится к тому случаю, когда мы летим в пустоте и потребляем собственный, запасный кислород. В этом случае энергия взрывчатых веществ по крайней мере в 4 раза меньше, чем нужно для освобождения их от пут тяготения, предполагая полную утилизацию горения. Соответствующая скорость раза в 2 меньше. Нижняя часть табл. (1) относится к полету в воздухе, когда мы можем заимствовать кислород из окружающей среды, не запасая его в ракете. В таком случае имеющаяся энергия будет раза в 2 больше, чем потребно, также и скорость значительней.

Таблица 1

Энергия взрывчатых веществ на 1 кило продуктов

В общем выходит, что энергии взрывчатых веществ оказывается далеко недостаточно, чтобы хотя им самим приобрести скорость, освобождающую их от земного тяготения.

Нетрудно элементарно доказать, что, несмотря на это, снаряд может получить любую скорость, стоит только запасти побольше взрывного материала. При единице запаса (1) по отношению к весу пустого снаряда очевидно, и скорость будет близка к 5 км/сек., так как отталкивающиеся массы одинаковы (см. табл.). При относительном запасе в 3 скорость ракеты будет уже 10 кило. Действительно, отбросив 2 единицы взрывчатых веществ, получим скорость ракеты (с остатком) в 5 кило. Взрывая остаток (1), прибавим снаряду еще скорость в 5 кило. Всего приобретем 10 кило сек. скорости. Так легко докажем, что при запасах взрывчатых веществ в 7, 15 и 31 получим скорости корабля в 15, 20 и 25 кило. Между тем, даже для освобождения от солнечного тяготения довольно секундной скорости в 16–17 кило.

Разложение атомов есть источник огромной энергии, как это видно из последней строки таблицы. Эта энергия в 400 000 раз больше самой могучей химической энергии. Недостаток ее в том, что она чересчур дорога, недоступна и истекает крайне медленно, хотя и тысячи лет. Если бы мы даже добыли килограмм радия (чего нет), то и тогда выделяемая им энергия дала бы только 15 килограмм-метров в секунду, т. е. труд рабочего. Значит, такой мотор, при одном весе с авиационным, по крайней мере в 7 раз слабее последнего. Притом мы не имеем еще радиевого мотора, да и цена килограмма радия не меньше миллиарда рублей. Но нельзя быть уверенным в том, что не найдут со временем дешевые и быстро выделяющие источники энергии.

Получение космических скоростей вообще. Мы можем такую скорость получить и на планете. Получив ее, мы удаляемся в эфирное пространство, блуждаем среди планет и даже среди звезд. Но если мы не имеем там, в пути, реактивного прибора, тo движение наше будет подобно движению болида, т. е. оно не будет зависеть от нашей воли. Следовательно, без ракетного прибора обойтись все равно невозможно.

Получение скорости на Земле имеет большие преимущества, так как, двигаясь по ее поверхности, мы можем получать непрерывный приток энергии, не тратя запас.

Перечислю тут неосуществимые средства получения космических скоростей.

1) Невозможно пускать снаряд с вращающегося колеса или гигантской карусели, так как скорость по окружности колеса, независимо от его размеров, не может быть более 500–1000 метров в секунду; а это скорость не космическая. Даже при этой скорости колесо должно разорваться от центробежной силы. Кроме того, ни один организм не выдержит ее действия даже при диаметре колеса в 1 километр.

2) Невозможна короткая пушка, так как относительная тяжесть в ядре раздробит организм. Даже пушка длиною в 6 кило мала. Приводится ли ядро в движение газом, взрывчатым веществом, электромагнитной силой – это все равно.

3) Невозможна вертикальная пушка, так как такие сооружения при большой высоте неосуществимы.

4) Непрактична горизонтальная пушка, независимо от ее длины, так как при вылете ядро быстро потеряет почти всю свою скорость в плотном слое воздуха.

5) Невозможно приобретение космической скорости на небольших круговых путях, так как центробежная сила убьет организм, хотя хорошо укрепленную в почве дорогу и не разрушит.

6) Непрактично и получение космической скорости на огромных путях, расположенных горизонтально по экватору, потому что сопротивление воздуха, как и в предыдущем случае, поглотит всю скорость движения. Колеса для движущегося космического экипажа (для облегчения трения) непригодны.

Некоторую степень возможности имеют газовые и в особенности электромагнитные пушки, длиною не менее 60 кило, расположенные наклонно в горах, так что их жерло выходит на высоте 8 кило, где воздух уже втрое разрежается.

О том, что пушки не могут быть коротки, много уже писалось. Повторим и мы несколько слов. Человек, даже погруженный в воду, едва ли может выдержать относительную тяжесть в 100 раз бóльшую земной. Следов., секундное ускорение движения ядра в пушке не может быть более 1000 метров (10×100). Если надо избавиться от тяготения Земли, то приходится в канале приобрести скорость в 12 кило. Это может совершиться в течение 12 секунд. Средняя скорость ядра будет 6000 м. В 12 сек. оно пройдет 72 кило. Такова и наименьшая длина пушки. Но, по всей вероятности, она в 10 раз больше, так как человек и в жидкости не выдержит более чем десятикратное утяжеление. Короткие стальные пушки пригодны лишь для бросания стальных же сплошных ядер. И такие пушки должны быть по крайней мере в 100 раз длиннее обыкновенных артиллерийских орудий, иначе и ядра, без людей, будут раздроблены.

«Человек, погруженный в воду»

Циолковский понимал, что движение с большой скоростью вызовет перегрузки, и чем больше скорость, тем они будут больше. Константин Эдуардович проводил опыты по изучению влияния перегрузок на живые организмы (как пишет ученый в автобиографии, на центробежной машине[22]22
  Центробежная машина – изобретение Константина Циолковского, созданное им в 1879 году. Это не имеющее аналогов устройство использовало центробежную силу для того, чтобы моделировать условия, которые возникают при вращении тела вокруг своей оси.


[Закрыть] усиливал вес цыплят в несколько раз, и это не оказало вредного воздействия на них).

Полет с большим ускорением происходит с возникновением перегрузки.

Перегрузка – это показатель величины ускорения, воздействующего на человека при его перемещении. Он представляет собой отношение равнодействующей перемещающих сил к массе тела человека. Перегрузка измеряется в единицах, кратных весу тела в земных условиях. Обозначается буквой g. Для указания значения перегрузки перед буквой g ставят цифру, которая показывает во сколько раз ускорение больше ускорения свободного падения. Перегрузка в 0 g испытывается телом, находящимся в состоянии свободного падения под воздействием только гравитационных сил, то есть в состоянии невесомости. Перегрузка, испытываемая телом, находящимся на поверхности Земли на уровне моря, равна 1. Так как перегрузка возникает при линейном ускорении, она является векторной величиной. По направлению действия перегрузки делятся на положительную (когда ускорение направлено от ног к голове, а вектор перегрузки – от головы к ногам) и отрицательную (когда ускорение направлено от головы к ногам, а вектор перегрузки – от ног к голове). Наиболее благоприятное положение тела человека, при котором он может переносить наибольшие перегрузки, – лежа на спине, лицом к направлению ускорения движения, наиболее неблагоприятное – в продольном направлении ногами к направлению ускорения. При положительной перегрузке кровь уходит от головы в ноги, желудок опускается вниз и при длительном действии (при перегрузке 7–8 g) может приводить к потемнению в глазах, потере зрения и сознания. Обычный человек может выдерживать перегрузки до 15 g около 3–5 секунд без потери сознания. Перегрузки в 20–30 g и более человек может выдерживать без потери сознания не более 1–2 секунд.

Для преодоления перегрузок Циолковским предлагалось помещать космонавтов в жидкость, тем самым создав условия для лучшего их переноса. Такой способ, как мы знаем на практике, не использовался, и космонавтов по-другому готовят к преодолению перегрузок. Главным способом является наземная тренировка в центрифуге. Непосредственно в полете космонавты одеты в специальные противоперегрузочные костюмы. Они представляют собой одежду типа комбинезона, конструкция которого предусматривает возможность создания внешнего давления с целью противодействия смещению крови в сосуды нижних конечностей и живота – корсет со шлангами, надувающимися от воздушной системы. Расположение космонавтов при старте ракеты и ее полете (пока работают двигатели) тоже очень важно: космонавты лежат в специальных креслах – ложементах (они изготавливаются индивидуально для каждого члена экипажа) лицом по направлению движения, ноги к груди (поза эмбриона) – в такой позе перегрузка переносится наиболее безопасно.

Самую большую перегрузку пережил экипаж корабля «Союз 18/1» (советские космонавты Василий Лазарев и Олег Макаров). 5 апреля 1975 года из-за отказа двигателей третьей ступени ракеты сработала система аварийного спасения экипажа – САС, она должна была погасить огромную скорость и, следовательно, большие перегрузки (около 19 g). Но автоматика сработала в прямо противоположном режиме и вместо снижения перегрузки до безопасного значения увеличила ее. Какой величины тяжесть, давившая на космонавтов, достигла на пике, точно не известно. Василий Лазарев рассказывал, что специалисты, разбирая телеметрию, отметили, что на несколько секунд она выросла до безумных 21,3 g. В этот момент у космонавтов отказало зрение и была зафиксирована остановка сердца[23]23
  Афанасьев И.Б. Отечественные пилотируемые космические посадки. – М.: Фонд «Русские витязи», 2016.– 527 с.


[Закрыть].

С первого раза кажется, что газ, скорость частиц которого при обыкновенной температуре не превышает 2 километров в сек., не может дать космических скоростей. Но это ошибка, которую мы сейчас выясним.

Представьте себе большой резервуар (А) с водородом или другим газом и примыкающий к нему цилиндрический ствол (В). На снаряд (В) производится давление тем более постоянное, чем резервуар (А) больше сравнительно с объемом цилиндра (В).

Значит, в предельном случае работа, получаемая ядром, пропорциональна длине ствола, а скорость ядра пропорциональна квадратному корню из этой длины. Следовательно, она неограниченно велика. Этот странный вывод (парадокс) объясняется тем, что работа совершается на счет всей газовой массы (А). А так как она может быть велика, то и отдаваемая ядру работа может быть громадной. Ведь большую скорость получает только незначительная масса газа в стволе и сам снаряд. Остальная масса (А) имеет малую скорость, но зато она охлаждается. За счет этой выделенной огромной теплоты и получается работа движения ядра и газа в стволе (В). Ясно, что для приобретения наибольшей работы и скорости полезно подогревание газа струями пара или другими приемами, которых множество. Удобно подогревание электрическим током через протянутые в (А) проводники.

Циолковский приводит расчеты получения космических скоростей при выстреле ядра из пушки – давления в пушке (в стволе), массы ядер и затрачиваемой работы.

Как мы понимаем, с помощью пушки ничего в космос отправить нельзя из-за громадного давления в момент выстрела (снаряд во время выстрела испытывает перегрузку порядка 47 000 g), да и затраты на такой выстрел будут очень велики.

Электромагнитные пушки имеют большое преимущество, так как не требуют резервуара, гораздо осуществимее, экономнее и имеют обильный приток боковой энергии на всем их протяжении, легко подводимой проводниками из боковых станций.

Пушки со временем могут иметь большое применение для массового отправления снарядов: для космических переселений в большом масштабе и как дополнение к ракетному способу. В самом деле, при получении с помощью пушки первой космической скорости в 8 километров ядро возвращается обратно на Землю и расшибается, благодаря тому, что его скорость не параллельна экватору (или меридиану). Для первых важных достижений, т. е. для поселений по близости Земли, но вне атмосферы, необходимо соединение пушечного метода с ракетным: ядро приобретает скорость меньшую 8 километров, но потом добавляет его взрыванием, как ракета. Так как направление взрывания переменно и зависит от нас, то снаряд может приобрести достаточную скорость по окружности, чтобы сделаться близкой и маленькой луной Земли.

Без ракетного приспособления можно обойтись, когда цель снаряда (выброшенного из пушки) – стать на орбиту Земли или пролететь поблизости планет нашей системы. Также тогда, когда она должна освободиться от притяжения Солнца и блуждать среди иных солнц, в Млечном Пути.

Во всяком случае, пушки (и электромагнитные), вследствие своего большого протяжения, страшно дороги, мало осуществимы (в настоящее время), и притом реактивный прибор может обойтись и без них. Я только указал, что они не представляют нелепости и могут со временем, когда космические переселения приобретут обширное применение, послужить также делу завоевания coлнечных систем.

Ракета в сравнении с пушкой – то же, что бактерия в сравнении со слоном. Ракетою я называю реактивный прибор, который двигается отталкиванием вещества, запасенного в нем заранее. Нет машины и нет организма, которые не отталкивали бы от себя материи: человек выделяет непрерывно кожей пар, также и паровая машина, но действие это слабо в сравнении с другими силами, в них работающими, и потому такие приборы нельзя называть реактивными. Ракета подобна увеселительной ракете. Отличие ее от других экипажей и кораблей в том, что последние отталкивают вещество, вне их находящееся.

О ракете и ракетном двигателе

Часть работы, посвященная описанию ракеты и ракетного двигателя, по сути, является ключевой. Прочитав ее, понимаем, что сейчас полет в космос происходит так, как описывал Циолковский более чем за полвека до полета Юрия Гагарина.

Константин Эдуардович указывает шесть невозможных способов разгона космического аппарата до первой космической скорости и придания ему нужной траектории полета. Он показывает их невозможность, однако замечает, что способ путем выстрела из пушки, совмещенный с ракетным способом, имеет перспективы. Но зачем пушка, если ракетный прибор может обойтись без нее?

Циолковский в своей работе рассматривает главную идею: преодоление земного тяготения возможно только с помощью ракеты с реактивным двигателем.

Ракеты, точнее ракетный двигатель, работающий на реактивной тяге, известны давно – это не что иное, как фейерверк. Первые ракеты появились в Китае в III веке н. э. и, соответственно, ракетные двигатели являются одним из старейших двигателей, известных человечеству. Первые боевые ракеты появились в XVI веке, тогда же возникла теория о многоступенчатых ракетах. Автором был изобретатель Конрад Хаас (1509–1576), который придумывал различные виды вооружений для императора Фердинанда I (император Священной Римской империи в 1556–1564 годах). На протяжении веков ракеты совершенствовались. В России данным вопросом занимался генерал Александр Дмитриевич Засядко (1779–1837). Он первым предложил использовать их для полета в космос. В 1881 году российский изобретатель и революционер Николай Иванович Кибальчич (1853–1881) создал собственную теорию ракетных двигателей – он задолго до Циолковского обосновал вид топлива для ракеты (порох). Поскольку проект ракеты Кибальчич разработал незадолго до казни (был осужден вместе с другими за убийство Александра II), его работа вышла в свет только в 1918 году.

Как работает реактивный двигатель, в частности, ракетный? Согласно третьему закону Ньютона, «силы взаимодействия двух материальных точек равны по величине, противоположно направлены, и действуют вдоль прямой, соединяющей эти материальные точки», или простыми словами, сила действия равна силе противодействия. Примеров реактивного движения много. Одним из простых является полет воздушного шарика: если его надуть и отпустить, то за счет выхода воздуха под давлением шарик будет летать, пока не кончится воздух в нем. Реактивное движение используют кальмары для передвижения в воде (они засасывают воду, а затем с силой выталкивают ее). Работа реактивного двигателя основана как раз на этом законе: в результате превращения потенциальной энергии в кинетическую (часть полной энергии, обусловленная движением) рабочее тело (им может быть в принципе что угодно: жидкость или газ) отбрасывается с большой скоростью (создается реактивная тяга, и это заставляет тело двигаться в противоположном отбросу направлении. В кинетическую энергию реактивной струи можно преобразовать другие виды энергии (химическая, ядерная, электрическая). Циолковский не зря рассматривает в работе в качестве реактивного двигателя колесо Франклина и радиоактивные элементы. Сейчас ведутся разработки ионных двигателей и ядерных ракетных двигателей, но в силу сложности конструкции, опасности применения и небольшой тяги в условиях земной атмосферы применять такие виды двигателей пока возможно только в космосе.

Для реактивного движения в условиях атмосферы и для полета в космос используются двигатели, в которых рабочим телом является разогретый газ, который получается после сжигания топлива. В таких двигателях в результате сжигания топлива в камере сгорания происходит образование разогретого до высокой температуры газа, выходящего через сопло (канал с переменным по длине поперечным сечением, предназначенный для разгона жидкостей или газов до заданной скорости и придания потоку заданного направления Циолковский называет его трубой, но из трубы двигатель не получится). Использование трубы, как пишет ученый, не даст большой скорости потоку раскаленных газов, да и полное использование теплоты газов не даст большого эффекта двигателю. Как раз выходящий из сопла поток газов, расширяясь, толкает ракету вперед. При этом для полетов в атмосфере используют воздушно-реактивные двигатели, которые для сжигания топлива расходуют воздух из атмосферы. Для ракеты такой двигатель не годится. Для полетов в разреженной атмосфере или в отсутствие нее необходимо, чтобы, помимо топлива, имелся окислитель (для сгорания топлива, как правило, это кислород). Этим и отличаются ракетные двигатели: они не используют атмосферный воздух, а топливо воспламеняется и горит за счет смешения его с окислителем. С помощью насоса высокого давления в камеру сгорания подается топливо и окислитель (подаются они непрерывно, скорость подачи топлива и окислителя зависит от скорости реактивной струи), происходит их воспламенение, и разогретый газ через сопло выбрасывается, создавая реактивную тягу[24]24
  Статья «Реактивный двигатель» Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В. П. Глушко; Редколлегия: В. П. Бармин, Я. Д. Бушуев, В. С. Верещетив и др. – М.: Сов. энциклопедия, 1985. – 528 с., ил., 29 л. ил.


[Закрыть].

По прошествии почти 100 лет с момента опубликования работы Циолковского можно смело утверждать, что ученый, несмотря на оторванность от научного сообщества, пришел к правильным выводам и решениям о ракете и ракетных двигателях. Расчеты, приведенные в работе, легли в основу проектов современных ракетных двигателей.

Значит, выгодно, чтобы частицы отброса отталкивались в прямо противоположную сторону от движения снаряда со скоростью самой ракеты. Тогда получим идеальное использование (Пр) затраченной работы.

Но мы имеем в виду от данной запасенной массы отброса получить наибольшую скорость снаряда. Выгодно с отбросом соединять энергию, чтобы самый отброс был в то же время и источником энергии. Иначе дело будет хуже. Действительно, если мы возьмем, напр., песок для отброса и углерод с кислородом (как соединение энергии с отбросом), то мы менее выгадаем, чем если возьмем в запас одни горючие вещества.

Во втором случае, при одной массе запаса, энергия на единицу массы запаса будет больше, и потому получится бÓльшая скорость отброса, а, стало быть, и ракеты. Вообще, энергия материальна. Даже электричество и свет материальны, не говоря уже про взрывчатые вещества. Чтобы снаряд получил наибольшую скорость, надо, чтобы каждая частица продуктов горения или иного отброса получила наибольшую относительную скорость. Она же постоянна для определенных веществ отброса. Что толку, если мы сэкономим энергию, не имея отброса. Экономия энергии тут не имеет места: невозможна и невыгодна. Другими словами, в основу теории ракеты надо принять постоянную относительную скорость частиц отброса.

Другое дело т. н. реактивный аэроплан, который может воспользоваться воздухом, как предметом отброса. Тут выгодно экономить запасенную энергию, которая, между прочим, должна быть использована и как отброс. Но такой снаряд не есть чисто реактивный прибор.

«Реактивный аэроплан»

Как уже указывалось в биографии ученого, он занимался разработкой модели аэроплана и предложил конструкцию самолета, которую реализовали спустя 15 лет. Работы над покорением космического пространства с помощью ракет дали идею использования аэроплана для полета в космос. То есть примерно в 20–30‐х годах прошлого века Циолковский предложил создание реактивной авиации, а покорение космоса с помощью аэроплана – это не что иное, как многоразовый челнок типа отечественного «Бурана» или американского «Спейс шаттл» (космический корабль самолетного типа).

Может быть еще такой случай, когда, помимо энергии отброса, мы имеем еще приток энергии извне. Этот приток может подаваться с Земли во время движения снаряда в виде лучистой энергии с тою или другою длиною волн, также в форме альфа– и бета-частиц, также от Солнца.

Земной приток энергии заманчив, но мало данных для его обсуждения. Солнечный же приток энергии имеет место, когда уже ракета вне атмосферы. В обоих случаях запасный отброс не нужен, так как энергия, притекающая извне, сама содержит отброс в виде альфа– и бета-частиц. Надо только уметь направить их в сторону, противоположную желаемому направлению ракеты. Дело будет яснее, если мы запасаем радиоактивное вещество. Скорость частиц его так громадна, что запас его может быть очень мал в сравнении с массой ракеты.

Из формулы видно, что окончательная скорость снаряда пропорциональна относительному запасу отброса (или вообще отбросу, так как запаса может не быть) и относительной скорости отброса (напр., частиц альфа).

Если Со = 3×10⁸ м, Mo = Мр, то Скр = 3×10⁸ м. Эта скорость в 18 000 раз больше той, какая нужна для одоления притяжения солнца. Энергия же этого движения в 324 миллиона раз больше, чем нужно. Летя с такой скоростью, эфирный корабль достигнет ближайшего солнца или ближайшей иной солнечной системы в 4 года. Тут предполагается заимствование энергии извне. Для применения формулы к радиоактивному веществу надо, чтобы отношение (Mo: Мр) было мало. Если, например, оно равно 0,1, то для достижения иного соседнего солнца потребуется 40 лет.

От Солнца нельзя набрать так много частиц, ибо при удалении от Солнца приток их почти прекращается. Известные радиоактивные вещества, кроме того, разлагаются очень медленно и дают в секунду очень недостаточную работу. Количество их, имеющееся в руках человека, также ничтожно. Но будущее неизвестно: земной шар и его вещества мало исследованы. Он может дать еще много неожиданного.

Положим в формуле 25: Со = 30×10⁶ м, а Скр = = 17×10³, т. е. такую скорость снаряда, которая только немного больше требуемой для вечного удаления от Солнца.

Получим: 26… Мо/Мр = Скр/Ско = 0,00057.

Значит, относительная масса отброса или радиоактивного вещества составляет в этом случае около 1/2000 массы снаряда. Если, например, он весит тонну, то масса отброса составит только 568 грамм, или меньше полутора фунта. Масса отброса так мала, что масса ракеты может считаться постоянной, и формулы применимы почти без погрешности при употреблении будущих пригодных радиоактивных веществ, если только скорости их частиц такого же порядка, как скорости альфа (электричество или радий).

Во Франклиновом колесе использование выгоднее, потому что частицы приводят в движение сравнительно огромную массу воздуха (электрический ветер). Но в пустоте использование энергии так мало, что колесо не вращается, т. е. получаемая работа не может одолеть трения. Принцип Франклинова колеса мог бы иметь применение при полете снаряда в воздухе.

Колесо Франклина

Бенджамин Франклин (1706–1790) выдающийся политический деятель США был еще и известным изобретателем, занимался изучением атмосферного электричества (молний). Он выдвинул идею электрического двигателя, который представлял собой такое устройство: на вертикально закрепленную ось устанавливается крестовина (так, чтобы свободно вращалась на оси) из проводящего материала с загнутыми под прямым углом заостренными концами. При подаче высокого напряжения у острых краев крестовины создается сильное электрическое поле. Нейтральные молекулы воздуха поляризуются и притягиваются к острию. Коснувшись острия, они заряжаются одноименно с ним и отталкиваются. Поскольку одноименные заряды отталкиваются друг от друга, молекулы удаляются от острия с бóльшими скоростями, чем приближались к нему. Возникает поток заряженных частиц, направленный от острия. Силы «выбрасывания» заряженных молекул хватает, чтобы раскрутить крестовину.

Этот эффект используется в ионных двигателях, которые устанавливают на спутники для их ориентации в космосе. Большой ионный двигатель, способный разогнать ракету до космических скоростей (хотя бы первой), пока только разрабатывается учеными.

Превращение тепловой энергии в механическое движение. Обратимся к взрывчатым веществам. Источник их энергии есть химическое сродство. В общем они дают лишь теплоту, т. е. беспорядочное движение частиц (молекул). Нужны особые машины, чтобы получить из такого движения (из теплоты) движение частиц согласованное, параллельное, в одну сторону, одним словом, движение простое, видимое. Для реактивного аппарата надо, чтобы, возможно, бÓльшая часть тепловой или химической энергии частиц превратилась в их согласованное поступательное движение. Тогда исчезает теплота, а взамен ее мы получаем механическое движение или быстро движущуюся струю. Для этого употребляют длинную трубу. В одном конце ее происходит взрыв или горение, а из другого стремительно вылетают газы и пары. Стенки трубы имеют свойство беспорядочное (в разные стороны, колеблющееся) тепловое или химическое движение (незаметное, ощущаемое как теплота) направлять в одну сторону, превращать в поток, подобный речному. Но необходимо, чтобы продукты горения были газообразны или парообразны (летучи), с возможно низкой температурой ожижения. Если это так, то газ, расширяясь в трубе, все более и более охлаждается, теплота исчезает, заменяясь газовой струей. Если труба короткая, то газ вырывается из нее, имея высокую температуру, и энергия ее не будет использована (так бывает в пушках и ружьях). После выхода из трубы газ продолжает расширяться и охлаждаться, но движение происходит в разные стороны, что для нас не пригодно. Еще хуже, если взрыв происходит без трубы. Чересчур длинная труба выгодна, но она обременит своей массой ракету и потому тоже не годится.

При шестикратном расширении газов абсолютная температура понижается вдвое. Использование тепла будет в 50 %. При расширении в 36 раз используется уже 75 % и т. д. Итак, труба должна быть настолько длинна, чтобы газ при выходе расширился, по крайней мере, в 36 раз. Еще лучше – в 1300 раз. Тогда пропадет только 5 % всей тепловой энергии. Совершенно непригодны вещества, дающие нелетучие продукты, например окись кальция: энергия велика, но использовать ее трудно, так как нет газа (он есть только при очень высокой температуре, как на Солнце), нет расширения. Энергия превращается в лучистую и теряется в эфире. Терпимы парообразные продукты, в особенности в смеси с газообразными. Например, при сгорании углеводородов с кислородом или с его азотными соединениями выделяются газы (углекислый, азот) и пары воды. При сильном расширении прежде ожижаются в капли пары воды. Но в присутствии газов они передают свою теплоту газам, которые и используют их энергию. Также может быть использована и энергия, выделяемая при замерзании воды. Абсолютная температура взрывающихся газов в первый момент должна бы достигать 10 000 градусов; но при такой температуре только малая часть элементов находится в соединении, остальная разложена. Первая, сложная часть, только при расширении своем и понижении температуры постепенно возрастает. Поэтому температура взрывающихся веществ на деле едва ли превосходит 3000 градусов.

Как видно, даже при использовании в 95 % температура еще составляет 352 °C. При ней пары в ожижение прийти не могут, и потому не используется при таком расширении даже скрытая теплота ожижения. Значит, выгодно дальнейшее расширение, возможное лишь в пустоте. Тогда труба еще должна удлиниться.

Взрывание при высоком давлении особенно необходимо во время полета в атмосфере. Взрывание не может давать давление меньше атмосферного, ибо, в противном случае, не будет расширения и потока. Но и при много превышающем давлении использование будет тем меньше, чем ниже давление в сравнении с воздушным. Если, например, давление газов в 6 раз больше воздушного, то использование не может быть больше 50 %. Если давление газов в 36 раз больше давления среды, то использование меньше 75 %.

В пустоте – другое дело. Там упругость взрывающихся газов может быть очень мала, только труба будет шире, вес же ее останется почти без изменения. Мы не теряем в использовании, теоретически, ни при каком самом малом давлении взрыва, если только ракета в пустоте. Итак, выходит, что в начале полета снаряда давление в трубе должно быть очень высокое в сравнении с атмосферным; затем, по мере поднятия, это давление может пропорционально понижаться, а в эфире, вне воздуха, может быть как угодно слабо. На практике это мало применимо, так как труба должна быть для этого то узкой с толстыми стенками, то широкой со стенками тонкими.

Надо выбрать среднее давление, превышающее, конечно, атмосферное, и его придерживаться до получения устойчивого положения, подобного положению небесных тел. После этого давление может быть произвольно малым.

Давление одних и тех же взрывных веществ может изменяться от 5000 атмосфер до желаемо малой величины. Дело в том, что в одной и той же трубе сила взрыва зависит от тщательности смешения элементов горения. Смешение может быть так совершенно, так тесно, что взрыв будет почти моментальный. И, наоборот, он может быть медленным, как горение при плохом смешении, когда части соединяющихся веществ очень крупны. Этим путем и регулируется давление. Так, более или менее сильное действие пороха зависит от его приготовления.

При высоком давлении использование энергии велико, но требуется неодолимо большая работа для вталкивания масс во взрывную трубу. Поэтому надо, по возможности, не очень теряя в использовании, понизить максимальное давление в трубе. В температуре мы тут не выигрываем. Она неизбежно высокая, именно 3–4 тысячи градусов Ц. Искусственное охлаждение наружных стенок трубы необходимо.