Читать книгу "О космосе"

Нет ничего пока более энергичного и в то же время подходящего указанных ранее взрывчатых материалов.

Как же взрывать их и как хранить? Если взрывать так, как во всех известных старых и новых ракетах, то реактивное давление при взрыве будет передаваться на всю поверхность сосуда (их хранилища), что заставит делать его очень массивным. Давление взрывчатых веществ доходит до 5 тысяч атмосфер. В таком случае расчет нам покажет, что вес баков будет по крайней мере в 30 раз больше веса взрывчатых материалов при водяной их плотности (она на деле меньше, а это еще хуже). Если так, то снаряд не поднимется выше 15 км.

И мы мало потеряем, если благодаря способу умеренного (т. е. нетщательного) смешения взрывчатых веществ ослабим давление их до 100 атмосфер, или в 50 раз. При этом и запас взрывчатых материалов может увеличиться во столько же раз и достичь 1²/₃. И такого запаса мало. Дальнейшее уменьшение давления взрыва невыгодно ввиду давления атмосферы и малой утилизации химической энергии. Гораздо рассудительнее держать элементы взрыва особо, без давления и только накачивать их во взрывную трубу, т. е. особую камеру, где происходит химическое соединение (горение) элементов. Тогда для хранения их могут служить обыкновенные баки или даже сама разгороженная ракета. Неудобство в том, что приходится, преодолевая давление взрыва, накачивать вещества во взрывную камеру. Но если давление не более 100 атмосфер, то работа этого нагнетания не очень велика.

Предлагаем тут таблицу (24), определяющую эту работу при разных космических скоростях и разной силе взрывания. Массу ракеты принимаем в одну тонну, давление в 100 атмосфер.

Таблица 24

Из нее видно, что при самой малой силе взрыва (С = 1) и при наименьшей космической скорости (8 кило) работа вдавливания или накачивания ограничивается 50 килограм-метрами или половиною метрической силы. При самой же громадной космической скорости и удесятиренной силе взрыва (С = 10) работа достигает 17 метрических сил.

Все это легко одолимо и даже может быть еще уменьшено при взрывании периодическом, о котором мы уже говорили. Понятно, что при увеличенной массе ракеты работа пропорционально увеличивается. Приведенные числа – средние, приблизительные. Плотность взрывчатых веществ принимается равной единице.

Из таблицы также видно, что работа накачивания будет необременительна даже тогда, когда давление взрывчатых веществ доведем до 1000 атмосфер. Но при больших массах ракет и при большом давлении экономно применять периодическое давление и накачивание. Тогда работа намного сбавится.

Взрывная труба. Форма. Давление. Вес. Охлаждение. Главный двигатель ракеты есть взрывная труба, подобная по действию пушке с холостым зарядом. Насколько взрывная труба легче резервуара, выдерживающего ее давление, видно из следующего. Таблица 24 показывает, что при запасе взрывчатых веществ в 4 тонны секундный расход их составляет 0,5 кило. Столько же в секунду их и выходит из трубы. Значит, труба есть сосуд, содержащий полкило веществ, притом при давлении большею частью уменьшенном сравнительно с давлением в резервуаре (где оно максимальное и равномерное). Резервуар же (бак) содержит веществ в 8000 раз больше. Стало быть, и вес его, по крайней мере, должен быть во столько же раз больше. Вот примерно какую экономию представляет моя ракета по отношению к употребляемым. Цилиндрическая форма трубы оказывается чересчур длинна. Коническая форма тем сильнее сокращает эту длину, чем конус больше расширяется. Но чем угол его больше, тем более и потери энергии, так как движение газов уклоняется в стороны. Все же при угле в 10° потеря почти незаметна. Но и в таком большом угле нет надобности. Конус нужен усеченный. В меньшее основание накачиваются жидкие взрывчатые вещества. В трубе они смешиваются, взрываются, стремятся по трубе к открытому широкому основанию конуса, откуда и вырываются наружу, сильно разреженные, охлажденные, со скоростью до 5 километров в секунду. В цилиндрической трубе полезное давление совершается только на круглое основание цилиндра, куда нагнетаются взрывчатые вещества, – в конической же трубе полезное давление происходит на всю внутреннюю поверхность конуса.

Если ракета весит тонну, а со взрывчатыми веществами 5 тонн и ускорение (с) ракеты 10, то и давление на трубу газов должно составлять 5 тонн. При наибольшем давлении газов в 100 атмосфер и при цилиндрической трубе площадь ее основания будет 50 кв. сант., диаметр – 8, а радиус – 4 сант. Приняв еще длину трубы в 10 метров и положив в формуле (187) разные углы, составим табл. 25 для величины расширения трубы.

Взрывная труба. Форма. Давление. Вес. Охлаждение

В этой части работы ученый описывает строение ракетного двигателя. Представление Циолковского о ракетном двигателе и его функционировании воплощено в жизнь: с помощью турбонасосного аппарата компоненты топлива нагнетаются в камеру сгорания, где происходит их воспламенение (взрывание), раскаленные газы, расширяясь, проходят через устройство, которое разгоняет их до сверхзвуковой скорости (сопло); вырываясь наружу с большой скоростью, согласно закону сохранения импульса, они заставляют двигаться ракету в обратном «отбросу» направлении с той же скоростью, с которой они вырываются из сопла.

«Взрывная труба» – это сопло, газовый канал для изменения скорости проходящего по нему газового потока до скоростей, превышающих скорость звука. В ракетных двигателях используется сопло Лаваля[32]32
  Карл Густав Патрик де Лаваль (1845–1913) – шведский инженер и изобретатель. В 1890 году он изобрел сопло, служащее для подачи пара в турбину, получившее впоследствии его имя и использующееся в том же назначении по настоящее время. В XX веке сопло Лаваля нашло применение в реактивных двигателях для создания реактивной струи.


[Закрыть]– канал, суженный в середине, его можно представить в виде пары усеченных конусов, сопряженных узкими концами. Раскаленный газ (результат взаимодействия топлива и окислителя в камере сгорания), двигаясь по каналу на сужающемся участке сопла, имеет дозвуковую скорость. В самом узком сечении сопла локальная скорость газа достигает звуковой. На расширяющемся участке скорость газового потока сверхзвуковая. Перемещаясь по соплу, газ расширяется, его температура и давление падают (температура не падает до 273° холода), а скорость возрастает. Внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую его направленного движения, а следовательно, происходит движение ракеты.

Сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании специальных газодинамических расчетов (как будут двигаться газы по соплу после «взрывания», какую температуру и давление будут иметь).

Для снижения температурных нагрузок, которое испытывает сопло в процессе работы двигателя, оно охлаждается путем подачи через специальные внутренние каналы одного из компонентов топлива.

Отсюда видно, что довольно угла отверстия конуса даже в 1° и никак не более 5–5°. Потеря энергии при этом будет совершенно ничтожна. Несмотря на коническую форму трубы, хорошее использование силы взрывания требует, возможно, более длинной трубы, чтобы газы почти все свое беспорядочное движение (теплоту) превратили в поступательное движение. С целью увеличения длины трубы она может делать изгибы. Изгибание в двух взаимно перпендикулярных плоскостях может увеличить еще и устойчивость ракеты: вращение газов, страшно быстрое, заменит два массивных, нормальных между собою диска, вращающихся с умеренною скоростью (100–200 оборотов в секунду).

Двигатель для накачивания, ввиду его слабосильности, может быть аэропланного типа, только в разреженных слоях и в пустоте потреблять он будет (поневоле) запасенный кислород. Выход продуктов горения в нем должен быть направлен в общую взрывную трубу или в особую, параллельную главной. Нельзя пренебрегать и малым использованием энергии горячих продуктов горения в моторах. Весь запас взрывчатых веществ мы могли бы использовать в обыкновенных двигателях (бензиновых, газовых) для получения огромной механической энергии. Как она может быть велика, видно из таблицы (24). Наименьшее потребление взрывчатых веществ, по таблице, полкило в секунду. Это количество содержит энергии (табл. 1) 1,37×10⁶ килограм-метров. Если используется из этого 30 %, то получим механическую энергию в 411 000 килограм-метров в секунду. Это соответствует непрерывной работе более чем в 4 тысячи метрических сил. Извлекши такую механическую работу, мы пользуемся продуктами горения как реактивным материалом во взрывной трубе. Особенно это было бы пригодно в разреженном воздухе и в пустоте. Но нам нет никакой надобности в такой громадной механической энергии. Для накачивания взрывчатых веществ надо очень немного работы (таблица 24) – от 1 до 100 сил. Кроме того, это и невозможно, так как аэропланный мотор в 4000 метрич. сил весит не менее 4 тонн. Его вес поглотит всю подъемную силу ракеты. Я хочу сказать, что механическая работа, которую мы можем получить почти без ущерба, в тысячи раз больше, чем нам нужно.

Двигатель для накачивания

Для того чтобы ракетный двигатель развил необходимую тягу, нужно подавать топливо и окислитель в камеру сгорания в большом объеме и под большим давлением.

Для этого используют специальное устройство – турбонасосный агрегат (ТНА). Такой агрегат является насосом одновременно для топлива и окислителя. А приводится он в действие газовой турбиной, которая раскручивается за счет рабочего тела (тех же разогретых газов), получающегося за счет сжигания специального топлива в камере сгорания газогенератора турбонасосного агрегата. На одном валу с газовой турбиной находятся крыльчатки насосов для топлива и окислителя. За счет вращения турбины вращаются они и создают давление компонентов топлива, которое подается в камеру сгорания (расход современных ТНА составляет более 3 тонн в секунду, они создают давление более 50 МПа). Отработанные газы ТНА выводятся в сопло ракетного двигателя либо отдельно.

Некоторое затруднение видим в очень высокой температуре взрывания – в самом начале трубы. Она доходит до 2–3 тысяч градусов по Цельсию. Чем дальше от начала трубы, тем температура текущих и расширяющих газов ниже. У самого выхода трубы она может быть ниже нуля и даже, в идеальном случае, доходит до 273 °C холода.

Труба должна быть сделана из крепкого, тугоплавкого и хорошо проводящего тепло материала. Тогда накаленная часть трубы будет отдавать свое тепло соседним холодным частям. Но этого недостаточно. Необходимо непрерывное во время взрыва охлаждение накаленных частей трубы. Они могут быть окружены жидким кислородом, который все равно необходим для дыхания, горения в моторах и охлаждения человеческого помещения в ракете. Поэтому образовавшийся от нагревания трубою газ должен быть направлен главным образом в нагнетательный мотор. Все-таки некоторая начальная часть трубы будет испорчена во время взрывания, как оно ни кратковременно. Поэтому накаленная часть трубы должна делаться толще, чем нужно, чтобы противодействовать давлению газов. Оно ослабляется по мере удаления их от начала трубы, разрежения и охлаждения. Также и толщина стенок трубы тем тоньше, чем ближе они к выходному отверстию. Вес трубы очень незначителен даже при наибольшем и равномерном давлении во всю ее длину. Так, приняв давление в 100 атмосфер, четырехкратный запас прочности, лучший материал, длину трубы в 10 метров и диаметр ее в 8 сант., при цилиндрической форме, – легко вычислим вес трубы, равный 32,5 килогр. Но ведь это число дано, предполагая всю трубу такой же крепкой, как ее начало, где давление во множество раз больше, чем в других ее частях. Одним словом, это вес предельно большой.

Вес нагнетательного мотора будет от 5 до 100 килограмм (табл. 24).

Органы направления ракеты подобны аэропланным. Но они отличаются тем, что могут действовать не только в воздухе, но и в пустоте. Это три особых руля, и все они помещаются поблизости выходного расширенного отверстия взрывной трубы. Так как ракете при спуске на землю приходится планировать без взрывания, как аэроплану, то рули эти не могут быть внутри трубы. Должны быть: 1) горизонтальный руль высоты, 2) отвесный руль направления и, наконец, 3) руль боковой устойчивости. Первые два нечего описывать, так как они тождественны с рулями аэропланными. Но действуют они и в пустоте, благодаря быстрому потоку выходящих из отверстия взрывной трубы газов. Уклонение руля вызывает на него давление потока (продуктов горения) и соответствующее уклонение снаряда. Эти рули могли бы иметь очень малую площадь, ввиду быстроты газового потока; но ракета должна планировать в воздухе, как аэроплан, и потому площадь рулей будет такая же большая, как у самолета. То же можем сказать и про крылышки боковой устойчивости. Поставленные по бокам корпуса снаряда, они будут работать только в атмосфере. Поэтому, кроме обыкновенных элеронов самолета, нужен другой орган устойчивости, действующий и в пустоте. Это есть небольшая пластинка перед выходным отверстием трубы, могущая вращаться вокруг оси, параллельной оси трубы или ракеты. При поворачивании пластинки вылетающий из трубы поток сам вращается; рождается его вихреобразное движение, что и заставляет снаряд поворачиваться вокруг своей длинной оси в ту пли другую сторону.

Если этот руль снаружи, вне трубы, то он будет действовать и в воздухе, как аэропланные элероны, независимо от взрывания; но он чересчур слаб и для планирования не испытан. Поэтому, кроме него, придется прибегнуть и к обыкновенным элеронам. Извивы взрывной трубы, если они есть, также должны быть отнесены к органам направления или положения.

«Органы направления ракеты»

Конечно же, ракета должна иметь приборы управления – рули. Пока она движется в атмосфере, проблем с управлением нет, возможно использование аэродинамических рулей (они действуют за счет изменения направления набегающего на плоскость руля воздушного потока, к таким рулям относятся рули высоты и направления, а также элероны, закрылки и т. д.) подобно тем, что у самолета. Но чем выше поднимается ракета, тем менее плотная атмосфера. И на высоте космоса аэродинамические силы не действуют, и аэродинамические рули оказываются бесполезными. Циолковский, зная это, предлагает сделать руль, который будет отклонять не поток набегающего воздуха, а реактивную струю, исходящую из двигателя ракеты. Такие рули нашли, например, в немецкой «Фау‐2». Но при своей простоте такие рули имеют недостатки, которые делают невозможным их использование в современных ракетах. За счет того, что рули находятся на выходе из сопла, они должны быть жаропрочными. Но даже жаропрочные материалы при длительном воздействии потока раскаленных газов под большим давлением подвергаются эрозии и могут выйти из строя, помимо этого, рули будут мешать реактивной струе, тем самым снижая скорость отброса.

В современных ракетах в качестве рулей используются маленькие ракетные двигатели, сопла которых отклоняются в разных направлениях на небольшой угол. Такие рули работают не постоянно, а создают управляющее воздействие периодической работой, которой управляет автоматика. Например, они помогают ракете выйти на расчетную орбиту. В космосе корабли маневрируют за счет специальных двигателей, которые помогают разворачивать корабль в разных направлениях. Их используют для корректировки орбиты космического корабля и при стыковке с МКС.

Ракета должна иметь кварцевые прозрачные окна, чтобы все кругом можно было обозревать, и чтобы они не могли полопаться от нагревания и тряски. Внутри они должны быть прикрыты другим прозрачным слоем, защищающим от губительного действия чистых солнечных лучей, не обезвреженных земной атмосферой. Компас едва ли может служить руководством к определению направления. Для этого пригодны более всего солнечные лучи; а если нет окон или они закрыты, – то быстро вращающиеся маленькие диски. Короткое время взрывания и пребывания в атмосфере они могут служить безукоризненно.

Ввиду того, что выгоднее всего направляться при небольшом ускорении (с) ракеты, никаких особых предосторожностей для сохранения человека от усиленной тяжести не требуется, так как это усиление очень мало, и нормальный субъект вынесет его даже стоя. При том оно продолжается несколько минут, самое большое 2–3 часа. Продукты его дыхания должны поглощаться щелочами и другими веществами, про что знают хорошо химики. Также должны обезвреживаться и все твердые и жидкие выделения человека. О добывании в эфире кислорода и пищи много мною писалось. Дело это несомненной осуществимости.

«Ракета должна иметь кварцевые прозрачные окна»

Конечно же, надо видеть, что происходит в космосе, для этого в ракете (космическом корабле) должны быть специальные окна – иллюминаторы.

Иллюминатор выполняет две основные функции. Первая – быть составной частью герметичной оболочки корабля, которая защищает космонавтов и приборы от различных видов опасного электромагнитного излучения, микрометеоритов и других объектов, которые могут столкнуться с кораблем в космосе (а читатель помнит, что он летит со скоростью примерно 8 км/с или 28 800 км/ч). Вторая – дать возможность посмотреть, как выглядит «эфир», не только человеку, но и специальным оптическим приборам. Обе функции предъявляют особые требования как к строению иллюминаторов, так и к применяемым материалам.

Современные иллюминаторы на космических кораблях и МКС изготавливают из специальных стекол (в основном кварцевых), которые, как правильно отмечал Циолковский, защищают космонавтов и приборы от солнечных лучей, «не обезвреженных земной атмосферой». Подбираются специальный состав стекол, их покрытие, позволяющее не мутнеть в процессе полета, не менять светопропускание из-за воздействия ионизирующего излучения. Также в стекле не должна возникать люминесценция из-за того же излучения. Все указанные факторы так или иначе могут повлиять на показания оптической аппаратуры, которая применяется в космических исследованиях. Конструктивно иллюминатор представляет собой несколько стекол, закрепленных друг от друга на расстоянии с помощью специальных резиновых прокладок, которые создают герметичность и дают «свободу» при термическом расширении стекла.

И несмотря на надежную конструкцию, для предотвращения повреждения стекол иллюминатора их закрывают специальными автоматическими створками, которые открывают тогда, когда необходимо производить наблюдения. Просто сесть и смотреть в окошко ни на МКС, ни на ином космическом корабле не получится, да и времени на это просто нет.

Теперь мы поговорим о том, как можно начать работу космических достижений немедленно, сейчас же. Обыкновенно идут от известного к неизвестному: от швейной иголки к швейной машине, от ножа к мясорубке, от молотильных цепов к молотилке, от экипажа к автомобилю, от лодки к кораблю. Так и мы думаем перейти от аэроплана к реактивному прибору – для завоевания Солнечной системы. Мы уже говорили, что ракета, летя сначала неизбежно в воздухе, должна иметь некоторые черты аэроплана. Но мы уже доказывали, что в нем непригодны колеса, воздушные винты, мотор, проницаемость помещения для газов, обременительны крылья. Все это мешает ему получить скорость, бóльшую 200 метров в секунду или 720 км в час. Самолет должен быть преобразован. Он не будет пригоден для целей воздушного транспорта, но постепенно станет пригоден для космических путешествий. Разве и сейчас аэроплан, летая на высоте 12 килом., не одолевает уже 70–80° всей атмосферы и не приближается к сфере чистого эфира, окружающего Землю! Поможем же ему достигнуть большего. Вот грубые ступени (со многими промежуточными, которые опускаю) развития и преобразования аэропланного дела, достигающего высших целей.

1. Устраивается ракетный самолет с крыльями и обыкновенными органами направления. Но бензиновый мотор заменен взрывной трубой, куда накачиваются взрывчатые вещества слабосильным двигателем. Воздушного винта нет. Есть запас взрывчатых материалов и остается помещение для пилота, закрытое чем-нибудь прозрачным, так как скорость такого аппарата больше аэропланной, и сквозняк невыносим. Этот прибор от реактивного действия взрывания покатится на полозьях по смазанным рельсам (ввиду небольшой сначала скорости, могут остаться и колеса). Затем поднимется на воздух, достигнет максимума скорости, потеряет весь запас взрывчатых веществ и, облегченный, начнет планировать, как обыкновенный или безмоторный аэроплан, чтобы безопасно спуститься на сушу. Такой опыт, если верить газетам, уже был произведен с полным успехом каким-то инженером в Австралии.

Количество взрывчатых веществ и силу взрывания надо понемногу увеличивать, также максимальную скорость, дальность, а главное – высоту полета. Ввиду проницаемости для воздуха человеческого помещения в самолете, высота, конечно, не может быть больше известной рекордной высоты. Достаточно и 5 кило поднятия. Цель этих опытов – уменье управлять аэропланом (при значительной скорости движения), взрывной трубой и планированием.

2. Крылья последующих самолетов надо понемногу уменьшать, силу мотора и скорость – увеличивать. Придется прибегнуть к получению предварительной, до взрывания, скорости с помощью описанных ранее средств.

3. Корпус дальнейших аэропланов следует делать непроницаемым для газов и наполненным кислородом, с приборами, поглощающими углекислый газ, аммиак и другие продукты выделения человека. Цель – достигать любого разрежения воздуха. Высота может много превосходить 12 килом. В силу большой скорости при спуске, для безопасности, его можно делать на воде. Непроницаемость корпуса не даст ракете потонуть.

4. Применяются описанные мною рули, действующие отлично в пустоте и в очень разреженном воздухе, куда залетает снаряд. Пускается в ход бескрылый аэроплан, сдвоенный или строенный, надутый кислородом, герметически закрытый, хорошо планирующий. Он требует для поднятия на воздух большей предварительной скорости и, стало быть, усовершенствования разбежных приборов. Прибавочная скорость даст ему возможность подниматься все выше и выше. Центробежная сила может уже проявить свое действие и уменьшить работу движения.

5. Скорость достигает 8 кило в секунду, центробежная сила вполне уничтожает тяжесть, и ракета впервые заходит за пределы атмосферы. Полетавши там, насколько хватает кислорода и пищи, она все же спирально возвращается на Землю, тормозя себя воздухом и планируя без взрывания.

6. После этого можно употреблять корпус простой, несдвоенный. Полеты за атмосферу повторяются. Реактивные приборы все более и более удаляются от воздушной оболочки Земли и пребывают в эфире все дольше и дольше. Все же они возвращаются, так как имеют ограниченный запас пищи и кислорода.

7. Делаются попытки избавиться от углекислого газа и других человеческих выделений с помощью подобранных мелкорослых растений, дающих в то же время питательные вещества. Над этим много, много работают и медленно достигают успеха.

8. Устраиваются эфирные скафандры (одежды) для безопасного выхода из ракеты в эфир.

9. Для получения кислорода, пищи и очищения ракетного воздуха придумывают особые помещения для растений. Все это в сложенном виде уносится ракетами в эфир и там раскладывается и соединяется. Человек достигает большей независимости от Земли, так как добывает средства жизни самостоятельно.

10. Вокруг Земли устраиваются обширные поселения.

11. Используют солнечную энергию не только для питания и удобств жизни (комфорта), но и для перемещения по всей Солнечной системе.

12. Основывают колонии в поясе астероидов и других местах Солнечной системы, где только находят небольшие небесные тела.

13. Развивается промышленность и размножаются невообразимо колонии.

14. Достигается индивидуальное (личности, отдельного человека) и общественное (социалистическое) совершенство.

15. Население Солнечной системы делается в сто тысяч миллионов раз больше теперешнего земного. Достигается предел, после которого неизбежно расселение по всему Млечному Пути.

16. Начинается угасание Солнца. Оставшееся население Солнечной системы удаляется от нее к другим солнцам, к ранее улетевшим братьям.

Эпилог

Всего лишь одна работа глухого ученого-самоучки, твердо верившего в свои мечты и в возможности человечества, дает читателю представление, как и на чем лететь в космос. Всего одна работа показывает, насколько широко и детально Константин Эдуардович представлял свою мечту – полет человека в космос.

На момент издания этой работы в 1926 году до полета в космос еще далеко. Все больше молодых людей при жизни Циолковского увлекутся изучением реактивного движения и создания ракет. Будут созданы Группа изучения реактивного движения (ГИРД) и Газодинамическая лаборатория (ГДЛ), которые в 1934 году объединятся в Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ). Участники ГИРД и ГДЛ по прошествии времени станут главными людьми в отечественной космонавтике. Это и главный конструктор советских ракетно-космических систем Сергей Павлович Королев, и советский инженер, конструктор космической и ракетной техники, сподвижник С. П. Королева Михаил Клавдиевич Тихонравов, и один из пионеров ракетно-космической техники, основоположник советского жидкостного ракетного двигателестроения Валентин Петрович Глушко, и многие другие выдающиеся конструкторы и инженеры, для которых космос когда-то стал мечтой на всю жизнь.