Читать книгу "О космосе"

Мы можем сейчас указать на потребный минимум давления. Он определяется влиянием атмосферы, ее давлением. Если начать полет с высоких гор, то атмосферное давление можно принять в 0,3 килогорамма на квадратный сантиметр. Это составляет около трети давления при уровне океана. Значит, при вылете газы трубы не должны иметь меньше 0,3. В начале же трубы давление должно быть по крайней мере в 36 раз больше (использ. 75 %). Итак, максимальное давление газов не должно быть менее 10 атмосфер. В нижних же слоях – не менее 30 атмосфер. Во всяком случае, можно ограничиться 100 атмосферами.

Рассчитаем величину площади основания взрывной цилиндрической трубы при этом давлении. Если ракета весит тонну, а со взрывным материалом 5 тонн, если давление на нее от взрывания в 2 раза превышает ее вес, то надо получить давление на дно трубы в 10 тонн. Площадь основания трубы будет равна 100 квадратным сантиметрам. Диаметр круглой площади основания составит 11,3 сантиметра. Мы уже говорили, как получить низкое давление: чем крупнее элементы взрыва, т. е. чем хуже они размешаны, тем взрыв слабее. Все же в запертом пространстве, в конце концов, давление достигнет огромной величины. Но, во‐первых, труба широка и открыта, во‐вторых, размешивание таково, что давление получается, какое нам нужно. Повторяю, что мы нисколько не теряем энергии горения от слабого давления. При беспорядочном взрыве (взрыве частном в общей массе) происходит охлаждение и бурное движение (порыв). Но движение, не совершая работы, тут же превращается в теплоту, и температура восстановляется. Физики хорошо это понимают. Если использование энергии и будет хуже при малом давлении, то виновата в этом атмосфера. Она не позволяет взрывчатым веществам расширяться неограниченно. Но зато при большом давлении труба будет короче, что составляет экономию веса. В пустоте, увеличивая длину трубы, мы можем довести использование энергии горения почти до 100 %; но длина трубы будет тогда обременительно велика. Я много раз доказывал, что работа вталкивания взрывных материалов в трубу довольно велика и при наибольшем давлении неодолима. Для избежания этого можно сделать так, чтобы давление в начале трубы периодически менялось, например, от 200 атмосфер до нуля и от нуля до 200. Оно будет волнистым. Среднее давление может быть в этом случае очень велико, лишь бы перенес его человек. Взрывчатые вещества тут должны вталкиваться в моменты слабейшего давления, периодически. Тогда работа вталкивания будет ничтожна, а использование теплоты или химического сродства гораздо больше. В воде же толчки не отразятся вредно на человеке.

Движение ракеты от взрывания в пустоте и в среде, свободной от тяжести. Хотя и невыгодно давать отбросу относительную скорость, бÓльшую или меньшую абсолютной скорости снаряда, но при употреблении взрывчатых веществ относительная их скорость поневоле, постоянна. Чем она, вообще, больше, тем бóльшую скорость получает аппарат. Если так, то сначала скорость частиц отброса больше скорости ракеты и использование очень мало, затем обе скорости равны, использование полное. Далее, скорость отброса меньше, и использование уклоняется от полного. Короче, использование энергии или переход ее в движение ракеты начинается с нуля, постепенно возрастает, доходит до 100 %, затем непрерывно уменьшается, спускаясь в пределе до нуля.

При взрывании мы имеем две потери. Прежде всего не вся энергия тепла превращается в движение отброса. Но чем длиннее труба и чем газообразнее продукты отброса, тем эта потеря меньше. В пределе она нуль. На практике использование не должно быть меньше 75 %. Вторая потеря зависит от того, что отброс имеет одну и ту же относительную наибольшую скорость, не равную ускоряющемуся движению снаряда. Как увидим, эта потеря, при космических скоростях составляет не менее 35 %, а использование – не более 65 %. В среде тяготения, в которой мы живем на Земле, оно меньше. Если принять вторичное использование в 50 %, то ракета превращает в свое движение около 37 % (0,75×0,5) всей потенциальной энергии взрывчатых веществ.

Наибольшую скорость получает ракета, когда израсходует весь запас взрывчатых веществ, или когда Мо = 0.

В таком случае

Из последней формулы видно: 1) максимальная скорость снаряда (Скр) тем больше, чем бо́льшую скорость имеет отброс (Ско). 2) (Скр) может беспредельно возрастать с увеличением относительного количества отброса. Но возрастание это, сначала довольно быстрое, потом делается все более и более медленным. Если отношение (Mo1: Мр1) очень мало, то математики легко докажут, что . Значит, в этом случае (Скр1) пропорциональна запасу (Мо1). Напротив, в пределе, когда отношение (см. 38) очень велико, , т. е. возрастание скорости будет чрезвычайно медленное. 3) Скорость ракеты не изменяется, если отношение (Мо1: Мр1) остается постоянным. Отсюда видно, что космическая скорость не зависит от абсолютной величины массы снаряда. Иными словами, масса снаряда и его нагрузка произвольно велика, если не считаться с иными условиями. 4) Окончательная (Скр1) не зависит от порядка взрывания. Проходит ли оно равномерно или нет, секунды или тысячелетия, это все равно. Даже перерывы ничего не значат.

Формула 38 – знаменитая формула Циолковского[25]25
  § I.2.6. Движение тела переменной массы. 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]

Как уже знает читатель, для покорения космического пространства нужно приобрести определенную скорость. Как раз ее приобретение – важная задача, ведь надо учесть множество параметров и одним из главных является масса. Масса ракеты складывается из веса самой конструкции ракеты (пустые топливные баки, оболочка, каркас и т. д.), полезного груза (спутника или космического корабля с космонавтами) и топлива (имеется в виду самотопливо и окислитель) и очевидно: чем больше вес сухой ракеты (сухая масса ракеты без учета груза и топлива) и груза, тем больше топлива нужно, а вес топлива складывается с весом ракеты и груза, но если взять больше топлива, то нужно топливо, чтоб везти топливо, которое уже взяли, и так можно увеличивать вес до бесконечности. Константин Эдуардович, решая задачу покорения космоса, вывел уравнение движения ракеты, которое является важной частью математического аппарата в ракетодинамике и ракетостроении, используется и по сей день. Уравнение так и называется, «формула Циолковского», результатом ее применения является конечная скорость, которую приобретает ракета в зависимости от скорости истечения газов из двигателя, массы полезного груза и массы топлива в отсутствие посторонних сил, такая скорость называется характеристической. Благодаря формуле Циолковского определяется скорость одноступенчатой ракеты в момент окончания работы двигателей (после расхода всего запасенного топлива) при отсутствии внешних сил.

Для расчета количества топлива, необходимого, чтобы ракета приобрела скорость для выхода на нужную орбиту, как раз и используют эту формулу. Ведь чем больше вес сухой ракеты, тем больше топлива надо взять, но само топливо тоже прибавляет вес – замкнутый круг, казалось бы. Нужно приходить к балансу. В процессе полета ракета теряет массу (поэтому ее называют телом переменной массы), следовательно, при той же тяге двигателей она быстрее набирает скорость. Таким образом, учтя все эти особенности, формула Циолковского позволяет оценить, какую окончательную скорость получит ракета и сколько топлива ей для этого надо. Обращу внимание читателя на то, что сейчас в космос запускают ракеты, состоящие из нескольких ступеней, которые, поочередно работая, ускоряют космический корабль. Формула 38, приведенная здесь, подходит для одноступенчатой ракеты, малоэффективной для покорения космического пространства. Эту проблему Циолковский предложил решить, составив из одиночных ракет своеобразный поезд. Идея описана в 1929 году в труде «Космические ракетные поезда». Ракетный поезд Циолковского – это современная многоступенчатая ракета, расчет скорости, массы и запасов топлива которой также производится по его формуле.

Формула Циолковского – основа всех космических полетов.

Наше исследование применяется в следующих случаях:

1) в среде без тяжести, напр., между солнцами или млечными путями, где тяжесть близка к нулю;

2) на малых астероидах, малых лунах (Луны Марса) и на всех малых небесных телах, напр., на кольцах Сатурна, где тяжестью тоже можно пренебречь;

3) на орбите Земли;

4) в каждом месте любой солнечной системы, на каком угодно расстоянии от небесного тела, если снаряд вне атмосферы и приобрел или не приобрел скорость, препятствующую ему задевать небесное тело или его атмосферу.

Потом увидим, что для избежания потери энергии направление взрывания должно быть нормально к равнодействующей силе тяготения.

Отсюда видно, что достаточно только освободиться от планетной атмосферы и сделаться спутником этой планеты, хотя бы на очень близком от нее расстоянии, чтобы дальнейшее движение и перемещение по всей вселенной было совершенно обеспечено. Действительно, взрывание тогда может быть очень слабым, а энергия, потребная для этого, может быть заимствована от энергии Солнца. Опорный материал дадут частицы альфа, и бета, повсюду рассеянные, или болиды, космическая пыль и другая небесная мелочь.

Первый великий шаг человечества состоит в том, чтобы вылететь за атмосферу и сделаться спутником Земли. Остальное сравнительно легко, вплоть до удаления от нашей солнечной системы. Но я, конечно, не имею в виду спуск на массивные планеты.

Движение ракеты в среде тяжести, в пycтоте. Устраним мысленно атмосферу или вообразим себя на Луне или другой планете, имеющей сушу и не окруженной газами или парами. Медленным вращением планеты пренебрегаем. Полет снаряда может быть:

1) отвесным;

2) горизонтальным;

3) наклонным.

Разберем вопрос вообще (см. черт.).

На ракету действует сила тяжести (Т), выражаемая секундным ускорением, затем сила взрывания по направлению длинной оси снаряда (С). Между направлениями этих сил образуется данный угол (Уг), больший 90°. Угол силы взрывания с горизонтом будет Уг – 90 = У. Это будут три данные величины. Неизвестны: направление движения ракеты, определяемое углом (Ух) или углом (X), и величина равнодействующей (P), т.e. секундное истинное ускорение снаряда (Р).

Легко и так видеть, что при направлении взрывания, нормальном к силе тяготения (горизонтальном), использование такое же, как при полном отсутствии тяжести. Близко к планете (у самой поверхности) горизонтальное взрывание неприменимо, так как ракета, понижаясь, заденет за почву. Но на некоторой высоте, даже в воздухе, оно возможно, а также тогда, когда ракета, в силу приобретенной космической скорости, уже не может задеть за атмосферу и носится, как небесное тело. Оно еще применимо к планетам без атмосфер, при движении снаряда по горизонтальному гладкому пути. Далее увидим и применение к движению в атмосфере.

Эта же формула была выведена ранее, и видно, что отвесное движение ракеты очень невыгодно, в особенности, когда (С) немного превышает тяжесть. Напротив, чем больше сила взрывания (С) по отношению к (Т), тем потеря меньше и (Пзн) больше. Сравнивая полезность в свободной от тяжести среды с полезностью в среде тяготения при отвесном движении, видим, что последняя полезность меньше первой в . Относительная потеря выражается дробью Т/С. Если, например, сила взрывания в 10 раз больше веса ракеты, то потеря составит 0,1. Но когда обе силы равны, то потеря равна 10 0 %. То есть вся энергия теряется безрезультатно для снаряда. Действительно, в этом случае ракета уравновешена, не подымается и не получает никакой скорости. При бесконечной силе (С) взрыва использование, как в среде без тяжести. Но сильное взрывание все убивает и разрушает внутри снаряда. Его можно применить только при снарядах без людей и сложных аппаратов.

Таблица 7

Среда тяжести. Отвесное движение ракеты

Как видно, отвесное движение сопровождается большой потерей энергии, в особенности, когда сила взрывания (С) невелика. Тут (С) должно быть больше (Т), в противном случае даже никакого движения не получится. Последняя строка выражает в процентах наибольшую соответствующую скорость. На самом деле скорость выражается второй строкой, потому что часть энергии пойдет на поднятие во время взрывания (доказано в 1903 году).

Полет ракеты в среде тяжести, в воздухе. Положим, что горизонтально расположенная ракета в среде тяжести двигается еще под влиянием горизонтальной силы. Сначала сила тяжести заставит ее падать под углом от 90° и меньше. Точнее, тангенс (tg) этого угла равен (Т/С). Но через несколько секунд горизонтальная составляющая скорости ракеты будет такой громадной, что отвесное движение снаряда, при его большой поверхности, станет совершенно незаметным в сравнении с горизонтальной составляющей. Тогда ракета будет двигаться почти горизонтально, как по рельсам. Можно вычислить, что падение ракеты, вследствие сопротивления воздуха, при значительной боковой поверхности снаряда (вертикальная проекция), может быть только очень медленным, даже все более и более медленным по мере увеличения скорости ракеты. Так же будет обстоять дело и при наклонном движении снаряда, если наклон не превышает 30–40°. Тогда снаряд, спустя несколько секунд от начала движения, двигается, как по наклонным рельсам. Примерное падение хорошо устроенной ракеты при отсутствии горизонтального движения составит только 2–3 десятка метров в секунду. При огромной же поступательной скорости оно должно дойти до 1 метра и менее в секунду. Что же это в сравнении с космической скоростью?

Эта часть работы (несколько страниц формул и таблиц) Константина Эдуардовича наполнена многочисленными вычислениями старта и полета ракеты под разными углами и влияния сопротивление атмосферы в процессе старта и полета. Циолковский очень подробно рассчитывает каждый фактор, влияющий на полет ракеты. Он понимал всю проблему старта огромной по тем меркам ракеты, заправленной топливом, поэтому ему важно было определить наиболее оптимальный угол старта для минимального сопротивления, силы притяжения и атмосферы Земли.

Так, если принять высоту атмосферы заметной плотности в 50 километров, то легко вычислить, что горизонтальный путь больше наклонного только в 15,5 раза. Если же принять высоту в 5 километров, то горизонтальный путь больше отвесного будет в 155 раз. Значит, горизонтальная работа не может быть бесконечной. По формуле можем вычислить полную работу отвесного движения. Допустим: Пщ = 2; С = 100; Т = 10; B1 = 8000; Плв1 = 0,0013; Пф = 100. Тогда Рбс = 14,976 тоннометров. Она совсем незначительна даже в сравнении с одной работой движения ракеты, имеющей массу в 10 тонн (без взрывчатых веществ) и освобождающейся от силы земной тяжести (11 километров скорости). Эта работа более 60 миллионов т.м. Значит, она в 4000 раз с лишком больше работы отвесного сопротивления атмосферы. Начав движение снаряда с высочайших гор, там, где воздух реже в 3–4 раза, увидим, согласно форм., что эта работа еще уменьшается пропорционально разрежению, т. е. тоже в 3–4 раза.

От наклонного движения она увеличивается не очень сильно. По формуле можем это вычислить, положив С = 30, С = 20 и T = 10.

Таблица 9

Из второй строки видно, что с 20° наклона работа увеличивается в 11 раз. Потом, из сравнения 2 и 3 строк с четвертой видно, что работу можно грубо считать пропорциональной (1: Sin². Уг). Чем больше (С), тем близость эта значительнее, и наоборот. Третья строка показывает увеличение работы при С = 20. При малых углах истинная работа, вследствие сферичности Земли, гораздо меньше.

Мы видели, что работа сопротивления при отвесном движении составляет 1:4000 часть работы движения ракеты, но и при наклонном движении она менее одного процента.

Интересна зависимость работы сопротивления от пройденного пути или достигнутой высоты (В). Полная работа зависит от наклона (Уг) и высоты поднятия. Составленная мною табл. 10 и показывает эту зависимость.

Таблица 10

Относительная остающаяся работа сопротивления в процентах

Из последних 4 строк видно:

1) При пролете в 4 кило сравнительная остающаяся работа незаметна от 0 до 10° наклона. Даже при 20° она составляет менее 4 %.

2) При пролете в 8 кило (высоты), даже при наклоне в 30°, она около 5 %, а при 40° равна 19 %.

3) При поднятии на высоту 16 кило она даже при отвесном движении равна 25 %, a при поднятии на 24 кило – не больше 11 %. При наклонах же почти незаметна.

Тяжесть, сопротивление атмосферы и изгиб Земли. […] работа при горизонтальном движении чуть не в тысячу раз больше, чем та же работа сопротивления атмосферы при отвесном полете снаряда. Такая огромность работы объясняется тем, что снаряд с возрастающей скоростью должен пролетать очень плотные слои атмосферы. Итак, путь, близкий к горизонтальному, очень невыгоден; работа сопротивления поглотит огромную часть живой силы ракеты, и последняя не приобретет достаточной скорости. Мы видели, что работа отвесного сопротивления воздуха составляет примерно четырехтысячную часть кинетической энергии снаряда (при Mp₁ = 10 тонн). Значит, горизонтальное сопротивление поглотит около пятой доли (22,2 %). По таблице 11, при наклоне в полградуса (0,56) потеря несколько меньше, именно около 15 % (14,6). Здесь только ¹∕₃ приходится на сопротивление воздуха, т. е. 5 %. Так мало потому, что ускорение по таблице в 100 раз меньше, чем мы приняли. Тут и потеря от влияния тяжести.

Из 132 (выражение определяет полную работу сопротивления атмосферы) видно, что (Рбс) много зависит от (С) и что горизонтальные полеты выгодны при малом (С). Так можем вычислить для разных (С) работу сопротивления атмосферы при горизонтальном движении снаряда положим по-прежнему Пщ = 2, Пф = 50; тогда (см. 132):

134… Рбс = 264 800. С. Работа ракеты будет (из 41 и 38):

Работа ракеты для одоления земной тяжести (11 километров) при Mp = 10 составит около 64×10⁶. Это более сопротивления атмосферы в (240 / С) раз.

Составим таблицу (12):

Таблица 12

Даже при ускорении (5), т. е. в половину земной тяжести (10), потеря около 2 %.

«Движение ракеты» (несколько разделов)

Часть работы Константина Эдуардовича, в которой рассматривается движение ракеты в атмосфере и в отсутствие нее, а также влияние гравитации на ее движение. Эта часть насыщена расчетами, которые мы опустим и оставим только необходимое для понимания задумки автора.

По какой траектории полетит ракета? Какие силы на нее будут действовать? Сильно ли полет в атмосфере отличается от полета в вакууме? Такие вопросы рассматривает Константин Эдуардович в этих частях своей работы.

Циолковский предлагает пускать ракеты горизонтально, тогда работа будет меньше, и на выходе из атмосферы ракета получит необходимую горизонтальную скорость, чтобы «освободиться от оков земного притяжения». Причем стартовать надо высоко в горах, т. к. разряженная атмосфера позволит сэкономить топливо.

Возможен ли горизонтальный старт ракеты? Да, но такой старт будет не совсем горизонтальным (не по касательной к поверхности планеты).

Программы горизонтального старта, при том не с уровня земли, а на достаточно большой высоте, разрабатывались в современной космонавтике рядом стран, они объединены под общим названием «Воздушный старт». Суть такого старта заключается в том, что космический корабль закрепляют на самолете, самолет поднимается на определенную высоту и оттуда, включив ракетные двигатели, космический корабль разгоняется и улетает в космос на околоземную орбиту. Воздушный старт выгоден с точки зрения затрачиваемой энергии, а, следовательно, и расходуемого топлива, т. к. наиболее затратной является стадия запуска ракеты с поверхности Земли. Кроме того, на высоте 10 километров плотность атмосферы в 3 раза ниже плотности на уровне моря, что позволяет развить более высокую скорость и снизить потери на аэродинамическое сопротивление. Такой старт гораздо удобней пуска аппарата с гор, но у него есть ряд недостатков, которые не делают его лучше привычного вертикального старта.

С помощью воздушного старта осуществляется вывод на суборбитальную траекторию (эллиптическая траектория полета при скорости ниже первой космической, при таком полете летательный аппарат не становится искусственным спутником) различных экспериментальных летательных аппаратов, самолетов и ракет. Благодаря программе «Воздушный старт» появились известные транспортные самолеты, самым известным и большим стал самолет Ан‐225 «Мрия»[26]26
  Корнеев В.М., Деев В.А., Федоренко Р.В. Анализ систем воздушного старта космических объектов // Технические науки – от теории к практике. 2015. № 12 (48).


[Закрыть].

Если Циолковский предлагал горизонтальный полет и даже посчитал, что он выгоднее, почему современные ракеты взлетают и летят вертикально? Вертикальный старт получается энергетически затратным. Нужно оторвать снаряженную ракету, масса которой достигает сотни тонн (здесь Константин Эдуардович немного ошибся), от поверхности Земли. Основные сложности при старте – преодоление земного притяжения и сопротивления воздуха. На больших высотах атмосфера более разреженная. Но почему же старт все-таки вертикальный? Как известно, наикратчайший путь между двумя точками – прямая, и по прямой до космоса ракете лететь примерно 100 с лишним километров (все зависит от высоты расчетной орбиты). Важно как можно быстрее избавиться от сил, которые препятствуют набору скорости ракеты – нужно преодолеть участок атмосферы, где она наиболее плотная. Взлетая вертикально, ракета быстро оказывается на такой высоте, где атмосфера уже менее плотная, чем на уровне моря. Двигаясь горизонтально или под наклоном, она долго находилась бы в плотной части атмосферы, что приводило бы к большой потере энергии. Поэтому вертикальный взлет является наиболее оптимальным.

Как мы уже разобрались, чтобы стать искусственным спутником Земли и лететь по околоземной орбите, космический корабль должен иметь горизонтальную скорость полета 7,9 км/с. Поэтому современные ракеты летят не строго вертикально, а по параболической траектории, которая рассчитывается в зависимости от того, на какую высоту нужно вывести космический корабль или спутник. Траектория полета не строго вертикальная, при старте ракета взлетает практически вертикально (с отклонением от вертикали на несколько градусов), далее по мере набора высоты с помощью специальных газовых рулей (маленькие двигатели, которые поворачивают ракету) ракета отклоняется. Поворот ракеты рассчитан и производится в несколько этапов, чтобы в конечной точке космический корабль оказался на нужной высоте и продолжил полет с первой космической скоростью параллельно Земле (горизонтально).

Так, осенью 2020 года, благодаря точным расчетам траектории полета и времени полета, удалось доставить космонавтов с Земли на МКС (высота орбиты Международной космической станции около 450 км) всего за 3 часа (от старта до стыковки и открытия люков между кораблем и станцией). Этот полет стал самым быстрым в истории космонавтики – стандартный полет к МКС занимал двое суток.

Спуск на Землю, посещение планет и возвращение домой. Положим, что ракета поднялась на такую-то высоту, потеряв всю скорость при отвесном полете. Под влиянием тяготения она будет падать обратно, приобретет значительную скорость и расшибется о Землю, несмотря на тормозящее действие атмосферы. Даже одно тормозящее действие последней может разрушить снаряд или убить находящийся в нем организм. Но если мы вообразим, что у ракеты после поднятия остался запас взрывчатого вещества, и она употребила его с тем, чтобы замедлять скорость своего падения совершенно в том же порядке, как она эту скорость увеличивала, поднимаясь с Земли, – то спуск совершится благополучно, и у самой поверхности планеты снаряд остановится, т. е. спокойно спустится на Землю.

Если для поднятия количество взрывчатых веществ должно превышать в (К₁) раз вес ракеты со всем содержимым, то и для благополучного спуска нужен запас, равный массе ракеты, умноженной на (К₁). Для одного поднятия массы ракеты со взрывчатым веществом будет:

136… Mp + Mp×K₁ = Mp (l + K₁).

Для спокойного спуска требуется еще запас взрывчатых веществ в (K₁) раз больший этой массы (136), т. е.: 136₁… {Mp(l + K₁)} К₁. Вместе с ракетой и первым запасом (136) это составит

136₂… Mp(l + K₁) K₁ + Mp(1 + K₁) = Mp(l + K₁)².

Масса одного запаса будет:

137… Mp(l + K₁)² – Mp = Mp {(1 + K₁)² – 1}.

Если, например, Mp = l, K₁ = 9, то запас будет 99, т. е. вес его в 99 раз больше веса ракеты с содержимым (кроме взрывчатых веществ). Такой обильный запас едва ли осуществим. Еще труднее дело, когда мы пожелаем подняться с Земли, спуститься на какую-либо чуждую планету (находящуюся, положим, на орбите Земли), подняться с нее и возвратиться домой.

Другое дело, если поднятие снаряда невелико и потому (K₁) есть малая дробь. Тогда запас приблизительно будет: Mp×2×K₁ (см. 137). Значит, тогда запас только удваивается.

Но поднятие на незначительную высоту не имеет космического значения.

Поднятие с Земли и спуск на чуждую планету, на орбите Земли (такой нет: это допущение), требует запаса.

138… Мр×[(l + K₁) (1+K₂) – 1]. Здесь (К₂) означает относительное количество взрывчатых веществ, потребное для поднятия или спуска на чуждую планету.

Если на этой планете мы не можем сделать запаса взрывчатых веществ, а, между тем, хотим улететь с планеты и возвратиться на Землю, то с последней, заранее мы должны взять запас:

139… Мр × [(1 + K₁²) × (l + K₂)² – 1].

Допуская, что чуждая планета по массе и объему, как Земля, найдем запас равным:

140… Mp[(l + K₁)⁴ – 1].

Положим тут K₁ = 9 и Мр. = 1. Тогда запас будет 9999, т.e. совершенно неосуществим. Приблизительно здесь можно подразумевать Венеру. Еще менее осуществимо путешествие на Юпитер и другие массивные планеты, ибо для них (К₂) громадно. Напротив, путешествие на астероиды, особенно на маленькие, достижимее, так как (К₂) можно считать нулевым. Тогда путь на любой из них (опять предполагая их на орбите Земли) и возвращение на Землю требует запаса по формуле 137.

Посещая разные планеты, не имея возможности на них делать запасы и возвращаясь на Землю, мы, вообще, должны делать такой запас:

141… Мр [(1 + K₁)² (1 + K₂)² (1 + K₃)² (1 +Kh)² – 1].

(н) есть число планет, считая и Землю. При равенстве их с Землей, получим запас:

142 × [(1 + К₁)^2н – 1] × Мр.

Очевидно, такое последовательное посещение планет еще невозможнее. Правда, мы можем поступить целесообразнее. Спуститься, например, на Марс (работу изменения расстояния от Солнца пока не считаем), возвратиться на Землю и сделать на ней новый запас, чтобы посетить, например, Меркурий. Но как бы ни была мала посещаемая планета, относительный запас взрывчатых веществ не может быть менее 99. И это почти неодолимо. Как же быть?

Еще в июле 1924 года в моей статье, отправленной в «Технику и Жизнь» и неизданной там, но возвращенной и штемпелеванной, я указал на выход. В 1926 году то же подтвердил в своей книге инженер Гомон. Привожу тут выдержку из упомянутой моей рукописи.

«Путники, достигнув значительного удаления от Земли, думали, что они носятся в абсолютной пустоте. Однако в этом они ошиблись: следы атмосферы и тут еще оказались. Поэтому их экипаж, испытывая небольшое сопротивление среды, описывал спираль с очень малым шагом, которая приближала его непрерывно, хотя и очень медленно, к Земле. Они сделали такое множество оборотов вокруг нее, что даже потеряли им счет. Все же возвращение на Землю было неизбежно… Сначала скорость движения ракеты росла, и центробежная сила почти уравновешивала тяготение Земли, несмотря на увеличение этого тяготения.

Потом скорость снаряда стала уменьшаться вследствие уплотнения атмосферы и усилившегося от этого сопротивления воздуха. Тогда путники стали планировать, подняв нос ракеты кверху с помощью руля, который работал, как аэропланный. Они могли теперь не только умерить падение, но даже превратить его в поднятие, пока еще не была потеряна скорость. Но это было излишним и могло кончиться утратой скорости на высоте и гибелью ракеты, превратившейся в бескрылый аэроплан. Они снижались, но не так быстро, чтобы с силою удариться в планету, и не так медленно, чтобы остаться на высоте без скорости. Путники только молили судьбу, чтобы падение пришлось не на сушу, а в море. В самом деле, спуск был гораздо опаснее, чем на аэроплане, так как у снаряда не было крыльев и требовалась большая скорость, чтобы уравновесить тяжесть сопротивлением воздуха (при чуть наклонном движении) и спуститься не круто, а почти горизонтально. Вода тут была всего надежнее. Судьба услышала их мольбу, и они полого, задевая все более и более морские волны и теряя от этого скорость, влетели в океан. Движение все же не совсем иссякло, и они проплыли порядочное расстояние, прежде чем остановиться»…

Подтвердим, что все это математически верно и вполне осуществимо.

Следовательно, с небольшим запасом взрывчатого материала мы можем сделаться спутниками Земли, поселиться в эфире, вне атмосферы, устраивать понемногу там космическое хозяйство, спускаться без затраты материала на землю, опять подниматься с планеты с новыми запасами орудий, частей жилища и всего необходимого для солидного положения в эфире в качестве маленькой и близкой луны.

Спуск на Землю, посещение планет и возвращение домой.

«Мягкая посадка» – важный этап космического полета. Циолковский предлагает воспользоваться некоторым запасом топлива погасить скорость и плавно опуститься на Землю, но тогда это топливо надо запасти перед стартом и соответственно увеличить вес ракеты. Тем не менее такой способ посадки первых ступеней ракет Falcon использует компания Space X. Это позволяет делать космические полеты более экономичными. Первая ступень главной отечественной ракеты-носителя «Союз‐2», к сожалению, повторно не используется.

Важная задача – посадить космический корабль с космонавтами целым и невредимым. В современной космонавтике есть два способа: баллистический спуск и планирование. Во всех случаях для перехода с орбиты полета космического корабля на орбиту спуска на Землю применяется торможение двигателями (небольшие двигатели, которые создают торможение и выведение спускаемого аппарата на орбиту спуска до плотных слоев атмосферы), при попадании в плотные слои атмосферы спускаемый аппарат (при баллистическом спуске) гасит скорость падения за счет аэродинамического сопротивления, при этом его поверхность разогревается до нескольких тысяч градусов, когда скорость падает до нескольких сотен метров в секунду, на высоте порядка 7 километров выпускается парашют, который обеспечивает мягкое приземление спускаемого аппарата.

Что касается спуска способом планирования, то самым известным примером является спуск многоразовых космических кораблей «Шаттл» (США) и «Буран» (СССР). Космический корабль имеет вид самолета. Так же, как и в случае баллистического спуска, космический корабль гасит орбитальную скорость путем включения двигателей (при этом на околоземной орбите он летит хвостом вперед) и затем, перевернувшись, входит в плотные слои атмосферы (при этом части корабля разогреваются до 1500 градусов), где, благодаря крыльям и специальным маневрам, снижает скорость до 350 км/ч и садится, как обычный самолет.

Важным преимуществом планирования является низкая перегрузка: 1,5 g вместо 8–10 g при баллистическом спуске.

Посещение других планет и возвращение на Землю связано со следующей проблемой, которую рассматривает Константин Эдуардович: чтобы вернуться, надо взлететь с другой планеты, поборов притяжение и возможное сопротивление атмосферы, т. е. нужен запас топлива для этого. Как уже известно читателю, чтобы везти топливо, нужно топливо. Так Циолковский в этой части и приходит к выводу, что если мы захотим посетить планету, равную Земле, и вернуться, то понадобится запас топлива, превышающий массу ракеты в 10 000 раз. Конечно же, это недостижимо.

Пока не созданы новые типы ракетных двигателей и топливо к ним, человечество может покорять только Луну и ближайшие астероиды (до которых можно долететь). С полетом человека на Луну успешно справилась экспедиция космического корабля «Аполлон‐11» (США) в 1969 году. 20 июля 1969 года командир экипажа «Аполлон‐11» Нил Армстронг и пилот Базз Олдрин посадили лунный модуль корабля на поверхность Луны.

В перспективных планах покорения других планет – пилотируемая миссия на Марс. В отличие от других планет земной группы (Венеры и Меркурия), Марс имеет низкую температуру (например, поверхность Венеры имеет среднюю температуру около 460 °C) и гораздо более благоприятные условия (опять же в сравнении с Венерой, у которой давление атмосферы в 92 раза выше, чем земное, ее верхние слои атмосферы состоят из углекислого газа, а также имеет слой облаков из серной кислоты[27]27
  Статья «Венера» Космонавтика: энциклопедия / гл. ред. В. П. Глушко; редколлегия: В. П. Бармин, Р. Д. Бушуев, В. С. Верещетив и др. М.: Сов. энциклопедия, 1985.– 528 с., ил., 29 л. ил.


[Закрыть]), что делает эту планету привлекательной для экспедиции. Программа полета на Марс, скорее всего, будет выглядеть так: запуск последовательно двух или более космических кораблей, которые на околоземной орбите состыкуются в одну станцию, и за счет включения двигателей одного из кораблей такая станция приобретет достаточную скорость для полета к Марсу. Сам полет будет продолжаться около 115 дней (используя современные технологии, двигатели и топливо), за это время космическая станция должна преодолеть 55 миллионов километров. Ну, а дальше, как в программе «Аполлон‐11»: от станции (командный модуль останется на орбите Марса) отстыкуется посадочный модуль, опустится на поверхность, космонавты проведут некоторое время на планете, а затем посадочный модуль запустит двигатели и отправится на орбиту Марса, где пристыкуется к командному модулю и полетит обратно к Земле.

Это кажется простым в теории, на практике это огромная работа, точные расчеты, в том числе связанные с запасами топлива, которые потребуются для выведения кораблей на орбиту, достижения второй космической скорости, взлета с Марса, возвращения к Земле. И не исключено, что первая пилотируемая миссия на Марс будет только в одну сторону, потому что современные технологии, скорее всего, не смогут вернуть миссию домой. Но кто знает, какие открытия нас ждут завтра? Может быть, читатель сможет придумать, как путешествовать, хотя бы в пределах Солнечной системы, и возвращаться домой на Землю.

Очевидным вариантом межпланетных путешествий является старт с околоземной орбиты, т. е. космической станции, которая находится на орбите Земли. В таком случае не надо тратить топливо на полет в космос, следовательно, сэкономленное топливо можно использовать на достижение планеты и возвращение.

Поселения на орбите Земли.

В этом плане мы реализовали мечты Циолковского. Такими маленькими поселениями были орбитальные станции «Салют» и «Мир». Сейчас космическим домом космонавтов является Международная космическая станция (МКС), где проводятся научные эксперименты, реализуются различные программы по изучению ближнего и дальнего космоса.

Выводы. Из всего изложенного можем сделать следующее заключение. Полет выгодно начать в горах, на возможно большей высоте. На горах должна быть выровнена дорога, с наклоном не более 10–20°. На автомобиль ставится ракета, которая приобретает от него скорость от 40 до 100 метров. Затем снаряд, восходящим путем, летит самостоятельно, развивая сзади давление взрыванием веществ. Наклон снаряда по мере увеличения его скорости уменьшается, и полет приближается к горизонтальному. По выходе же из атмосферы и некоторого удаления от всяких ее следов полет становится параллельным земной поверхности, т. е. круговым. Ускорение (с) должно иметь наименьшую величину, примерно от 1 до 10 метров. Расход на сопротивление воздуха окажется минимальным. Влияние тяжести также почти уничтожается (в отношении потери энергии). Первая скорость приобретается автомобилем, аэропланом или каким угодно прибором: сухопутным, водным или воздушным. Полет не в очень разреженной атмосфере может происходить энергиею топлива, сжигаемого кислородом из атмосферы. Это сэкономит запасы топлива в 9 раз (идеальное число, когда запасается один чистый водород). Если ракета в воздухе еще не приобрела космической скорости, освобождающей ее от тяготения Земли, то в очень разреженных воздушных слоях кислородом атмосферы пользоваться уже нельзя. Поэтому тут пускается в ход запасный жидкий кислород или непрочное (по возможности, эндогенное) его соединение с другими газами (например, с азотом). Тогда недополученная скорость доводится до космической.