Страница 5 из 22
Со времен известного французского писателя XVIII века Сирано де Бержерака авторы фантастических романов о межпланетных перелетах стараются сделать свое повествование правдоподобным. Отказываясь от помощи птиц или мистических «духов», они описывают всевозможные машины, которые перебрасывают их героев на Луну.
Бурное развитие артиллерии в середине XIX века натолкнуло Жюль Верна на создание увлекательного романа «Из пушки на Луну». Блестящее литературное мастерство писателя, замечательная фабула заставляют читателей позабыть практическую неосуществимость жюльверновского проекта. В самом деле, если бы даже была построена исполинская пушка «колумбиада» и в ее снаряд помещены путешественники, то оглушительный выстрел «колумбиады» стал бы для них траурным салютом. Огромное ускорение, которое приобрел бы снаряд «колумбиады» внутри ее ствола, раздавило бы путешественников. Расчеты показывают, что результат при выстреле получится таким же, как если бы путешественников поместили не внутри снаряда, а прямо перед жерлом пушки.
Так же нереален и проект другого талантливого писателя-фантаста Герберта Уэллса. В романе «Первые люди на Луне» Уэллс предлагает построить космический корабль из невесомого вещества «кеворита». Учитывая, что весомость присуща всем телам во вселенной, можно уверенно отнести проект Уэллса к числу утопий.
Межпланетные перелеты возможно совершить лишь с помощью таких двигателей, которые для своего перемещения не нуждаются в какой-либо внешней опоре. Именно такими двигателями являются реактивные, или, точнее говоря, ракетные двигатели.
История ракет уходит своими корнями в глубокое прошлое. Еще древние китайцы, изобретя порох, начиняли им боевые ракеты. Летящие «огненные стрелы» использовали при военных операциях и наши предки — жители Руси X века. Однако мысль о применении ракет для межпланетных перелетов была впервые высказана в 1660 году Сирано де Бержераком. Обстоятельная же теория покорения мировых пространств с помощью ракетных аппаратов разработана нашим знаменитым соотечественником Константином Эдуардовичем Циолковским (1857–1935 гг.).
Рис. 7. Основатель астронавтики Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935).
Циолковский был одним из основателей астронавтики. Он впервые поставил задачу межпланетных перелетов на реальную техническую основу. В многочисленных трудах Циолковский доказал, что полеты на небесные тела — это не утопическая фантазия, а техническая проблема, которая рано или поздно будет решена человечеством.
«Человечество не останется вечно на Земле, — писал Циолковский, — но в погоне за светом и пространством оно сначала робко проникнет за границы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство».
Ракета — вот тот двигатель, который по идее Циолковского позволит человеку стать «гражданином вселенной». На чем же основано это смелое утверждение, почему именно ракета станет первым космическим кораблем?
В праздничные дни, когда множество разноцветных ракет взлетают в небо под оглушительные раскаты артиллерийского салюта, миллионы глаз наблюдают движение, не требующее для себя никакой внешней опоры. Ракета подобна непрерывно стреляющей винтовке. Как винтовка, выбрасывая пулю, ударяет бойца в плечо, так и ракета движется за счет отдачи, «реакции». Роль пули в этом случае выполняют газы, вылетающие из ракеты, а вместо плеча бойца есть воздух, сопротивляющийся реактивному движению ракеты.
Рис. 8. Принцип действия ракеты.
Подчеркиваем, что воздух мешает полету ракеты. Ракета вовсе не «отталкивается газами от воздуха». Она движется только за счет внутренних сил — сил отдачи. Кстати сказать, «отталкиваться газами от воздуха» примерно так же трудно, как «грести жидким веслом».
Полет ракеты есть проявление одного из законов природы — закона сохранения количества движения. Известно, что для характеристики различных механических движений физики употребляют величину, равную произведению массы тела m на его скорость υ. Эта величина mυ и называется количеством движения.
Для взаимодействующих тел, на которые внешние силы не действуют[5], верен закон:
общее (суммарное) количество движения тел системы остается постоянным.
Действие этого закона можно наблюдать повсюду.
Вот, например, в стоящий на биллиарде шар ударяется другой шар. Первый начинает двигаться вперед, а второй остается на месте. Это означает, что количество движения первого шара перешло ко второму, но общее количество движения двух шаров осталось неизменным.
А вот другой пример, более близкий к межпланетным перелетам. Из пушки с массой М вылетает со скоростью υ снаряд, масса которого m. Найдем, с какой скоростью u (вследствие отдачи) откатится при выстреле орудие.
По закону сохранения количества движения, общее количество движения системы «снаряд–пушка» остается постоянным. До выстрела оно равнялось нулю — и пушка и снаряд находились в покое. После выстрела общее, «суммарное», количество движения равно mυ+Мu.
Отсюда следует, что mυ+Mu=0, т. е. искомая скорость .
Знак минус показывает, что скорость отдачи (отката орудия) направлена в сторону, противоположную движения снаряда.
Рассмотренная задача применима в известной степени и к ракетам. Газы, вылетающие из ракеты, уносят с собой некоторое количество движения и поэтому ракета получает такое же количество движения, но направленное в противоположную сторону.
Однако полет ракеты более сложен, чем движение снаряда. Масса последнего остается постоянной, у ракеты же, непрерывно выбрасывающей из себя газы, масса меняется. Это осложняет расчеты, и по приведенной выше формуле вычислить конечную скорость ракеты (т. е. скорость, которую она приобретает, израсходовав все свое топливо) нельзя.
Теория полета ракеты в межпланетном пространстве была разработана К. Э. Циолковским. Им, в частности, выведена формула, которую можно считать основной формулой астронавтики.
Предположим, что первоначальная масса ракеты (вместе с топливом) М0, ее масса без топлива М, скорость вытекания газов из ракеты c, а конечная скорость, которую приобретает ракета, υ. Тогда, как доказал Циолковский, перечисленные величины связаны следующей формулой:
где е есть иррациональное число, приближенно равное 2,718.
Разберемся прежде всего в том, от каких причин зависит конечная скорость ракеты υ и от чего она не зависит.
Формула Циолковского утверждает, что в среде без тяжести конечная скорость ракеты зависит только от отношения первоначальной массы ракеты к конечной ()и от скорости вытекания газов с. Значит, ни размеры ракеты, ни порядок или продолжительность действия ракетного двигателя на конечную скорость ракеты не влияют. По словам Циолковского: «Происходит ли горение равномерно или нет, длится ли оно секунды или тысячелетия — это все равно: даже перерывы ничего не значат».
И огромная ракета, весящая тысячи тонн, и маленькая ракета весом в сотни граммов могут приобрести одинаковые скорости, лишь бы у них было одинаково отношение и обе ракеты работали бы на одинаковом топливе (т. е. если у них скорость с была бы одинакова).
Ракетный двигатель действует и в безвоздушном пространстве, а потому, как уже отмечалось, воздух для полета ракеты не нужен. Однако для того, чтобы ракета стала межпланетным кораблем, ей необходимо развить «скорость отрыва от Земли», равную 11,2 . Тогда, набрав эту скорость, ракета полетит дальше уже без затраты топлива — как брошенный камень или выстреленный снаряд. Следовательно, разогнавшись до нужной скорости, ракета затем бóльшую часть полета совершит «на холостом ходу», с выключенным двигателем. Только таким путем при современных видах топлива и можно достичь небесных тел.