Текст книги "Увлекательно о космосе. Межпланетные путешествия"

Глава 8
К звездам на ракете

После ряда разочарований мы подходим, наконец, к единственному действительно осуществимому проекту межпланетных путешествий. Путь этот указан был впервые нашим ученым К.Э. Циолковским (в 1903 г.) и стоит в стороне от всех фантастических замыслов, рассмотренных ранее. Здесь перед нами уже не фантазия романиста, не просто любопытная задача из области небесной механики, а глубоко продуманный механический принцип, реальный путь к осуществлению заатмосферных полетов в управляемом снаряде – звездолете.

Ничто не может быть проще той мысли, которая положена в основу этого проекта, – двигаться, управляясь в пустом пространстве без опоры. На первых уроках физики знакомимся мы с законом действия и противодействия, иначе называемым третьим законом Ньютона: каждая сила всегда вызывает равную ей силу противодействия. Эта-то последняя сила и поможет нам умчаться в бездны мироздания. Сила противодействия проявляется на каждом шагу, – быть может, именно потому мы и не отдаем себе ясного отчета в ее существовании; нужны особые обстоятельства, чтобы заставить мысль остановиться на ней.

Когда вы стреляете из ружья, вы чувствуете его отдачу: давление взрывных газов отбрасывает пулю в одну сторону и с равною силою отталкивает ружье в обратную сторону. Если бы ружье весило столько же, сколько и пуля, приклад ударял бы стреляющего с такою же скоростью, с какою ударяет пуля, выпущенная в упор; каждый стрелок был бы тогда самоубийцей. Но ружье значительно тяжелее пули, и во столько же раз ослабляется действие его возвратного удара. Надо всегда помнить, что вообще действие силы на тело зависит от массы этого тела: одна и та же сила сообщает грузному телу меньшую скорость, чем легкому (соответственно обратному отношению их масс). Закон равенства действия и противодействия не следует понимать буквально: само действие почти никогда не равно противодействию, равны лишь действующие при этом силы, могущие вызвать весьма различные результаты.

Наблюдая падение яблока на Землю, не думайте, что земной шар остается неподвижен, нарушая закон противодействия. Притяжение и здесь взаимное; сила действия Земли на яблоко вызывает точно такую же силу противодействия. Яблоко и Земля буквально падают друг на друга, влекомые равными силами; но так как масса земного шара неизмеримо больше массы яблока, то скорость падения Земли неизмеримо меньше скорости падения яблока. Пока яблоко падает с дерева на Землю, наша планета перемещается навстречу яблоку едва на одну стотриллионную долю сантиметра. Практически Земля остается неподвижной, и замечается лишь движение яблока.

Этот-то закон, впервые провозглашенный великим Ньютоном, открывает перед нами возможность свободно двигаться, ни на что не опираясь. Перемещаться, ни от чего не отталкиваясь, одними лишь внутренними силами – не звучит ли это так, как поднятие самого себя за волосы по анекдотическому способу барона Мюнхгаузена? Но сходство – чисто внешнее. По существу, разница здесь огромная, и насколько бесполезно поднимать себя за волосы, настолько действителен способ движения по принципу отдачи. Природа давно уже осуществила такое перемещение для многих живых существ. Каракатица набирает воду в жаберную полость и затем энергично выбрасывает струю воды через особую воронку впереди тела; вода устремляется вперед, а тело каракатицы получает обратный толчок, отбрасывающий ее назад; направляя трубку воронки вбок или вниз, животное может таким своеобразным способом двигаться в любом направлении. Подобным же образом перемещают свое тело медузы, сальпы, личинки стрекоз и многие другие обитатели вод. Пользуется этим приемом и человеческая техника: вращение водяных и так называемых реакционных паровых турбин тоже основано на законе противодействия.

Рис. 17. Увеселительная ракета с цветными звездками (шарики состава бенгальского огня в головной части ракеты)

Нигде, однако, интересующий нас способ перемещения не проявляется так наглядно, как при полете обыкновенной ракеты. Сколько раз любовались вы ее эффектным взлетом, но приходило ли вам в голову, что вы видите перед собою уменьшенное подобие будущего межзвездного дирижабля? А между тем еще гениальный Гаусс предрекал ракете в будущем великое значение, более важное, чем открытие Америки…

Отчего ракета взлетает вверх при горении наполняющего ее пороха? Даже среди людей науки приходится нередко слышать, будто ракета летит вверх потому, что газами, которые вытекают из нее при горении пороха, она «отталкивается от воздуха». На самом же деле воздух не только не обусловливает движение ракеты, но даже мешает ей: в безвоздушном пространстве ракета должна лететь быстрее, чем в атмосфере. Истинная причина движения ракеты состоит в том, что, когда пороховые газы стремительно вытекают из нее вниз, сама трубка ракеты, по закону противодействия, отталкивается вверх. Весьма наглядно объяснены механические условия такого полета в предсмертной записке известного революционера-первомартовца Кибальчича, о котором у нас еще будет речь. Он писал:

Представьте себе, что мы имеем из листового железа цилиндр, закрытый герметически со всех сторон и только в нижнем дне своем имеющий отверстие. Расположим по оси этого цилиндра кусок прессованного пороха и зажжем его. При горении образуются газы, которые будут давить на всю внутреннюю поверхность цилиндра. Но давления на боковую поверхность цилиндра будут взаимно уравновешиваться, и только давление газов на закрытое дно цилиндра не будет уравновешено противоположным давлением, так как с противоположной стороны газы имеют свободный выход через отверстие[18]18
  Это надо понимать в том смысле, что противодействующая сила порождает здесь не напор на стенку, а истечение газов из отверстия.


[Закрыть]. Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов цилиндр должен подняться вверх.

Прилагаемые чертежи поясняют сказанное.

При горении пороха ракеты происходит, в сущности, то же, что и при выстреле из пушки. Снаряд летит вперед, пушка отталкивается назад. Если бы пушка висела в воздухе, ни на что не опираясь, она после выстрела устремилась бы назад со скоростью, которая во столько раз меньше скорости снаряда, во сколько раз он легче пушки. Ракета – нечто как раз противоположное пушке; в пушке назначение взрыва – выбросить снаряд, почти не сдвигая ствола пушки; в ракете же взрывные газы предназначаются именно для перемещения самого тела ракеты. Скорость и масса этих газов так значительны, что отдача заставляет тело ракеты быстро взлетать вверх. Все время, пока происходит горение пороха, скорость ракеты возрастает; к прежней скорости непрерывно, каждую секунду, прибавляется новая[19]19
  Ускорение, с каким движется вверх пиротехническая ракета, в десятки раз больше ускорения земной тяжести.


[Закрыть], да и сама ракета, теряя свои горючие запасы, уменьшает свою массу и потому заметнее поддается действию силы.

Рис. 18. Действие газов внутри ракеты (схема)

Опишу несложный прибор, действие которого объясняется тем же принципом. Прибор нетрудно устроить самому. Он наглядно убеждает в существовании силы, которая должна увлекать ракету в сторону противоположную истечению газов. Стеклянный сосуд (рис. 19) подвешен к подставке на нитях. В сосуд наливают воды и подставляют под него горелку. Когда вода закипит, пар будет струйкой выбиваться из сосуда, сам же сосуд при этом откачнется в обратную сторону. Но, очутившись вне пламени, реторта скоро охладится; вода перестанет кипеть, пар больше выбиваться не будет, и сосуд вернется в прежнее положение. Опять начнется кипение, опять реторта откачнется и т. д. Сосуд будет качаться, как маятник («тепловой маятник» Цельнера).

Ньютон, говорят, проектировал устройство самодвижущегося экипажа, устроенного подобным же образом, то есть, в сущности, то, что выполнено теперь строителями ракетного автомобиля.

Рис. 19. «Тепловой маятник» Цельнера

Однако вернемся к ракете и к идее межпланетного корабля. Когда порох в ракете весь выгорит, пустая ракетная трубка, пролетев еще некоторый путь по инерции, падает обратно на Землю: ее скорость недостаточна для окончательного преодоления силы тяжести. Но вообразите ракету в десятки метров длиною, снабдите ее таким запасом горючего, чтобы она успела накопить секундную скорость в 11 км (эта скорость, мы знаем, достаточна, чтобы безвозвратно покинуть Землю), тогда цепи земного тяготения будут разорваны. Способ странствовать в мировом пространстве найден!

Вот физические соображения, приводящие к мысли об устройстве летательного аппарата, способного двигаться не только в атмосфере, но и за ее пределами. Впервые идея подобного аппарата – правда, для земных, а не для межпланетных полетов – была высказана в 1881 г. известным русским революционером-изобретателем Н.И. Кибальчичем в проекте, составленном этим замечательным человеком незадолго до казни. Проект Кибальчича был высказан лишь в форме основной идеи. «Будучи на свободе, я не имел достаточно времени, чтобы разработать свой проект в подробностях и доказать его осуществимость математическими вычислениями», – писал он. Гораздо обстоятельнее разработана та же мысль недавно умершим физиком К.Э. Циолковским, создавшим идею настоящего межпланетного дирижабля-звездолета и обосновавшим его на строгом математическом расчете.

По тому же пути, независимо от русских изобретателей, пошли на Западе и другие исследователи, о которых у нас еще будет речь.

Аппарат К.Э. Циолковского – не что иное, как огромная ракета с каютой для пассажиров. «Представим себе, – писал он еще в 1903 г., – такой снаряд: металлическая продолговатая камера, снабженная светом, кислородом, поглотителями углекислоты и других животных выделений, предназначена не только для хранения разных физических приборов, но и для управляющего камерой разумного существа. Камера имеет большой запас веществ, которые при своем смешении тотчас же образуют взрывчатую массу. Вещества эти, правильно и равномерно взрываясь в определенном для этого месте, текут в виде горячих газов по расширяющимся трубам. В расширенном конце, сильно разредившись и охладившись от этого, они вырываются наружу через раструбы с громадною скоростью. Понятно, что такой снаряд, при известных условиях, должен подниматься в высоту… Люди в этом аппарате смогут при помощи особого руля направлять его в любую сторону. Это будет настоящий управляемый космический корабль, на котором можно умчаться в беспредельное мировое пространство, перелететь на Луну, к планетам… Пассажиры смогут, управляя горением, увеличивать скорость своего звездолета с необходимой постепенностью, чтобы возрастание ее было безвредно».

Мы еще вернемся к более подробному описанию проектов подобного рода, а пока отметим существенные преимущества, которыми обладает звездолет К.Э. Циолковского по сравнению с пушечным снарядом Жюля Верна. Прежде всего, сооружение его, конечно, гораздо осуществимее, нежели сооружение исполинской пушки Жюля Верна. Затем, звездолет развивает свою чудовищную скорость не сразу, как пушечное ядро, а постепенно, избавляя пассажиров от опасности быть раздавленными стремительным возрастанием их собственного веса.

Не опасно для ракетного звездолета и сопротивление воздуха: аппарат прорезает атмосферу не с космической скоростью, а с гораздо меньшею, например со скоростью современной пули; полную же межпланетную скорость он развивает, лишь очутившись за пределами воздушной оболочки. Там, в мировом пространстве, взрывание может быть совершенно прекращено: звездолет умчится по инерции со скоростью, которая будет убывать лишь под действием земного притяжения. Он может мчаться так, без затраты горючего вещества, миллионы километров, и лишь для перемены направления полета, для изменения скорости или для ослабления удара при высадке на планету понадобится снова пустить в действие взрывной механизм.

Но самое главное преимущество ракетного звездолета состоит в том, что он даст будущим морякам Вселенной возможность, обогнув Луну или посетив какую-нибудь малую планету, в желаемый момент снова возвратиться на родную Землю. Нужно лишь обильно запастись взрывчатыми веществами, как полярные мореплаватели запасаются топливом.

Некоторую опасность представляет разве что встреча с крупным метеоритом – с одним из тех космических камней, которые стремительно прорезают во всех направлениях пустыни межпланетного пространства. Расчет показывает, однако, что вероятность встречи с метеоритом опасных размеров крайне ничтожна (к метеорной опасности мы вернемся еще в другом месте).

Так заманчивая возможность достижения иных миров, путешествия на Луну, на астероиды, к Марсу может превратиться в реальную действительность. Воздух для дыхания нетрудно будет взять с собой (в виде сжиженного кислорода), как и аппараты для поглощения выдыхаемой углекислоты. Мыслимо также снабдить небесных путешественников запасом пищи, питья и т. п. С этой стороны не предвидится серьезных препятствий – по крайней мере, для не слишком долговременных межпланетных путешествий.

Рис. 20. Ракетный звездолет (фантастический рисунок)

Высадка на Луну, на астероид или на один из мелких спутников больших планет – если только поверхность их в таком состоянии, что делает спуск возможным, – будет лишь вопросом достаточного количества взрывчатых веществ. Надлежаще направленными взрывами можно уменьшить огромную скорость ракеты настолько, чтобы падение ее совершалось плавно и безопасно. Но надо иметь еще в запасе достаточно взрывчатого вещества, чтобы вновь покинуть это временное пристанище, преодолеть силу притяжения планеты и пуститься в обратный путь с необходимым запасом для плавного спуска на Землю.

В особых непроницаемых костюмах, вроде водолазных, будущие Колумбы Вселенной, достигнув планеты, смогут рискнуть выйти из небесного корабля. С запасом кислорода в металлическом ранце за плечами будут они бродить по почве неведомого мира, делать научные наблюдения, изучать его природу, мертвую и – если такая имеется – живую, собирать коллекцию… «Стать на почву астероидов, поднять камень с Луны, наблюдать Марс на расстоянии нескольких десятков километров, высадиться на его спутник или даже на самую его поверхность – что, по-видимому, может быть фантастичнее? Однако только с момента применения ракетных приборов начнется новая великая эра в астрономии: эпоха более пристального изучения неба» (Циолковский).

К.Э. Циолковский не дал конструктивного проекта своего звездолета, считая необходимой предварительную, более детальную разработку его идеи с принципиальной стороны. Но в виде наглядного примера одной из возможных форм осуществления основного принципа прилагаю схематический чертеж, выполненный с наброска, который сделан был К.Э. Циолковским по моей просьбе еще в 1914 г. (рис. 21). Вот краткое, составленное им же пояснение:

Снаряд имеет снаружи вид бескрылой птицы, легко рассекающей воздух. Большая часть внутренности занята двумя веществами в жидком состоянии: водородом и кислородом. Они разделены перегородкой и соединяются между собой только мало-помалу. Остальная часть камеры, меньшей вместимости, назначена для помещения наблюдателя и разного рода аппаратов, необходимых для сохранения его жизни, для научных наблюдений и для управления. Водород и кислород, смешиваясь в узкой части постепенно расширяющейся трубы, соединяются химически и образуют водяной пар при весьма высокой температуре. Он имеет огромную упругость и вырывается из широкого отверстия трубы или продольной оси камеры. Направление давления пара и направление полета снаряда прямо противоположны.

Рис. 21. Схема внутреннего устройства ракетного корабля по идее Циолковского

Подробнее о звездоплавательных планах К.Э. Циолковского у нас будет речь в особой главе.

Глава 9
Устройство пороховой ракеты

Прежде чем бросить взгляд на многообещающее будущее ракеты, на открывающиеся перед ней заманчивые дали, остановимся немного на устройстве и истории пороховой ракеты.

Начнем с обыкновенной пиротехнической ракеты, украшающей многолюдные празднества. Как она устроена? Она представляет собой картонную трубку – гильзу, набитую порохом. С одной стороны – передней – трубка закрыта, с задней она имеет суженный просвет и раструб – дюзу. Сквозь сужение введен запальный шнур, служащий для поджигания пороховой массы. Порох не насыпают в гильзу рыхло, а набивают в мелко размолотом виде возможно плотнее, чтобы при зажигании заряд горел только с поверхности. Для увеличения поверхности горения (примерно в четыре раза) в плотной пороховой массе сделана вдавленность вдоль оси гильзы – так называемое пролетное пространство.

Наконец, чтобы придать ракете устойчивость в полете, к ней прикрепляется деревянная палка в несколько раз длиннее гильзы; этот «хвост» мешает летящей ракете перекидываться в воздухе. Таково в основных чертах несложное устройство и всякой пороховой ракеты, какое бы назначение и какие бы размеры она ни имела. Но ошибкой было бы думать, что изготовление ракет – дело простое, посильное для любителя. Прежде всего фабрикация, а также пуск ракет сопряжены с опасностью взрыва даже в руках опытного профессионала. Следует поэтому настойчиво предостеречь от любительского экспериментирования с ракетами, не раз уже кончавшегося катастрофами с пожарами и гибелью людей. Техника изготовления ракет требует основательного знания всех деталей производства, знания, которое нельзя почерпнуть из самых подробных руководств по пиротехнике.

На некоторых деталях поучительно будет здесь остановиться.

Порох для ракет употребляется обычно черный, дымный, особого состава. Укажем состав, употреблявшийся всемирно известной германской пиротехнической лабораторией в Шпандау[20]20
  Эта лаборатория снабжала ракетами не только Германию (в том числе и германскую армию), но и другие государства. Ее спасательные морские ракеты считались лучшими в мире и выписывались даже английским адмиралтейством. После 100 лет существования она была по Версальскому договору закрыта наряду с прочими военными заводами, и оборудование ее уничтожено. В настоящее время славится другая германская ракетная лаборатория в Везермюнде, руководимая знатоком пороховых ракет инженером Ф. Зандером.


[Закрыть]: 76 частей селитры, 10 частей серы и 16 частей черемухового угля – состав, выработанный путем многолетних опытов и применяемый лабораторией с 1886 г. Порох разрывает ракету, если заряд недостаточно плотно впрессован в гильзу. Необходимо, чтобы горение состава происходило только с поверхности, то есть не слишком быстро. Присутствие в заряде трещин может повлечь за собой одновременное воспламенение всей пороховой массы и взрыв ракеты. Пиротехники опасаются даже тончайших трещинок в прессуемой массе заряда. Поэтому ракеты крупного калибра (начиная с 8 см) изготовляются с помощью гидравлического пресса, под давлением 750 атм, с соблюдением тщательных предосторожностей.

Рис. 22. Разрез светящейся ракеты

Гильзы делаются для небесных ракет картонные, для более крупных – металлические, лучше всего из алюминия или из сплавов магния. Медь в качестве материала для гильз избегается не только из-за тяжеловесности и недостаточной прочности, но и ввиду ее хорошей теплопроводности: быстрое нагревание стенок ракеты легко может вызвать преждевременное воспламенение и взрыв всего заряда. Стальные гильзы также не рекомендуются, так как в случае взрыва они разлетаются градом острых осколков.

При изготовлении металлических гильз для ракет продолжительного горения прибегают к теплоизоляции стенок.

Чтобы дать представление об устройстве ракет крупного калибра, на рис. 22 показан разрез военной светящейся ракеты, употребляемой для освещения позиций противника. Вот ее описание (из курса артиллерии Нилуса и Маркевича):

Трехдюймовая светящаяся ракета состоит из: 1) железной гильзы А, набитой движущим (форсовым) пороховым составом, имеющей внутренний диаметр 3 дюйма; 2) жестяного колпака В, заряженного светящими звездками и мякотью; и 3) длинного деревянного хвоста С, служащего для направления движения ракеты.

У заднего кольца гильзы закрепляется железный поддон Б. Посередине поддона ввинчивается железный наконечник деревянного хвоста. Около него проделаны отверстия для выхода газов ракетного состава и для его зажигания. Сумма площадей этих отверстий равна '/₄ площади внутреннего поперечного сечения.

Гильза запрессовывается составом из селитры, серы и угля по длине около 5 калибров. При сплошной набивке состава поверхность горения равнялась бы поперечному сечению и была бы слишком малой: количества образующихся газов было бы недостаточно для того, чтобы преодолеть инерцию ракеты и привести ее в движение. Для увеличения поверхности горения в составе выделывают по оси цилиндрический канал, не доводя его до конца состава. При зажигании ракеты воспламеняется вся поверхность этого канала. На состав ставится медная дистанционная трубка а с медным же поддоном b, набитая также ракетным составом: она служит для передачи огня звездкам с некоторым замедлением, после того как форсовый состав уже выгорел и ракета начинает падать вниз. Промежуток между трубкой а и стенками гильзы забит измельченной серой е, удерживающей трубку на месте. Затем к стенкам гильзы прикрепляется шейка жестяного колпака В, наполненная звездками d.

Звездки готовятся из прессованного в цилиндрики состава бенгальского огня. На колпак надевается коническая крышка, которая соединяется с колпаком с помощью штыкового соединения. Свободное место в крышке над звездками закладывается войлоком. Отверстия поддона заклеиваются пластырем. Ракета весит около 16 кг.

Чем ракета крупнее, чем больше ее заряд и продолжительность горения, тем большая скорость накапливается к концу горения и, следовательно, тем выше подъем ракеты. Но это возрастание высоты взлета с увеличением калибра ракеты имеет предел, обусловленный тем, что поверхность горения пороховой массы растет пропорционально квадрату калибра, в то время как общий вес ракеты увеличивается пропорционально кубу калибра. Для крупных ракет получается поэтому невыгодное соотношение между поднимаемым грузом и количеством газов, образующихся при горении заряда. По соображениям подобного рода считалось еще недавно, что предельная высота подъема пороховых ракет равна 2–2½ км.

Предел этот, однако, был недавно далеко превзойден крупнокалиберными ракетами инженера Тиллинга, а также инженера Ф. Зандера[21]21
  Не смешивать с советским работником ракетного дела инженером Ф.А. Цандером.


[Закрыть], работавшего совместно с безвременно погибшим деятелем звездоплавания Максом Валье. Летом 1928 г. Зандер запускал свои пороховые ракеты до границы стратосферы, то есть на высоту 12–13 км. При калибре 22 см ракеты Зандера поднимали грузы в 400–500 кг на высоту 4–5 км, откуда они плавно опускались на парашюте.

«Каким способом такие результаты достигнуты, об этом, по соображениям секретности, естественно, ничего сообщить нельзя», – читаем мы в книге Валье.

Испытание подобных ракет сопряжено с большою опасностью. «Опыты производились на особом полигоне, – пишет Валье, – где за пуском ракет следили через окошечки толстого сруба с помощью стереотруб, фотоаппаратов и кинематографической ленты. На первых порах почти ежедневные взрывы вдребезги разносили дорогие инструменты, а острые осколки гильз вонзались на несколько сантиметров в стены сруба.

Случалось, что тяжелые, добела раскаленные дюзы взметались на сотни метров вверх или относились в сторону; далеко откинутая часть невыгоревшего заряда едва не причинила однажды лесного пожара».

О ракетах Тиллинга будет сказано в следующей главе.