РАКЕТЫ ЦИОЛКОВСКОГО

5. РАКЕТЫ ЦИОЛКОВСКОГО

В конце XIX века Циолковский возродил научно-тех­нические изыскания по ракетной технике в России и в дальнейшем предложил большое число оригинальных схем конструкций ракет. Существенно новым шагом в раз­витии ракетной техники были разработанные 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), легкого и надеж­ного в работе. Для ракет больших размеров такое решение было единственно приемлемым.

Ракета 1903 года. Первый тип ракеты дальнего дей­ствия был описан Циолковским в его работе «Исследова­ние мировых пространств реактивными приборами», опу­бликованной в 1903 году. Ракета представляет собой продолговатую металлическую камеру, очень похожую по форме на дирижабль или большое веретено. «Представим себе, — пишет Циолковский, — такой снаряд: продолговатая металлическая камера (формы наименьшего, сопро­тивления), снабженная 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 своем смешении тотчас же образуют взрывчатую массу. Вещества эти, правильно и... равномерно взрыва­ясь в определенном для того месте, текут в виде горячих газов по расширяющимся к концу трубам вроде рупора или духового музыкального инструмента... В одном узком конце трубы совершается смешение взрывчатых веществ: тут получаются сгущенные и пламенные газы. В другом расширенном ее конце они, сильно разредившись и охла­дившись от этого, вырываются наружу через раструбы с громадной относительной скоростью»¹⁰.

На рис. 6 показаны объемы, занимаемые жидким водородом (горючее) и жидким кислородом (окислитель). Место их смешения (камера сгорания) обозначено на рис. 6 буквой А. Стенки сопла окружены кожухом с охлаждающей, быстро циркулирующей в нем жидкостью (одним из компонентов топлива).

Для управления полетом ракеты в верхних разреженных 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 приема позволяют отклонять направление струи горячих газов от оси ракеты и создавать силу, перпендикулярную направлению полета (управляющую силу). Следует отме­тить, что указанные предложения Циолковского нашли широкое применение и развитие в современной ракетной технике. Все известные лам из иностранной печати 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 (до 3500—4000°) в течение нескольких минут. Без охлаждения такие камеры прого­рают за 2—3 секунды.

Газовые рули, предложенные Циолковским, приме­няются для управления полетом ракет различных классов за рубежом. Если реактивная сила, развиваемая двигате­лем, превосходит силу тяжести ракеты в 1,5—3 раза, то в первые секунды полета, когда скорость ракеты невелика, воздушные рули будут неэффективны даже в плотных слоях атмосферы и правильный полет ракеты обеспечи­вают при помощи газовых рулей. Обычно в струю реактивного. двигателя помещают четыре графитовых руля, располагаемых в двух взаимно-перпендикулярных плоско­стях. Отклонение одной пары позволяет изменять направ­ление полета в вертикальной плоскости, а отклонение вто­рой пары изменяет направление полета в горизонтальной плоскости. Следовательно, действие газовых рулей анало­гично действию рулей высоты и направления у самолета или планера, меняющих угол тангажа и курса при полете. Чтобы ракета не вращалась вокруг собственной оси, одна пара газовых рулей может отклоняться в разные стороны; в этом случае их действие аналогично действию элеронов у самолета.

Газовые рули, помещаемые в струе горячих газов, уменьшают реактивную силу, поэтому при сравнительно большом времени работы реактивного двигателя (более 2—3 минут) иногда оказывается более выгодным или по­ворачивать соответствующим автоматом весь двигатель, или ставить на ракету дополнительные (меньшего раз­мера) поворачивающиеся двигатели, которые и служат для управления полетом ракеты. На рис. 7 показаны три случая полета шара с поворачивающимся реактивным дви­гателем. Рис. 7, а соответствует прямолинейному горизонтальному полету шара; струя выбрасываемых частиц параллельна горизонту, и реактивная сила Ф направлена также горизонтально. Рис. 7, б соответствует отклоне­нию струи (оси двигателя) вверх; реактивная сила Ф отклонится вниз, и траектория центра тяжести шара начнет также отклоняться вниз. Рис. 7, в соответствует от­клонению струи (оси двигателя) вниз; реактивная сила будет отклонена вверх, и траектория центра тяжести шара будет также отклоняться вверх.

Ракета 1914 года11. Внешние очертания ракеты 1914 года близки к очертаниям ракеты 1903 года, 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 (рис. 8)12: «Левая задняя кормовая часть ракеты состоит из двух камер, разделенных 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 черные точки внизу (почти посредине) означают поперечное сечение труб, доставляющих взрывной трубе взрывчатые мате­риалы. От устья взрывной трубы (см. кругом двух точек) отходят две ветки с быстро мчащимися газами, которые увлекают и вталкивают жидкие элементы взрывания в устье, подобно инжектору Жиффара или пароструйному насосу». «...Взрывная труба делает несколько оборотов вдоль ракеты параллельно ее продольной оси и затем не­сколько оборотов перпендикулярно к этой оси. Цель — уменьшить вертлявость ракеты или облегчить ее управляе­мость»13.

В этой схеме ракеты внешняя оболочка корпуса может охлаждаться жидким кислородом. Циолковский хорошо понимал трудность возвращения ракеты из космического пространства на землю, имея в виду, что при больших скоростях полета в плотных слоях атмосферы ракета мо­жет сгореть или разрушиться подобно метеориту.

В носовой части ракеты Циолковский располагает: запас газов, необходимых для дыхания и поддержания нормальной жизнедеятельности пассажиров; приспособле­ния для сохранения живых существ от больших перегру­зок, возникающих при ускоренном (или замедленном) движении ракеты; приспособления для управления поле­том; 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 больших перегрузок («уси­ленной тяжести» — по терминологии Циолковского) при помощи погружения их в жидкость равной плотности. Впервые эта идея встречается в работе Циолковского 1891 года. Вот краткое описание простого опыта, убеж­дающего нас в правильности предложения Циолковского для однородных тел (тел одинаковой плотности). Возьмем 'нежную восковую фигуру, которая едва выдерживает собственный вес. Нальем в крепкий сосуд жидкость такой же плотности, как и воск, и погрузим в эту жидкость фи­гуру. Теперь посредством центробежной машины вызовем перегрузки, превышающие силу тяжести во много раз. Сосуд, если недостаточна крепок, может разрушиться, но восковая фигура в жидкости будет сохраняться целой. «Природа давно пользуется этим приемом,—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 все равно будет проявляться и при погружении тела в жидкость. Так, если в восковую фигуру заделать свинцо­вые дробинки, то при больших перегрузках все они выле­зут из восковой фигуры в жидкость. Но, по-видимому, несомненно, что в жидкости человек сможет выдержать большие перегрузки, чем, например, в специальном кресле.

Ракета 1915 года. В книжке Перельмана «Межпланет­ные путешествия», изданной в 1915 году в Петрограде, помещены чертеж и описание ракеты, выполненные Циол­ковским.

«Труба А и камера В из прочного тугоплавкого ме­талла покрыты внутри еще более тугоплавким материа­лом, например вольфрамом. С и Д — насосы, накачиваю­щие жидкий кислород и водород в камеру взрывания. Ра­кета имеет еще вторую тугоплавкую наружную 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 изображенной на рис. 9). Е — труба, отводящая ис­паренный холодный кислород в промежуток между двумя оболочками, он вытекает наружу через отверстие К. У от­верстия трубы имеется (не изображенный на рис. 9) руль из двух взаимно-перпендикулярных плоскостей для уп­равления ракетой. Вырывающиеся разреженные и охлажденные газы благодаря этим рулям изменяют направление своего движения и, таким образом, поворачивают ра­кету»14.

Составные ракеты. В работах Циолковского, посвя­щенных составным ракетам, или ракетным поездам, не дано чертежей с общими видами конструкций, но по при­веденным в работах описаниям можно утверждать, что Циолковский предлагал к осуществлению два типа ракет­ных поездов. Первый тип поезда подобен железнодорож­ному, когда паровоз толкает состав сзади. Представим себе четыре ракеты, сцепленные последовательно одна с другой (рис. 10). Такой поезд толкается сначала ниж­ней—хвостовой ракетой (работает двигатель первой сту­пени). После использования запасов ее топлива ракета отцепляется и падает на землю. Далее начинает работать двигатель второй ракеты, которая для поезда из остав­шихся трех ракет является хвостовой толкающей. После полного использования топлива второй ракеты она также отцепляется и т. д. Последняя, четвертая, ракета начинает использовать имеющийся в ней запас топлива, уже имея достаточно высокую скорость, полученную от работы дви­гателей первых трех ступеней.

Циолковский доказал расчетами наиболее выгодное распределение весов отдельных ракет, входящих в поезд.

Второй тип составной ракеты, пред­ложенной Циолковским в 1935 году, назван им эскадрильей ракет. Пред­ставьте себе, что в полет отправилось 8 ракет, скрепленных параллельно, как скрепляются  бревна плота на реке. При старте все восемь реактивных дви­гателей начинают работать одновремен­но. Когда каждая из восьми ракет израсходует половину запаса топлива, тогда 4 ракеты (например, две справа и две слева) перельют свой неизрасхо­дованный запас топлива в полупустые емкости остающихся 4 ракет (рис. 11) и отделятся от эскадрильи. Дальнейший полет продолжают 4 ракеты с полно­стью заправленными баками. Когда ос­тавшиеся 4 ракеты израсходуют каждая половину имеющегося запаса топлива, тогда 2 ракеты (одна справа и одна слева) перельют свое топливо в остаю­щиеся две ракеты и отделятся от эска­дрильи. Полет продолжат 2 ракеты. Израсходовав половину своего топлива, одна из ракет эскадрильи перельет оставшуюся половину в ракету, пред­назначенную для достижения цели пу­тешествия. Преимущество эскадрильи состоит в том, что все ракеты одина­ковы. Переливание компонентов топ­лива в полете является хотя и трудной, но вполне техниче­ски разрешимой задачей.

Создание разумной конструкции ракетного поезда яв­ляется одной из наиболее актуальных проблем в настоя­щее время.

В последние годы своей жизни К. Э. Циолковский много работал над созданием теории полета реактивных самолетов его статье «Реактивный аэроплан» (1930 г.) подробно выясняются преимущества и недостатки реактив­ного самолета по сравнению с самолетом, снабженным воздушным винтом. Указывая на большие секундные рас­ходы горючего в реактивных двигателях как на один из самых существенных недостатков, Циолковский пишет: «...Наш реактивный аэроплан убыточнее обыкновенного в пять раз. Но вот он летит вдвое скорее там, где плотность атмосферы в 4 раза меньше. Тут он будет убыточнее только в 2,5 раза. Еще выше, где воздух в 25 раз реже, он летит в пять раз скорее и уже использует энергию так же успешно, как винтовой самолет. На высоте, где среда в 100 раз реже, его скорость в 10 раз больше и он будет выгоднее обыкновенного аэроплана в 2 раза».

Эту статью Циолковский заканчивает замечательными словами, показывающими глубокое понимание законов техники. «За эрой аэропланов винтовых должна следовать эра аэропланов реактивных, или аэропланов страто­сферы». Следует отметить, что эти строки написаны за 10 лет до того, как первый реактивный самолет, построен­ный в Советском Союзе, поднялся в воздух.

В статьях «Ракетоплан» и «Стратоплан полуреактив­ный» Циолковский дает теорию движения самолета с жидкостным реактивным двигателем и подробно раз­вивает идею турбокомпрессорного винтового реактивного самолета.

1 К. Э. Циолковский. Моя жизнь и работа. Сборник Аэрофлота, посвященный Циолковскому. М., 1939, стр. 16.

2 К. Э. Циолковский. Моя жизнь и работа. Сборник Аэрофлота, посвященный Циолковскому. М., 1939, стр. 24.

3 К. Э. Циолковский. Моя жизнь и работа. Сборник Аэрофлота, посвященный Циолковскому. М., 1939, стр. 24.

4 Б. Н. Воробьев. Циолковский, 1940, стр. 25.

5 Эта и ряд последующих цитат, относящихся к биографии К. Э. Циолковского, взяты из его статьи «Моя жизнь и работа», опубликованной в 1939 г. в сборнике Аэрофлота, посвященном К. Э. Циолковскому.

6 Работа получила благоприятный отзыв знаменитого физиолога И. М. Сеченова.

7 «Простое учение о воздушном корабле и его построении». К. Циолковского, 2-е издание, Калуга, 1904 г., стр. 5.

8 Статья вышла отдельной брошюрой в 1895 году.

9 К. Э. Циолковский. Труды по ракетной технике. Оборонгиз, 1947, стр. 60.

10 К. Э. Циолковский. Собрание сочинений. Изд. АН СССР, 1954, том II, стр. 73—74.

11 К. Э. Циолковский. Собрание сочинений, том II, стр. 149—150.

12 См. стр. 15 реферата.

13 Позднее К. Э. Циолковский отказался от такой конструкции сопла ракеты.

14 Н. А. Рынин. К. Э. Циолковский, его жизнь, работы и ракеты. .1931, стр. 41.