Яков Перельман - Занимательный космос. Межпланетные путешествия
Глава 15. Проекты К.Э. Циолковского
После этих общих замечаний перейдем к рассмотрению образца конкретного проекта межпланетного перелета, избрав для этого план нашего соотечественника К. Э. Циолковского, теоретические изыскания которого опередили исследования других деятелей на том же поприще не только по времени, но зачастую и по полноте и разносторонности.
Изложить подробно содержание его интересных исследований – задача научного сочинения, а не популярной книги. Мы можем развернуть перед читателем только общий план завоеваний мирового пространства, как он вырисовывается в последних работах К.Э. Циолковского [32] . Этот очерк поможет читателю если не представить себе, то, по крайней мере, ощутить основную линию грядущего развития заатмосферного летания [33] .
Рис. 30. Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935)
Отлет межпланетной ракеты с Земли состоится где-нибудь в высокой горной местности. Должна быть подготовлена прямая ровная дорога для разбега, идущая наклонно вверх под углом 10–12 градусов. Ракета помещается на самодвпжущемся экипаже – например, на автомобиле, мчащемся с наибольшею возможною для него скоростью. Получив таким образом начальный разбег, ракета начинает свой самостоятельный восходящий полет под действием взрывающихся в ней горючих веществ. По мере возрастания скорости, крутизна взлета постепенно уменьшается, путь ракеты становится все более пологим. Вынырнув за атмосферу, аппарат принимает горизонтальное направление и начинает кружиться около земного шара на расстоянии 1–2 тысяч километров от его поверхности, наподобие спутника.
По законам небесной механики это возможно, – как мы уже говорили, – при секундной скорости в 8 км. Скорость эта достигается постепенно: взрывание регулируют так, чтобы секундное ускорение не слишком превышало привычное нам ускорение земной тяжести (10 м/с).
Благодаря этим предосторожностям искусственная тяжесть, возникающая в ракете при взрывании, не представляет опасности для пассажиров.
Так достигается первый и самый трудный этап межпланетного путешествия – превращение ракеты в спутник Земли. Чтобы заставить теперь ракету удалиться от Земли на расстояние Луны или еще далее – в другие зоны нашей солнечной системы, – потребуется лишь добавочным взрыванием увеличить в 11/2—2 раза скорость той же ракеты. «Так мы можем, – пишет К.Э. Циолковский, – добраться до астероидов, маленьких планеток, спуск на которые, по малой на них тяжести, не представляет трудности. Достигнув этих крохотных небесных тел (от 400 до 10 и менее километров в диаметре), мы получим обилие опорного материала для космических путешествий»…
Остановимся подробнее на этом первом и решающем этапе межпланетного путешествия, обстоятельно рассмотренном в исследовании К.Э. Циолковского.
Мы сказали раньше, что начальный разбег сообщается ракете автомобилем. Но для этой цели пригодны вообще любые транспортные средства: паровоз, пароход, аэроплан, дирижабль. Годилась бы даже пушка, пороховая или электромагнитная, если бы необходимость делать ее чрезвычайно длинной (ради ослабления искусственной тяжести в снаряде) не увеличивала чрезмерно ее стоимости. Однако всеми перечисленными средствами (кроме пушки) нельзя надеяться достичь скорости больше 700 км/ч (200 м/с). Причина та, что окружная скорость на ободе колеса или на конечных точках пропеллера не должна превосходить и 200 м/с, – иначе вращающемуся телу угрожает разрыв. Между тем чрезвычайно важно довести скорость ракеты до возможно большей величины еще на Земле, при первоначальном разбеге, так как это создает весьма заметную экономию в количестве запасаемых ракетой веществ для взрывания.
Взамен автомобиля или какого-нибудь другого колесного экипажа Циолковский предлагает воспользоваться для разбега опять-таки ракетой. Эту вспомогательную ракету он называет «земной» – в отличие от «космической», предназначенной для межпланетного рейса. Ракета космическая должна быть временно помещена внутрь ракеты земной, которая, не отрываясь от почвы, сообщит ей надлежащую скорость и в нужный момент освободит ее для самостоятельного полета в мировое пространство (рис. 31). Земная ракета под действием взрывания будет стремительно скользить без колес по особым, обильно смазанным рельсам.
Потеря энергии на трение (ослабленное смазкой) сильно уменьшается при весьма больших скоростях. Что же касается сопротивления воздуха, то его можно довести до минимальной величины, придав ракете весьма удлиненную, легко обтекаемую воздухом форму. Если бы возможно было построить ракету в сто раз длиннее ее толщины, сопротивление воздуха было бы настолько ничтожно, что им можно было бы и вовсе пренебречь. Длину земной ракеты нельзя, однако, практически делать свыше 100 м; а так как толщина ее должна быть не меньше нескольких метров, то ракета окажется всего в 20–30 раз длиннее своего поперечника. Впрочем, и при таких условиях общее сопротивление движению земной ракеты будет составлять всего несколько процентов энергии ее движения.
Рис. 31. Схема ракет Циолковского – земной и космической – до разъединения и (внизу) в момент разъединения
Итак, открытая спереди земная ракета с вложенной в нее космической стремительно движется по подготовленной для нее дороге. Наступает момент, когда надо освободить космическую ракету и пустить ее в мировое пространство. Каким образом это сделать?
Циолковский указывает весьма простое средство: затормозить земную ракету – космическая вырвется тогда из нее по инерции и, при одновременном пуске взрывного механизма, начнет самостоятельно двигаться с возрастающей скоростью. Торможение же земной ракеты достигается просто тем, что конечный участок дороги оставляют несмазанным: увеличенное трение замедлит и наконец совсем прекратит движение вспомогательной ракеты без добавочного расхода энергии. Еще лучший способ торможения состоит в том, что из земной ракеты выдвигаются перпендикулярные к ней тормозящие планы: сопротивление им воздуха при большой скорости громадно, и ракета скоро остановится. Тому же способствует открытая тупизна передней части ракеты. Использование земной ракеты для сообщения космической ракете начальной скорости, как мы уже заметили, ощутительно разгружает этот небесный корабль: оно освобождает его от необходимости нести с собою весьма большой запас горючего.
Мы знаем, что для определения солнечного притяжения и, следовательно, для свободных полетов во всей планетной системе ракета должна обладать скоростью около 17 км/с. Чтобы неподвижная ракета приобрела такую скорость, необходимо, в случае горения водорода, взять запас вещества для взрывания раз в 30 (а для ракеты с нефтью – в 70 раз) больше прочего веса ракеты. Между тем, если космическая ракета уже приобрела от разбега земной ракеты скорость в 5 км/с, указанное отношение уменьшается втрое; запас веществ для взрывания (водорода и кислорода) должен быть только в 10 раз тяжелее незаряженной ракеты. Для получения 5-километровой секундной скорости нужен для земной ракеты путь по Земле в 25 км при ускорении 500 м/с2. Тяжесть в ракете увеличивается при этом в 50 раз (500: 10); пассажиры на это время должны быть погружены в воду – иначе они едва ли перенесут такую усиленную тяжесть. Вообще, получение на Земле таких скоростей встретит много затруднений. Однако можно ограничиться и меньшей скоростью.
Рис. 32. Ракеты Циолковского в полете (фантастический рисунок)
Чтобы покончить с земной ракетой, приведем еще несколько ориентирующих цифр. Вес ее должен быть около 50 т, из которых тонн 40 приходится на вещества для горения вместе с вложенной в нее 10-тонной космической ракетой, вполне снаряженная земная ракета будет весить тонн 60. Впрочем, земная ракета может устраиваться и меньшего веса, но тогда выгода будет менее значительна. Продолжительность разбега зависит от длины пути. Взрывание ведется таким темпом, чтобы искусственная тяжесть, обусловленная нарастанием скорости, была весьма невелика – от 0,1 земной до, в крайнем случае, – 10-кратной. При ускорении, значительно большем земного, пассажирам необходимо будет, по мнению Циолковского, погружаться в ванну для избежания вредных последствий усиленной тяжести. При ускорении же не более 30 м/с2 искусственная тяжесть не превосходит степени, безвредно переносимой человеком. Такой же безопасной искусственной тяжести будут, конечно, подвержены и пассажиры, находящиеся в космической ракете. Гораздо сильнее искусственная тяжесть, порождаемая стремительным торможением земной ракеты на сравнительно коротком пути. По своей величине она заметно опаснее для нашего организма; поэтому необходимо устроить так, чтобы управление взрыванием в земной ракете осуществлялось автоматическим путем, без непосредственного участия человека. Пассажирам же космической ракеты это торможение не может причинить вреда, так как в первый же момент торможения они, нисколько не уменьшая достаточной скорости, уже покинут в своем снаряде земную ракету.
Ракета космическая , предназначенная для межпланетных полетов, должна иметь сравнительно небольшие размеры. По Циолковскому, ее длина 10–20 м, поперечник 1–2 м. Для успешного планирования при спуске на Землю или на другие планеты понадобится, быть может, соединять вместе несколько таких сигарообразных ракет бок о бок. Оболочка может быть из стали (вольфрамовая, хромовая или марганцевая сталь) умеренной толщины. По расчетам Циолковского, оболочка ракеты в 100 м3 может весить меньше тонны (650 килограммов).
