Среди великих технических и научных достижений ХХ столетия одно из первых мест, несомненно, принадлежит ракетам и теории реактивного движения. Годы второй мировой войны привели к необычно быстрому совершенствованию конструкций реактивных летательных аппаратов. На полях сражений появились пороховые ракеты на более калорийном бездымном порохе («катюши»). Были созданы и испытаны скоростные самолеты с воздушно-реактивными двигателями. сентябре 1944 г. немцы впервые применили против Англии баллистическую ракету на жидком топливе (окислитель – жидкий кислород, горючее – 75%-ный этиловый спирт) с максимальной дальностью полета до 300км.
За послевоенные годы (1945 –1978) ракетная техника сделала колоссальные успехи. Созданы межконтинентальные баллистические ракеты на жидком и твердом топливе, ракеты средней дальности, ракеты зенитные управляемые для борьбы с самолетами противника, ракеты для вооружения подводных лодок и др. Истребительная и бомбардировочная авиация целиком перешла на воздушно-реактивные двигатели. Успешно осваивается околоземное космическое пространство. На безжизненной поверхности Луны космонавты проложили первые тропинки. Ракетная техника становится важной и быстро развивающейся отраслью промышленности.
К. Э. Циолковский много сделал для создания основ теории движения ракет. Он четко сформулировал и исследовал проблему изучения прямолинейных движений ракет. Как мы указывали принцип сообщения движения при помощи сил реакции отбрасываемых частиц был осознан Циолковским еще в 1883г., однако создание им математически строгой теории реактивного движения относится к концу ХIХ столетия.
В одной из своих работ Циолковский писал: «Долго на ракету я смотрел, как и все: с точки зрения увеселения и маленьких применений. Не помню хорошо, как мне пришло в голову сделать вычисления, относящиеся к ракете. Мне кажется, первые семена–мысли были заронены известным фантазером Жюлем Верном; он пробудил работу моего мозга в известном направлении. Явились желания, за желаниями возникла деятельность ума.
… Никогда я не претендовал на полное решение вопроса. Сначала неизбежно идут мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчет. И уже в конце концов исполнение венчает мысль. Мои работы о космических путешествиях относятся к средней фазе творчества. Более чем кто-нибудь, я понимаю бездну, разделяющую идею от ее осуществления, так как в течение моей жизни я не только мыслил и вычислялся. Но и исполнял, работая также руками. Однако нельзя не быть идее: исполнению предшествует мысль, точному расчету – фантазия».
В1903г. в журнале «Научное обозрение» появилась первая работа Константина Эдуардовича по теории полета ракет, которая называлась «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этом труде на основании простейших законов механики (закона сохранения количества движения и закона независимого действия сил) была дана теория прямолинейных движений ракеты и обоснована возможность применения реактивных аппаратов для межпланетных сообщений.
Классическая механика, изучающая законы движения и равновесия материальных тел, базируется на трех законах движения, отчетливо и строго сформулированных английским ученым Исааком Ньютоном еще в 1867г. Эти законы применялись многими исследователями для изучения движения тел, масса которых не изменялась во время движения. Были рассмотрены очень важные случаи движения, и создалась большая наука-механика тел постоянной массы. Аксиомы механики тел постоянной массы, или законы движения Ньютона. Явились обобщением всего предыдущего развития механики. В настоящее время основные законы механического движения изучают в средней школе. Мы дадим здесь краткое изложение законов движения Ньютона, так как последующий шаг в науке, позволивший изучить движение ракет, был дальнейшим развитием методов классической механики.
Первый закон, в частных случаях известный еще Галилею и Декарту, И. ньютон сформулировал следующим образом: всякое материальное тело продолжает пребывать в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.
Этот закон часто называется законом инерции. Он выражает одно из существующих свойств материальных тел. Суть закона инерции состоит в том, что механическое движение тела не может возникнуть из ничего, а возникает только под влиянием взаимодействия с другими телами. Изолированное от влияния других тел всякое материальное тело или находится в покое, или движется равномерно и прямолинейно, сохраняя свое движение. Взаимодействия тел друг с другом, передача движения от одного тела к другому суть причины изменения покоя или равномерного и прямолинейного движения. Движение тела не может исчезнуть и превратиться в ничто, а может быть или передано другому материальному телу как механическое движение, или превратиться в другие формы движения (например, в тепловое движение). Если m- масса тела, а v- его скорость, то произведение (m*v) называют количеством движения (импульсом) тела. Для изолированного тела его количество движения остаётся постоянным. Изменение количества движения может произойти только под влиянием других тел, или, как говорят в механике, под действием сторонних сил. Стремление сохранить своё количество движения проявляется на опыте в том, что при встрече движущегося тела с препятствием оно производит тем большее давление, чем больше его скорость и чем больше его масса.
Второй закон Ньютона устанавливает меру механического взаимодействия между телами и формулируется так: изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.
Если должным образом выбрать единицы массы, скорости и времени, то второй закон (при m=const) можно высказать ещё в следующем виде: сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение. Направление ускорения совпадает с направлением движущей силы.
Таким образом, величину механических взаимодействий между телами мы можем измерять по изменению количества движения, а для тел постоянной массы по ускорению движущегося тела.
Из второго закона Ньютона следует, что одна и та же сила сообщает телам с разными массами разные ускорения. Разные силы сообщают какому-либо выбранному телу ускорения, пропорциональные силам.
В современной теоретической механике второй закон Ньютона является той основой, на которой базируются все математические расчёты. Однако следует указать, что второй закон Ньютона справедлив только для тел, масса которых сохраняется постоянной во всё время движения. Следовательно, вторым законом Ньютона можно, например, воспользоваться для изучения движения артиллерийского снаряда, но нельзя изучать движение реактивного снаряда. Для тел постоянной массы законы Ньютона и выводы из них подтверждаются всей общественно-производственной практикой человечества, за исключением специальных областей техники, охватываемых механикой теории относительности.
Третий закон Ньютона имеет весьма большое значение в теории ракет, и его можно высказать в следующей форме: действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, иначе говоря, взаимные действия тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны.
В самом деле, если какое-нибудь тело давит на другое, то оно само испытывает точно такое же давление со стороны последнего. Если какое-либо тело, ударившись о другое тело, изменяет его количество движения на сколько-нибудь, то и оно претерпит от второго тела в своём собственном количестве движения то же самое изменение, но противоположно направленное, ибо давления этих тел друг на друга равны по абсолютному значению и противоположны по направлению.
Следует помнить, что действие и противодействие приложены к разным телам и поэтому не представляют уравновешенной системы сил. По этой причине как действие, так и противодействие могут вызвать движение тел, к которым они приложены. Возьмём, например, камень, находящийся под действием силы притяжения Земли, сила противодействия будет в данном случае приложена к Земле. Действие вызывает движение камня, противодействие – движение Земли. Так как масса камня ничтожно мала по сравнению с массой Земли, то смещение Земли не может быть обнаружено современными приборами; перемещение камня видно невооружённым глазом.
Противодействие на латинском языке – реакция. Поэтому силы, возникающие в результате взаимодействия соприкасающихся тел, часто называют реактивными силами. Например, весло действует на воду, сообщая ей движение, а частицы воды согласно рассмотренному закону действуют на весло (дают реактивные силы давления) и тем способствуют движению лодки.
Из законов Ньютона можно сделать целый ряд заключений о закономерностях наблюдаемых движений.
а). Если от какого-либо тела (лодки, парохода) отбрасывается (отталкивается) второе тело, то количество движения этого тела равно по модулю приобретаемому количеству движения другим телом.
б). Силу толчка, получаемую лодкой или пароходом от ног прыгающего человека, можно рассматривать как реактивную силу, и она, очевидно будет тем больше, Чем больше масса человека и чем большую скорость сообщил он себе при толчке. По закону действия и противодействия в момент отделения человека от лодки его давление на лодку будет равно давлению лодки на подошвы ног человека.
в). Если с лодки или парохода будут последовательно каждую секунду прыгать один человек за другим, то скорость парохода будет, постепенно увеличивается, а его масса уменьшается. Такой пароход подобен ракете.
На рисунке 8 показана в разрезе простейшая ракета с пороховым реактивным двигателем. Такая ракета представляет собой тело вращения с конической головной частью, в которой располагается полезный транспортируемый груз (приборы, почта и т.п.).
Большую часть объёма корпуса ракеты занимает пороховой реактивный двигатель (или, как говорят, двигатель на твёрдом топливе), состоящий из камеры, заполненной пороховыми шариками, и специально профилированного сопла (часть сопла Лаваля). При горении пороховых шашек образующиеся горячие газы устремляются с большой скоростью через сопло и создают реактивную силу, которая будет тем больше, чем больше скорость вытекающих из сопла частиц и чем больше этих частиц истекает в одну секунду. Для наглядности представлений о возникающей при истечении газов реактивной силе можно частицы нагретых газов рассматривать как маленькие, выпрыгивающие из сопла существа, которые отталкиваются от корпуса ракеты (как человек от лодки) и тем самым создают её движение.
Простейший реактивный двигатель на жидком топливе представляет собой камеру, похожую по форме на горшок, в котором жители сельских местностей хранят молоко.
Через форсунки (см. рис.9); расположенные на днище этого горшка, происходит подача жидкого горючего и окислителя в камеру сгорания. Подача компонентов топлива рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить полное его сгорание. В камере сгорания происходит воспламенение топлива и продукты горения – горючие газы – с большой скоростью выбрасывается через специально профилированное сопло. Окислитель и горючее помещают в специальные баки, находящиеся на ракете (или самолёте). Для подачи окислителя и горючего в камеру сгорания применяют турбонасосы или выдавливают их из баков сжатым нейтральным газом (например, азотом).
На рисунке 10 изображён советский четырёх камерный реактивный двигатель на жидком топливе РД-214 конструкции В.П.Глушко. Этот двигатель развивает в вакууме тягу Ф=740000Н. В качестве компонентов топлива в нём применяют окислы азота (окислитель) и углеводородное горючее. Двигатель РД-214 устанавливают на первой ступени ракеты носителя «Космос». Двигатель разработан и испытан в 1952-1957гг.
Струя горячих газов, выбрасываемая из сопла реактивного двигателя, создаёт реактивную силу, действующую на ракету в сторону, противоположную скорости частиц струи. Значение реактивной силы равно произведению массы отбрасываемых в одну секунду газов наих относительную скорость. Возьмём, например, реактивный двигатель, в котором каждую секунду сгорает 5кг. Топлива. Пусть относительная скорость, отбрасываемых частиц (продуктов сгорания) равна 2000м/с, тогда реактивная сила, которую мы обозначим через Ф, будет равна:
Ф = 5кг/c* 2000м/c = 10 000 кг* м/с2, или Ф = 10000Н
Естественно, что реактивная сила тем больше, чем больше секундный расход топлива и чем больше относительная скорость отбрасываемых частиц.
В некоторых случаях для сжигания горючего в камере реактивного двигателя используют воздух атмосферы, такие двигатели называются воздушно-реактивными. Простейшим примером воздушно-реактивного двигателя является обыкновенная открытая с обоих концов трубка, имеющая переменное поперечное сечение. Внутри трубки помещён вентилятор. Если заставить вентилятор работать, то он будет засасывать воздух с одного конца трубки и выбрасывать его через другой конец. Если в трубку, в пространство за вентилятором, впрыснуть бензин и поджечь его, то скорость выходящих из трубки горячих газов будет значительно больше, чем входящих, и трубка получит тягу в направлении, противоположном струе выбрасываемых из него газов. Можно соответствующим подбором сечений (радиусов) по длине трубки достигнуть весьма больших скоростей истечения выбрасываемых газов.
Идея использования воздушно-реактивного двигателя для современных типов самолётов была с большой тщательностью разработана К.Э. Циолковским. Он дал первые в мире расчёты лётных характеристик самолёта с воздушно реактивным двигателем и турбокомпрессорным винтовым двигателем.
На рисунке 11 дана схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя, у которого движение частиц воздуха по оси трубы создаётся за счёт начальной скорости полученной ракетой от какого либо другого двигателя, а в дальнейшем движение ракеты поддерживается за счёт реактивной силы, обусловленной увеличенной скоростью отбрасываемых частиц по сравнению со скоростью входящих частиц.
Движется воздушно реактивный двигатель за счёт энергии сгорающего горючего, так же как и пороховая ракета. Таким образом, источником движения любого реактивного аппарата является запасенная в этом аппарате энергия топлива.
Сжигая топливо, преобразуют его внутреннюю энергию в энергию механического движения выбрасываемых из аппарата с большой скоростью частиц вещества. Как только будет создано выбрасывание частиц из аппарата (газовая струя), он получает движение в сторону, противоположную струе извергающихся частиц. Методы получения потоков извергающихся частиц очень разнообразны. Получение потоков отбрасываемых частиц простейшим и наиболее экономичным способом, разработка методов регулирования таких потоков – благодарная задача изобретателей и конструкторов.
Рассматривая движение простейшей ракеты, легко понять, что её масса в процессе движения изменяется, так как часть массы ракеты с течением времени сгорает и отбрасывается. Ракета представляет собой тело переменной массы. Изучение движения таких тел представляет большие трудности. Уже сейчас существуют ракеты, для которых во время работы двигателя масса уменьшается в 8-10 раз. Изменение массы ракеты в процессе движения не позволяет использовать непосредственно формулы и выводы, которые получены в классической механике, являющейся теоретической базой расчётов движения тел, масса которых постоянна во время движения.
Теория движения тел переменной массы создана в конце ХIХ в. у нас в России И. В. Мещерским и К. Э. Циолковским.
Замечательные работы Мещерского и Циолковского прекрасно дополняют друг друга. Изучение прямолинейных движений ракет, проведенное Циолковским, существенно обогатило теорию движения тел переменной массы благодаря постановке совершенно новых проблем. Следует указать, что основные формулы, относящиеся к прямолинейным движениям ракет (в свободном от действия сил пространстве и однородном поле силы тяжести), были получены Циолковским до 10 мая 1897 г., хотя публикацию первой части работы удалось осуществить лишь в 1903г. под названием «Исследование мировых пространств реактивными приборами».
Основные результаты диссертации И. В. Мещерского были получены не позднее 27 марта 1897г. В этот день диссертация Ивана Всеволодовича была представлена деканом физико- математического факультета Петербургского университета в типографию. Работа вышла в свет в ноябре 1897г.
Детальное изучение опубликованных и архивных материалов позволяет прийти к выводу о том, что открытия Мещерского и Циолковского по ракето-динамике (как теперь мы называем теорию полёта ракет) были сделаны независимо.
Опубликованные труды К.Э. Циолковского по ракето-динамике позволяют установить последовательность развития его идей в этой новой области человеческого знания.
Каковы же основные законы, управляющие движением тел переменной массы? Как рассчитать скорость полёта реактивного аппарата? Как найти высоту полёта ракеты, пущенной вертикально? Как выбраться за пределы притяжения Земли - пробить «панцирь» тяготения? Вот некоторые из вопросов, рассмотренных в решениях Циолковского.
С нашей точки зрения, самой драгоценной идеей Циолковского в теории ракет является приобщение к классической механике Ньютона нового раздела – механики тел переменной массы. Сделать подвластной человеческому разуму новую большую группу явлений, объяснить то, что видели многие, но не понимали, дать человечеству мощное орудие технических преобразований – вот та задача, которую ставил перед собой гениальный Циолковский. Весь талант исследователя, вся оригинальность, творческая самобытность и необычный взлёт фантазии с особой силой и продуктивностью выявлялись в его работах по реактивному движению. Он на десятилетия вперёд предсказывал пути развития реактивных аппаратов. Он рассмотрел те изменения, которым должна была подвергнуться обыкновенная фейерверочная ракета, чтобы стать мощным орудием технического прогресса в новой области человеческого знания.
При полёте ракеты на сравнительно небольших высотах на неё будут действовать сила тяжести (сила ньютоновского тяготения). Две аэродинамические силы, обусловленные наличием атмосферы, - подъёмная и лобового сопротивления и реактивная сила, обусловленная процессом отбрасывания частиц сопла реактивного двигателя. Если учитывать все указанные силы, то задача изучения движения ракеты получается достаточно сложной. Естественно поэтому начать теорию полёта ракет с простейших случаев, когда некоторыми из сил можно пренебречь. Циолковский в своей работе 1903 г. раньше всего исследовал, какие возможности заключает в себе реактивный принцип создания механического движения без учёта действия аэродинамических сил и сил тяжести. Такой случай движения ракеты может иметь место при межзвёздных полётах, когда силами притяжения планет солнечной системы и звёзд можно пренебречь (ракета находится достаточно далеко от солнечной системы и от звёзд – в «свободном пространстве», по терминологии Циолковского). Эту задачу называют сейчас первой задачей Циолковского. Движение ракеты в этом случае обусловлено только реактивной силой. Если не учитывать влияния на характеристики движения ракеты аэродинамических и гравитационных сил, то можно выяснить, что максимально даёт технике реактивный способ сообщения движения. Как правило, в практически важных задачах аэродинамические и гравитационные силы несколько уменьшают эффект действия реактивной силы.
При математической формулировке задачи Циолковский вводит предположение о постоянстве относительной скорости отброса частиц. При полёте в вакууме это предположение означает, что реактивный двигатель работает при установившемся режиме и на срезе сопла скорости истекающих частиц не зависят от скорости движения ракеты.
Вот как обосновывает эту гипотезу Константин Эдуардович в своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами»: «…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. Экономии энергии тут не должна иметь места: невозможна и не выгодна. Другими словами, в основу теории ракеты надо принять постоянную относительную скорость частиц отброса.
Циолковский составляет и подробно исследует уравнение движения ракеты при постоянной скорости отбрасываемых частиц и получает весьма важный математический результат, известный сейчас под названием формулы Циолковского.
Если обозначить скорость ракеты в момент, когда её масса равна М, через v, а через Vе– постоянную скорость отбрасываемых частиц из сопла двигателя частиц, тогда формула Циолковского будет иметь следующий вид:
v=Ve ln M0 /M =2,3 Ve lgM0 /M
где М0 – масса ракеты в момент старта, когда её скорость равна нулю.
Участок полёта ракеты при работающем двигателе называют активным участком полёта. Скорость ракеты в конце активного участка будет наибольшей. Если масса ракеты при полностью израсходованном топливе будет равна Мk, а наибольшая скорость vмакс, то из формулы Циолковского следует, что
Vмакс=2,3Velg М0 /Mk
Пусть отношение начальной массы ракеты к массе в конце горения равно 10 и пусть относительная скорость Vе отбрасываемых частиц равна 3000 м/с, тогда максимальная скорость ракеты будет:
Vмакс= 2,3 *3000м/с*lg 10 = 6900м/с
Из формулы Циолковского следует весьма важный практический результат: для получения возможно больших скоростей ракеты в конце работы двигателя нужно увеличивать относительные скорости отбрасываемых частиц и относительный запас топлива.
Отметим, что увеличение относительных скоростей истечения частиц требует совершенствования реактивного двигателя и разумного выбора составных частей (компонентов) применяющихся топлив, а второй путь, связанный с увеличением относительного запаса топлива, требует значительного улучшения (облегчения) конструкции корпуса ракеты, «сухого» веса двигателей, вспомогательных механизмов и приборов управления полётом.
Строгий математический анализ, проведённый Циолковским, выявил основные закономерности движения ракет и позволил дать количественную оценку для совершенства реальных конструкций ракет.
Простая формула Циолковского позволяет путём элементарных вычислений установить исполнимость того или другого задания. В самом деле, пусть, например, мы хотим создать одноступенчатую ракету для полёта на Марс и располагаем двигателем, имеющим относительную скорость отброса частиц, равную 2500 м/с. Тогда, зная, что для преодоления поля тяготения Земли нужна скорость 11,2 км/с, найдём необходимый относительный запас топлива в ракете, используя формулу Циолковского:
11200 м/с = 2,3* 2500 м/с * lgМ0 /Мk,
или
· lgМ0 /Мk =1,948.
· По таблицам десятичных логарифмов определяем, что
lgМ0 /Мk = 88,
т.е суммарная масса конструкции ракеты, двигателя, вспомогательных механизмов и приборов управления должна составлять немногим больше 1% стартовой массы. Такую ракету в наши дни сделать невозможно. Если бы удалось увеличить относительную скорость истечения до 4850 м/с, то из формулы Циолковского легко найти, что в этом случае.
lgМ0 /Мk =1, а следовательно, М0 /Мk =10,
т.е масса ракеты без топлива должна составлять 10% её стартовой массы. Такую ракету можно создать.
Формулой Циолковского можно пользоваться для приближённых оценок скорости ракеты в тех случаях, когда силы аэродинамическая и тяжести сравнительно не велики по отношению к реактивной силе. Подобного рода задачи возникают при создании пороховых ракет с небольшим временем горения и большим секундным расходом массы. Реактивная сила у таких пороховых ракет превосходит силу тяжести в 40-120 раз и силу лобового сопротивления в 20-60 раз. Максимальная скорость такой пороховой ракеты, подсчитанная по формуле Циолковского, будет отличаться от истинной на 1-4%; такая точность определения лётных характеристик на первоначальных стадиях проектирования вполне достаточна.
После работы Циолковского 1903г. стало возможным заранее определять путём вычислений лётные характеристики ракет. Следовательно, с этой работы Циолковского начинается создание научного проектирования ракет. Предвиденье К.И. Константинова, конструктора боевых пороховых ракет ХIX в., - о возможности создания новой науки – баллистики ракет (или ракетдинамики) – получило реальное осуществление в работах Циолковского.
В 80-х годах XIXв. Боевые ракеты на чёрном и дымном порохе были сняты с производства и перестали поступать в армию. Экспериментальные (и теоретические) исследования по вопросам ракетной техники стали малоактуальными и ненужными для страны. Начатое по инициативе К.И. Константинова строительство нового ракетного заведения (в г. Николаеве) было прекращено. Ракеты тихо умирали. Остались жить только осветительные и фейерверочные ракеты. Надо было обладать величайшей проницательностью, талантом и научной смелостью, чтобы в создавшихся условиях вести исследования по теории реактивного движения.
В 90-х годах XIX в. Циолковский возродил научно технические исследования по ракетной технике в России и разработал ряд оригинальных схем грандиозных ракет на жидком топливе. Существенно новым шагом в развитии техники были предложенные Циолковским схемы ракет дальнего действия и ракет для межпланетных путешествий с реактивными двигателями на жидком топливе. До работ Циолковского исследовались и предлагались для решения различных задач ракеты с пороховыми реактивными двигателями.
Применение жидкого топлива (горючего и окислителя) позволяет дать весьма рациональную конструкцию жидкостного реактивного двигателя с тонкими стенками (охлаждаемыми горючим или окислителем), лёгкого и надёжного в работе. Для ракет больших размеров такое решение было единственно приемлемым.
Ракета 1903 г. Первый тип ракеты дальнего действия Циолковский описал в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованной в 1903г. «Представим себе писал Циолковский ,- такой снаряд: металлическая продолговатая камера (формы наименьшего сопротивления), снабжённая светом, кислородом, поглотителями углекислоты, миазмов и других животных выделений, предназначенная не только для хранения разных физических приборов, но и для человека управляющего камерой… Камера имеет большой запас веществ, Которые при своём смешении тотчас же образуют взрывчатую массу. Вещества эти, правильно и равномерно взрываясь в определённом для того месте, текут в виде горючих газов по расширяющимся к концу трубам вроде рупора или духового музыкального инструмента… В одном узком конце трубы совершается смещение взрывчатых веществ: тут получаются сгущённые и пламенные газы. В другом расширенном её конце они, сильно разредившись и охладившись от этого, вырываются наружу через раструбы с громадной относительной скоростью».
Приведённый здесь рисунок 12 близок к чертежу К.Э. Циолковского, на нём хорошо видна описанная конструкция ракеты: отсек для человека и приборов, объёмы, занимаемые жидким водородом (горючее) и жидким кислородом (окислитель), место их смешения (камера сгорания А), кожух, окружающий стенки сопла, в котором быстро циркулирует жидкость (один из компонентов топлива), охлаждающая стенки сопла.
Для управления полётом ракеты в верхних разряженных слоях атмосферы Циолковский рекомендовал два способа: графитовые рули, помещаемые в струе газов вблизи среза сопла реактивного двигателя, или поворачивание конца раструба (поворачивание сопла двигателя). Оба приёма позволяют отклонять струю горячих газов от оси ракеты и создавать силу, перпендикулярную к направлению полёта (управляющую силу).
Следует отметить, что указанные предложения Циолковского нашли широкое применение и развитие в современной ракетной технике. Все известные нам жидкостные реактивные двигатели сконструированы с принудительным охлаждением стенок камеры и сопла одним из компонентов топлива. Такое охлаждение позволяет делать стенки достаточно тонкими и выдерживающими высокие температуры (до3500-4000 0С) в течение нескольких минут. Без охлаждения такие камеры прогорают за 2-3 с.
Газовые рули, предложенные Циолковским, применяются для управления полётов ракет различных классов как в нашей стране, так и за рубежом. Если реактивная сила, развеваемая двигателем, превосходит силу тяжести ракеты в 1,5-3раза, то в первые секунды полёта, когда скорость ракеты не велика, воздушные рули будут неэффективными даже в плотных слоях атмосферы и правильный полёт ракеты обеспечивают с помощью газовых рулей. Обычно в струю реактивного двигателя помещают четыре графитовых руля, располагаемые в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Отклонение одной пары позволяет изменять направление полёта в вертикальной плоскости, А отклонение другой пары изменяет направление полёта в горизонтальной плоскости. Чтобы ракета не вращалась около собственной оси, одна пара газовых рулей может отклоняться в разные стороны.
Газовые рули, помещаемые в структуре горячих газов, Уменьшают реактивную силу, поэтому при сравнительно продолжительном времени работы реактивного двигателя иногда оказывается более выгодным или поворачивать соответствующим автоматом весь двигатель, или ставить на ракету дополнительные (меньшего размера) поворачивающиеся двигатели, которые и служат для управления полётом ракеты. Для наглядности укажем, что действие вертикальной пары газовых рулей аналогично действию руля на лодке, движущейся по поверхности воды. Следует также отметить, что каждому закону отклонения газовых рулей будет соответствовать вполне определённая траектория центра масс ракеты. Можно получать бесконечное разнообразие траекторий полёта, если задавать различные «программы» изменения значения реактивной силы и её направления.
Ракета 1914 г. Внешние очертания ракеты 1914г. близки к ракете 1903г., но устройство «взрывной трубы» (т.е. сопла) реактивного двигателя усложнено. В качестве горючего Циолковский рекомендует использовать углеводороды (например, керосин, бензин).
Вот как описывается устройство этой ракеты (рис13): «Левая задняя кормовая часть ракеты состоит из двух камер, разделённых не обозначенной на чертеже перегородкой. Первая камера содержит жидкий, свободно испаряющийся кислород. Он имеет очень низкую температуру и окружает часть взрывной трубы и другие детали, подверженные высокой температуре. Другое отделение содержит углеводороды в жидком виде. Две чёрныё точки в низу (почти по середине) означают поперечное сечение труб, доставляющих «взрывной трубе» взрывчатые материалы. От устья взрывной трубы (см. линии, охватывающие точки) отходят две ветки с быстро мчащимися газами, которые увлекают и вталкивают жидкие элементы взрывания в устье, подобно инжектору Жирафа или пароструйному насосу. …Взрывная труба делает несколько оборотов вдоль ракеты параллельно её продольной оси и затем несколько оборотов перпендикулярно этой оси. Цель уменьшить вертлявость ракеты или облегчить её управляемость».
Циолковский хорошо понимал трудность возвращения ракеты из космического пространства на Землю, имея в виду, что при больших скоростях полёта в плотных слоях атмосферы ракета может сгореть или разрушиться подобно метеориту. В этой схеме ракеты внешняя оболочка корпуса могла охлаждаться жидким кислородом.
В носовой части ракеты Циолковский располагает запас газов, необходимых для дыхания и поддержания нормальной жизнедеятельности пассажиров, приспособления для предохранения живых существ от действия больших перегрузок, возникающих при ускоренном (или замедленном) движении ракеты, приспособления для управления полётом, запасы пищи и воды, вещества, поглощающие углекислый газ, миазмы и вообще все вредные продукты дыхания.
Очень интересна идея Циолковского о предохранении живых существ и человека от действия больших перегрузок («усиленной тяжести», по терминологии Циолковского) при помощи погружения их в жидкость равной плотности. Впервые эта идея встречается в работе Циолковского 1891г. Вот краткое описание простого опыта, убеждающего нас в правильности предположения Циолковского для однородных тел (тел одинаковой плотности). Возьмём нужную фигуру из теста, которая едва выдерживает собственный вес. Нальём в крепкий сосуд жидкость такой же плотности, как и тесто, и погрузим в эту жидкость фигуру. Теперь по средствам центробежной машины вызовем перегрузки, превышающие силу тяжести во много раз. Сосуд, если недостаточно крепок может разрушится, но фигура из теста в жидкости будет сохраняться целой. «Природа давно пользуется этим приёмом, - пишет Циолковский - погружая зародыш животных, их мозги и другие слабые части в жидкость. Так она предохраняет их от всяких повреждений. Человек же пока мало использовал эту мысль».
Следует отметить, что для тел, плотность которых различна (тела неоднородные), влияние перегрузки будет проявляться при погружении тела в жидкость. Так если в фигуру из теста заделать свинцовые дробинки, то при больших перегрузках все они выползут из фигуры в жидкость. Но, несомненно, в жидкости человек может выдерживать большие перегрузки, чем, например в специальном кресле.
Ракета 1912-1915гг. В работе Я.И. Перельмана «Межпланетные путешествия», изданной в 1915г. в Петрограде, помещены чертёж и описание ракеты, выполненные Циолковским в 1912г. (рис14).
«Труба А и камера В из прочного тугоплавкого металла покрыты в нутрии ещё более тугоплавким материалом, например вольфрамом. С и Д – насосы, накачивающие жидкий кислород и водород в камеру взрывания. Ракета имеет ещё вторую наружную тугоплавкую оболочку. Между обеими оболочками есть промежуток, в который устремляется испаряющийся жидкий кислород в виде очень холодного газа, он препятствует чрезмерному нагреванию обеих оболочек от трения при быстром движении ракеты в атмосфере. Жидкий кислород и такой же водород разделены друг от друга непроницаемой оболочкой (не изображённой на рисунке 14). Е – труба, отводящая испарённый холодный кислород в промежуток между двумя оболочками, он вытекает наружу через отверстие К. У отверстия трубы имеется (не изображённой на рисунке 14) руль двух взаимно перпендикулярных плоскостей для управления ракетой. Вырывающиеся разряженные и охлаждённые газы благодаря этим рулям изменяют направление своего движения и, таким образом поворачивают ракету».
Составные ракеты. В работах Циолковского, посвящённым составным ракетам или ракетным поездам, не дано чертежей с общими видами конструкций, но по приведённым описаниям можно утверждать, что Циолковский предлагал к осуществлению два типа составных («многоступенчатых») ракет.
Первый тип подобен железнодорожному поезду при условии, что паровоз толкает состав сзади. Представим себе три ракеты, сцепленные последовательно одна за другой.
Такой поезд толкает сначала нижняя, хвостовая ракета (работает двигатель первой ступени). После использования запасов её топлива ракета отцепляется и падает на Землю. Далее начинает работать двигатель второй ракеты, которая для поезда и оставшихся двух ракет является хвостовой, толкающей. После полного использования топлива второй ракеты она также отцепляется, и последняя третья ракета начинает использовать свой запас топлива, уже имея достаточно высокую скорость, полученную от работы двигателей первых двух ступеней.
Циолковский обнаружил расчётами наиболее выгодное распределение масс отделённых от ракет, входящих в поезд.
Следует подчеркнуть здесь принципиальное значение для совершенствования ракет, предназначенных для межпланетных путешествий, увеличения относительной скорости отбрасываемых частиц.
Второй тип составной ракеты, предложенной Циолковским в 1935г., назван им эскадрильей ракет. Представьте себе, что в полёт отправились восемь одинаковых ракет, соединённых между собой, как скрепляются брёвна плота на реке. При старте все восемь реактивных двигателей начинают работать одновременно.
Когда каждая из восьми ракет израсходует половину запаса топлива, тогда четыре ракеты (например, две справа и две слева) перельют свой неизрасходованный запас топлива в полупустые ёмкости остающихся четырёх ракет и отделяется от эскадрильи. Дальнейший полёт продолжают четыре ракеты с полностью заправленными баками (рис.16). когда оставшиеся четыре ракеты израсходуют каждая половину вмещающегося запаса топлива, тогда две ракеты (одна слева и одна справа ) перельют своё топливо в оставшиеся ракеты и отделятся от эскадрильи. Полёт продолжают две ракеты. Израсходовав половину своего топлива, одна из ракет эскадрильи и переливает оставшуюся половину в другую ракету, предназначенную для достижения цели путешествия. Преимущество эскадрильи состоит в том, что все ракеты одинаковы. Переливание компонентов топлива в полёте является хотя и трудной, но и вполне технически разрешимой задачей.
Создание разумной конструкции ракетного поезда является одной из наиболее актуальных проблем в настоящее время, и многие научно технические журналы систематически публикуют статьи учёных и инженеров, посвященные развитию этих грандиозных по замыслу проектов Циолковского.
Составная пассажирская ракета описана Циолковскимв книге «Вне Земли», изданной в Калуге в 1920 г. В этой книге рассказывается о событиях, происходящих в 2017г., поэтому ракета названа Циолковским «составной пассажирской ракетой 2017г. Вот что о ней говорится: «это было длинное тело формы наименьшего сопротивления, длиною в 100метров, шириною в 4метра, что-то вроде гигантского веретена.
Поперечными перегородками оно разделялось на 20отделений, каждое из которых было реактивным прибором, т. е. в каждом отделении содержался запас взрывчатых веществ, была взрывная камера с самодействующим инжектором, взрывная труба и пр. Одно среднее отделение не имело реактивного прибора и служило кают компанией; оно имело 20 метров длины и 4 метра в диаметре.
…Камеры взрывания и трубы, составляющие их продолжение, были сооружены из весьма тугоплавких и прочных веществ, вроде вольфрама, так же как и инжекторы. Весь взрывной механизм окружался камерой с испаряющейся жидкостью, температура которой была по этому достаточно низкой. Эта жидкость была одним из элементов взрывания. Другая жидкость помещалась в других изолированных отделениях. Наружная оболочка ракеты состояла из трёх слоёв. Внутренний слой прочный, металлический с окнами из кварца, прикрытыми ещё слоем из обыкновенного стекла, с дверями, герметически закрывающимися. Второй – тугоплавкий, но почти не проводящий тепло. Третий – наружный, представлял очень тугоплавкую, но довольно тонкую металлическую оболочку. Во время стремительного движения в атмосфере наружная оболочка накалялась добела, но теплота эта излучалась в пространство, не проникая сильно через другие оболочки внутрь. Этому ещё мешал холодный газ, непрерывно циркулирующий между двумя крайними оболочками, проницая рыхлую малотеплопроводную прокладку. Сила взрывания могла регулироваться с помощью сложных инжекторов, а также прекращаться и возобновляться. Этим и другими способами можно было изменять направление взрывания.
Температура внутри ракеты регулировалась по желанию с помощью кранов, пропускающих холодный газ через среднюю оболочку ракеты. Из особых резервуаров выделялся кислород, необходимый для дыхания. Другие снаряды были назначены для поглощения продуктов выделения кожи и лёгких человека. Всё это также регулировалось по надобности. Были камеры с запасами пищи и воды. Были особые скафандры, которые надевались при выходе в пустое пространство и вхождении в чуждую нам атмосферу чуждой планеты. Было множество инструментов и приборов, имеющих известное или специальное назначение. Были камеры с жидкостями для погружения в них путешествующих во время усиленной относительной тяжести. Погруженные в них люди дышали через трубку, Выходящую в воздушную атмосферу ракеты. Жидкость уничтожала их вес, как бы он ни был велик в краткое время взрывания. Люди совершенно свободно шевелили своими членами, даже не чувствовали их веса, как он чувствуется на земле: они были подобно купающимися или прованскому маслу в вине при опыте Плато. Эта лёгкость и свобода движений позволяла им превосходно управлять всеми регуляторами ракеты, следить за температурой, силою взрывания, направлением движений и т.д. Рукоятки проведённые к ним в жидкость, давали им возможность всё это делать. Кроме того, был особый автоматический управитель, на котором на несколько минут сосредоточилось всё управление снарядом. На это время можно было не касаться ручек и приборов; они сами собой делали всё, что им заранее «приказано» Взяты были запасы семян разных плодов, овощей и хлебов для разведения их в особых оранжереях, выпускаемых в пустоту. Так же заготовлены и строительные элементы этих оранжерей.
Объём ракеты составлял около 800 кубических метров. Она могла вместить800 тон воды. Менее третьей доли этого объёма (240 тон) было занято двумя постепенно взрывающимися жидкостями… Этой массы было довольно, чтобы 50 раз придать ракете скорость, достаточную для удаления снаряда навеки от солнечной системы и вновь 50 раз потерять её. Такова была сила взрывания этих материалов. Вес оболочки, или самого корпуса ракеты со всеми принадлежностями, был равен 40 тоннам. Запасы, инструменты, оранжереи составляли 30 тон. Люди и остальное – менее 10 тон….Объём для помещения людей, т.е. заполненного разряженным кислородом пространства, составлял около 400 кубических метров. Полагалось отправить в путь 20 человек. На каждого доставалось помещение в 20 кубических метров, что при постоянно очищаемой атмосфере было в высшей степени комфортабельно. Все отделения сообщались между сбою небольшими проходами. Средний объём каждого отсека составлял около 32 кубических метров. Но половина этого объёма была занята необходимыми компонентами и взрывающейся массой (компонентами топлива.- А.К.). Оставалось на каждое отделение около 16 кубических метров. Средние отделения были больше, и каждое могло служить отличным помещением для одного человека. Одно отделение в наиболее толстой части ракеты имело длину 20 метров и служило залом собраний. На боковых сторонах этих отделений были расположены окна с прозрачными стёклами, закрываемыми наружными и внутренними ставнями.
Для получения эффекта ускорения, которое сообщало бы людям в ракете привычное ощущение тяжести и направления верха и низа, Циолковский предусматривает сообщение ракете вращательного движения около поперечной оси, проходящей через центр масс. Если ракета будет, например, совершать один оборот в минуту, то ускорение в наиболее отдалённых точках ракеты будет примерно в 20 раз меньше земного.
Отопление ракеты производится с помощью солнечных лучей, проникающих через окна, а так же за счёт нагревания Солнцем оболочки ракеты. Для регулирования температуры внутри ракеты Циолковский предусматривает изменение формы и окраски внешней поверхности ракеты. При помощи сферических зеркал можно получать очень высокие температуры и, следовательно, использовать энергию Солнца для производства металлургических работ.
Ракеты, предложенные Циолковским, не были оформлены автором в виде эскизных и предэскизных проектов, привычных современному инженеру-ракетостроителю. В сущности это были заявки на новые идеи. Основное внимание Циолковский уделил научно техническим расчётам, доказывающим осуществимость этих предложений. Для выполнения расчётов нужно было создать основы новой науки – ракетодинамики.