4. реактивное движение

4. РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ«Практические дела делаются только исходя из общих начал, только при знакомстве с абстрактами, до них относящимися».(Д. И. Менделеев)Среди великих технических и научных достижений XX столетия одно из первых мест, несомненно, принад­лежит ракетам и теории реактивного движения. Годы второй мировой войны (1941 —1945) привели к необы­чайно быстрому совершенствованию конструкций реак­тивных аппаратов. На полях сражений вновь появились пороховые ракеты, но уже на более калорийном бездым­ном тротил - пироксилиновом порохе («катюши»). Были созданы самолеты с воздушно-реактивными двигателями, беспилотные самолеты с пульсирующими воздушно-реак­тивными двигателями (Фау-1) и баллистические ракеты с дальностью полета до 300 км (Фау-2). Ракетная техника становится сейчас очень важной и быстро растущей отраслью промышленности. Развитие теории полета реактивных аппаратов — одна из насущных проблем современного научно-технического развития. К. Э. Циолковский много сделал для познания основ теории движения ракет. Он был первым в истории науки, кто сформулировал и исследовал проблему изучения прямолинейных движений ракет, исходя из законов теоретической механики. Простейший реактивный двигатель на жидком топливе (рис. 3) представляет собой камеру, похожую по форме на гор­шок, в котором жители сельских местно­стей хранят молоко. Через форсунки, рас­положенные на днище этого горшка, происходит подача жидкого горючего и окислителя в камеру горения. Подача компонентов топлива рассчитывается та­ким образом, чтобы обеспечить полное сгорание. В камере сгорания (рис. 3) происходит воспламенение топлива, и продукты горения — горячие газы — с большой скоростью выбрасываются через специально про­филированное сопло. Окислитель и горючее помещаются в специальных баках, располагающихся на ракете или самолете. Для подачи окислителя и горючего в камеру сгорания применяют турбонасосы или выдавливают их сжатым нейтральным газом (например, азотом). На рис. 4 приведена фотография реактивного двигателя не­мецкой ракеты Фау-2. Струя горячих газов, выбрасываемая из сопла реактив­ного двигателя, создает реактивную силу, действующую на ракету в сторону, противоположную скорости частиц струи. Величина реактивной силы равняется произведению массы отбрасываемых в одну секунду газов на относи­тельную скорость. Если скорость измерять в метрах в се­кунду, а массу секундного расхода через вес частиц в ки­лограммах, разделенных на ускорение силы тяжести , то реактивная сила будет получаться в ки­лограммах. Возьмем, например, реактивный двигатель, в котором каждую секунду сгорает 4,9 кг топлива. Пусть от­носительная скорость отбрасываемых частиц (продуктов сгорания) будет , тогда реактивная сила, кото­рую обозначим через , будет равна У немецкой ракеты Фау-2 весовой секундный расход со­ставляет в среднем 127,4 кг. Скорость истечения продук­тов сгорания из сопла двигателя равна 2000 м/сек. Реак­тивная сила в этом случае равна Приведенные примеры показывают, что реактивная сила тем больше, чем больше секундный расход топлива и чем больше относительная скорость отбрасывания частиц. В некоторых случаях для сжигания горючего в камере реактивного двигателя приходится забирать воздух из ат­мосферы. Тогда в процессе движения реактивного аппа­рата происходит присоединение частиц воздуха и выбра­сывание нагретых газов. Мы получаем так называемый воздушно ─ реактивный двигатель. Простейшим примером воздушно ─ реактивного двигателя будет обыкновенная трубка, открытая с обоих концов, внутри которой помещен 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 сторону, противоположную струе выбрасываемых из нее газов. Делая поперечное сечение трубки (радиус трубки) переменным, можно соответствующим подбором этих се­чений по длине трубки достигнуть весьма больших скоро­стей истечения выбрасываемых газов. Чтобы не возить с собой двигатель для вращения вентилятора, можно за­ставить струю текущих по трубке газов вращать его с нужным числом оборотов. Некоторые трудности будут воз­никать только при запуске такого двигателя. Простейшая схема воздушно-реактивного двигателя была предложена еще в 1887 году русским инженером Гешвендом. Идея ис­пользования воздушно-реактивного двигателя для совре­менных типов самолетов была с большой тщательностью самостоятельно разработана К. Э. Циолковским. Он дал первые в мире расчеты самолета с воздушно-реактивным двигателем и турбокомпрессорным винтовым двигателем. На рис. 5 дана схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя, у которого движение частиц воздуха по оси трубы создается за счет начальной скорости, получен­ной ракетой от какого-либо другого двигателя, а дальней­шее движение поддерживается за счет реактивной силы, обусловленной увеличенной скоростью отброса частиц по сравнению со скоростью входящих частиц. Энергия движения воздушного реактивного двигателя получается за счет сжигания горючего, так же как и в простой ракете. Таким образом, источником движения любого реактивного аппарата является запасенная в этом аппарате энергия, которую можно преобразовать в механическое движение выбрасываемых из аппарата с большой скоростью частиц вещества. Как только будет соз­дано выбрасывание таких частиц из аппарата, он получает движение в сторону, противоположную струе извергаю­щихся частиц. Направленная соответствующим образом струя выбра­сываемых частиц — основное в конструкциях всех реак­тивных аппаратов. Методы получения мощных потоков извергающихся частиц очень разнообразны. Проблема получения потоков отбрасываемых частиц простейшим и наиболее экономичным способом, разработка методов ре­гулирования таких потоков — важная задача изобретате­лей и конструкторов. Если рассмотреть движение простейшей ракеты, то легко понять, что ее вес изменяется, так как часть массы ракеты сгорает и отбрасывается с течением времени. Ра­кета представляет собой тело переменной массы. Теория движения тел переменной массы создана в конце XIX века 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. К со­жалению, работы Мещерского не были известны Циолков­скому, и он в ряде случаев повторял в своих работах более ранние результаты Мещерского. Изучение движения реактивных аппаратов представ­ляет большие трудности, так как во время движения вес любого реактивного аппарата значительно изменяется. Уже сейчас существуют ракеты, у которых во время ра­боты двигателя вес уменьшается в 8—10 раз. Изменение веса ракеты в процессе движения не позволяет использо­вать непосредственно те формулы и выводы, которые по­лучены в классической механике, являющейся теоретиче­ской базой расчетов движения тел, вес которых постоянен во время движения. Известно также, что в тех задачах техники, где про­ходилось иметь дело с движением тел переменного веса (например, у самолетов с большими запасами горючего), всегда предполагалось, что траекторию движения можно разделить на участки и считать на каждом отдельном уча­стке вес движущегося тела постоянным. Таким приемом трудную задачу изучения движения тела переменной массы заменяли более простой и уже изученной задачей о движении тела постоянной массы. Изучение движения ра­кет как тел переменной массы было поставлено на твердую научную почву К. Э. Циолковским. Мы называем теперь теорию полета ракет ракетодинамикой. Циолковский яв­ляется основоположником современной ракетодинамики. Опубликованные труды К. Э. Циолковского по ракетодинамике позволяют установить последовательное разви­тие его идей в этой новой области человеческого знания. Каковы же основные законы, управляющие движением тел переменной массы? Как рассчитывать скорость по­лета реактивного аппарата? Как найти высоту полета ра­кеты, выпущенной вертикально? Как выбраться на реак­тивном приборе за пределы атмосферы — пробить «пан­цирь» атмосферы? Как преодолеть притяжение земли — пробить «панцирь» тяготения? Вот некоторые из вопросов, рассмотренных и решенных Циолковским. С нашей точки зрения, самой драгоценной идеей Ци­олковского в теории ракет является добавление 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 новое мощное орудие технических преобразований — вот те задачи, которые ставил перед собой гениальный Циолков­ский. Весь талант исследователя, вся оригинальность, творческая самобытность и необычайный взлет фантазии с особой силой и продуктивностью выявились в его рабо­тах по реактивному движению. Он на десятилетия вперед предсказал 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. В одной из своих работ (1911 г.) Циолковский выска­зал глубокую мысль о простейших применениях ракет, ко­торые были известны людям очень давно. «Такие жал­кие реактивные явления мы обыкновенно и наблюдаем на земле. Вот почему они никого не могли поощрить к мечтам и исследованиям. Только разум и наука могли указать на преобразование этих явлений в грандиозные, почти не­постижимые чувству»9. При полете ракеты на сравнительно небольших высо­тах на нее будут действовать три основные силы: сила тя­жести (сила ньютоновского тяготения), сила аэродинами­ческая, обусловленная наличием атмосферы (обычно эту силу разлагают на две: подъемную и лобового сопротив­ления), и реактивная сила, обусловленная процессом от­брасывания частиц из сопла реактивного двигателя. Если учитывать все указанные силы, то задача изучения дви­жения ракеты получается достаточно сложной. Естест­венно поэтому начать теорию полета ракеты с простейших случаев, когда некоторыми из сил можно пренебречь. Ци­олковский в своей работе 1903 года прежде всего исследо­вал, какие возможности заключает в себе реактивный принцип создания механического движения, не учитывая действия аэродинамической силы и силы тяжести. Такой случай движения ракеты может быть при межзвездных пе­релетах, когда силами притяжения планет солнечной си­стемы и звезд можно пренебречь (ракета находится до­статочно далеко и от солнечной системы и от звезд — в «свободном пространстве» — по терминологии Циолков­ского). Эту задачу называют сейчас первой задачей Циол­ковского. Движение ракеты в этом случае обусловлено только реактивной силой. При математической формули­ровке задачи Циолковский вводит предположение о по­стоянстве относительной скорости отброса частиц. При полете в пустоте это предположение означает, что реак­тивный двигатель работает при установившемся режиме и скорости истекающих частиц в выходном сечении сопла не зависят от закона 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. ...Экономия энергии тут не должна иметь места: она невозможна и невыгодна. Другими словами: в основу теории ракеты надо принять постоянную относи­тельную скорость частиц отброса». Циолковский составляет и подробно исследует урав­нение движения ракеты при постоянной скорости частиц отброса и получает весьма важный математический ре­зультат, известный сейчас как формула Циолковского. Если обозначить буквой скорость ракеты в момент, когда ее масса равна а через обозначить постоянную скорость отбрасываемых из сопла двигателя частиц, то формула Циолковского будет иметь следующий вид: где — масса ракеты в момент старта, когда ее скорость равна нулю; — знак десятичного логарифма. Участок полета ракеты при работающем двигателе на­зывают активным участком полета. Скорость ракеты в конце активного участка будет наибольшей. Если масса ракеты при полностью израсходованном топливе будет равна , а наибольшая скорость, то из формулы Циолковского следует, что. Пусть отношение начальной массы (веса) ракеты к массе (весу) в конце горения равно 10 и пусть относительная скорость отбрасываемых частиц равна , тогда максимальная скорость ракеты будет равна. Из формулы Циолковского для максимальной скорости следует, что: а). Скорость движения ракеты в конце работы двига­теля (в конце активного участка полета) будет тем больше, чем больше относительная скорость отбрасывае­мых частиц. Если относительная скорость истечения удваивается, то и скорость ракеты возрастает в два раза. б). Скорость ракеты в конце активного участка возра­стает, если увеличивается отношение начальной массы (веса) ракеты к массе (весу) ракеты в конце горения. Од­нако здесь зависимость более сложная, она дается сле­дующей теоремой Циолковского: «Когда масса ракеты плюс масса взрывчатых веществ, имеющихся в реактивном приборе, возрастает в геометри­ческой прогрессии, то скорость ракеты увеличивается в прогрессии арифметической». Этот закон можно выразить двумя рядами чисел: 2 22=4 23=8 24=16 25=32 26=64 27=128 1 2 3 4 5 6 7 «Положим, например, — пишет Циолковский, — что масса ракеты и взрывчатых веществ составляет 8 единиц. Я отбрасываю четыре единицы и получаю скорость, кото­рую мы примем за единицу. Затем я отбрасываю две еди­ницы взрывчатого материала и получаю еще единицу скорости; наконец отбрасываю последнюю единицу массы взрывчатых веществ и получаю еще единицу скорости; всего 3 единицы скорости». Из теоремы и пояснений Циолковского видно, что «скорость ракеты далеко не про­порциональна массе, взрывчатого материала: она растет весьма медленно, но беспредельно». 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 увеличивать относительный запас топлива. Так, например, если бы захотели в 2 раза увеличить скорость в конце активного участка для современной ра­кеты, имеющей отношение начального веса к весу пустой (без горючего) ракеты, приблизительно равное 3, и отно­сительную скорость истечения газов, равную , то можно идти двумя путями: или увеличить относительную скорость истечения частиц из сопла реактивного двигателя в 2 раза, т. е. до , или увеличить относительный запас топлива настолько, чтобы отношение начального веса к весу пустой ракеты стало равным 32=9. Следует заметить, что увеличение относительных ско­ростей истечения частиц требует совершенствования реак­тивного двигателя и разумного выбора составных частей (компонентов) применяющихся топлив. Второй путь, свя­занный с увеличением относительного запаса топлива, требует значительного улучшения (облегчения) конструк­ции корпуса ракеты, вспомогательных механизмов и при­боров управления полетом. Строгий математический анализ, проведенный Циол­ковским, выявил основные закономерности движения ра­кет и дал возможность количественной оценки совершен­ства реальных конструкций ракет. Простая формула Циолковского позволяет путем эле­ментарных вычислений устанавливать исполнимость того или другого задания. В самом деле, пусть, например, вы хотите создать одноступенчатую ракету для полета на Марс. Вы располагаете двигателем, имеющим относи­тельную скорость отброса частиц, равную . Тогда, зная, что для преодоления поля тяготения Земли нужна скорость , можно найти необходимый относительный запас топлива в ракете. Из формулы Циолковского имеем, или По таблицам десятичных логарифмов находим, что т. е. суммарный вес конструкции ракеты, двигателя, вспо­могательных механизмов и приборов управления должен составлять немногим больше 1% стартового веса. Такую ракету сделать невозможно. Если бы удалось увеличить относительную скорость истечения до то из формулы Циолковского легко найти, что в этом случае а следовательно, т.е. вес ракеты без топлива должен составлять 10% ее стартового веса. Такую ракету можно создать. Формулой Циолковского можно пользоваться для приближенных оценок скорости ракеты в тех случаях, когда сила аэродинамическая и сила тяжести сравнительно невелеки по отношению к реактивной силе. Подобного рода задачи возникают для пороховых ракет с небольшими временами горения и большими секундными расходами. 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 летных характеристик на первоначальных стадиях проектирования вполне достаточна. Формула Циолковского позволила количественно оценить максимальные возможности реактивного способа сообщения движения. После работы Циолковского 1903 года началась новая эпоха развития ракетной техники. Эта эпоха знаменуется тем, что летные характеристики ракет можно заранее определить путем вычислений, следовательно, с работы Циолковского начинается создание научного проектирования ракет. Предвидение К. И. Константинова – конструктора пороховых ракет XIX века – о возможности создания новой науки – баллистики ракет (или ракетодинамики) – получило реальное осуществление в работах Циолковского.^ 5. РАКЕТЫ ЦИОЛКОВСКОГОВ 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. 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.