Текст книги "Путешествия в космос"

Автор книги: Михаил Васильев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 16 страниц)

ИЗ ПУШКИ НА ЛУНУ

Итак, чтобы отправиться в космический рейс, надо сообщить кораблю, как минимум, круговую скорость. Но задача вообще-то, конечно, значительно сложней. Ведь приведенные элементарные расчеты не учитывают сопротивления атмосферы полету, а оно при больших скоростях очень значительно.

Каким же образом придать космическому кораблю такую колоссальную скорость?

Выстрелить им из пушки – таков был самый первый ответ.

Знаменитый французский писатель Жюль Верн этим способом отправил в путешествие вокруг Луны своих героев, членов Пушечного клуба Барбикена, Николя и Мишеля Ардана. Для этой цели была сооружена гигантская, врытая в землю пушка длиной около 300 метров и диаметром около 2,5 метра. Заряд ее содержал свыше 150 тонн пироксилина. Этого, по мнению Жюля Верна, было достаточно для того, чтобы добросить снаряд до Луны, сообщив ему необходимую скорость.

Гениальный романист ошибался, как ошибались многие в его время и даже значительно позже него. Точные расчеты убеждают, что с помощью известных нам сегодня взрывчатых веществ (кроме атомных) сообщить снаряду космическую скорость посредством выстрела из пушки невсзможно.

Представим себе, что мы в абсолютной пустоте взорвали кусок очень сильного взрывчатого вещества, мгновенно превратили его из твердого состояния в газ, занимающий тот же самый объем. Этот газ, имеющий в первоначальный момент чрезвычайно высокую температуру и давление, начинает стремительно расширяться, его частицы разлетаются в разные стороны. Они, не встречая никакого препятствия на своем пути, будут двигаться с максимальной скоростью, которую может сообщить заключенная в них энергия. Но эта скорость будет еще очень далека от космической. Она не сможет превзойти 3,5 километра в секунду.

Правда, если взрыв произвести на дне канала орудия, имеющего только один выход для газов, скорость газов может превысить эту величину. Произойдет это за счет того, что часть газов у закрытой тыльной части дула останется неподвижной и ее энергия как бы передастся тем частицам, которые имеют возможность свободно двигаться. Но и в этом случае частицы газа, образовавшегося при взрыве, не смогут развить космической скорости.

Тем более не сможет приобрести ее снаряд, движимый этими потоками расширяющегося газа. Расчеты показали; что даже в тех случаях, когда снаряд весит значительно меньше, чем пороховой заряд, в самом длинном орудии его не удается разогнать до скорости, превышающей 5–6 километров в секунду. Жюльверновская колумбиада не смогла бы выпустить снаряда в мировое пространство. Не смогла бы выбросить в пространство и сделать из своего ужасающего снаряда искусственного спутника Земли и пушка Шульце, описанная тем же Жюлем Верном в романе «Пятьсот миллионов Бегумы».

Правда, в последние годы ученые открыли новый способ концентрировать энергию взрывчатых веществ – так называемое явление кумуляции. Это явление может без труда наблюдать каждый. Возьмите стакан воды и пипетку и осторожно капните из нее одну каплю с высоты 20–25 сантиметров на ровную поверхность воды в стакане. Вот наша капля коснулась воды, слилась с ней, и на поверхности воды образовалось небольшое углубление – лунка. Затем эта лунка начинает заравниваться, и из центра ее вдруг стремительно вылетает вертикально вверх крохотная капелька. Вот что произошло в лунке, «выстрелившей» вверх своей капелькой.

Как только упавшая капля образовала лунку, чтобы заполнить ее, н нее с разных концов устремились струйки воды. Они столкнулись в середине, и вся их энергия сообщилась крохотной капельке, вылетевшей вверх.

На этом же принципе работают так называемые кумулятивные снаряды. Струи газов, образующиеся при горении взрывчатого вещества в таких снарядах, направляются к одному центру, и одна из струек приобретает при этом колоссальную скорость (в несколько десятков километров в секунду) и колоссальную разрушительную силу. Советский ученый проф. Г. И. Покровский в 1944 году сообщал таким способом струе газообразного металла скорость до 25 километров в секунду. Американские ученые В. С. Коски, Ф. А. Ласи, Р. Ж. Шреффлер, Ф. Т. Уиллинг в 1952 году, продолжая работы Покровского, достигли скорости до 90 километров в секунду.

Поместив космический корабль в центр гигантского кумулятивного заряда, может быть, и можно будет сообщить ему космическую скорость. Но нет сомнения, что в момент соударения газовых струй взрывчатого вещества, космический корабль, каким бы крепким он ни был, будет раздавлен, разбит, весь превращен в парообразное состояние. Проф. Покровский считает, что молекулы вещества, которому он при кумулятивном взрыве сообщал скорости в несколько десятков километров в секунду, теряли свои электронные оболочки, уплотнялись от сверхвысокого давления до того, что это вещество становилось подобным звездному веществу «белых карликов».

Возможно, что кумулятивные выстрелы и будут когда-нибудь применяться для того, чтобы забросить за атмосферу в космическое пространство запасы каких-либо металлов или веществ. Но применение их для целей пассажирских сообщений более чем сомнительно.

Таким образом, использование для космических путешествий гигантских артиллерийских орудий, даже самых совершенных систем, надо считать отвергнутым навсегда. С их помощью мы не сможем получить необходимых нам высоких начальных скоростей движения снаряда.

^{Явление кумуляции в стакане воды. Упавшая из пипетки капля создает на поверхности воды лунку (А), в которую устремляются со всех сторон струйки воды (Б), и в результате их столкновения крохотная капелька выбрызгивается на довольно значительную высоту (В).}

ЭЛЕКТРОПУШКА

Так, может быть, заменить пороховую пушку электропушкой? Устройство ее довольно просто: она представляет собой гигантский соленоид или целый ряд соленоидов, в которые и втягивается сделанный из железа космический снаряд. С помощью электропушки мы можем сообщить этому снаряду теоретически любое количество энергии, то есть любую скорость.

Прежде чем отвергнуть или принять электропушку как возможное средство для космических сообщений, остановимся еще на одном препятствии на пути осуществления космического полета. Мы имеем в виду, конечно, полет корабля с живым экипажем. Первым препятствием, как мы уже отметили, является необходимость сообщить кораблю очень высокую скорость, что сделать мы пока что не умеем.

Второе препятствие состоит в том, что эта скорость должна достигаться не сразу, а постепенно. Ускорение космического корабля не должно превосходить совершенно определенной величины.

Ускорением называется прирост скорости за единицу времени. Тело, свободно падающее, увеличивает скорость своего падения за каждую секунду под влиянием притяжения Земли на 9,81 метра в секунду. Эту величину ускорения принято обозначать буквой «g». Следствием земного притяжения является и ощущаемый нами вес предметов.

Человеческий организм, отлично приспособившийся к земным условиям, к земному притяжению, может выдержать далеко не всякое ускорение. Лучше всего могут об этом рассказать пилоты скоростных самолетов, которым при исполнении фигур высшего пилотажа нередко приходится находиться в условиях очень высоких ускорений, так называемых перегрузок. Во время войны в одной из стран гитлеровской коалиции был испытан сверхскоростной истребитель. По замыслу конструкторов, этим истребителем выстреливали, как снарядом, сообщая ему за короткое время чрезвычайно высокую скорость. Затем, уже высоко в небе, летчик начинал сам управлять своим самолетом-снарядом.

Однако от этой идеи пришлось отказаться. После первого же испытания катапульты, выбрасывающей самолет, летчика вынули из-под обломков машины с переломленным позвоночником: чрезмерное ускорение раздавило его.

Максимальное ускорение, которое может выдержать человек, да и то в течение очень короткого времени, исчисляемого несколькими долями секунды, – это 80–90 метров в секунду за секунду. И при этом ускорении человек чувствует себя так, словно все его члены налиты свинцом. Он хочет открыть глаза, но не может, верхнее веко стало таким тяжелым, что мускул уже не в силах поднять его. Чтобы пошевелить рукой, ему надо сделать очень большое усилие: каждый кулак словно превратился в 10-килограммовую гирю, а к каждой ноге словно привешены гири по добрых полсотни килограммов.

Вернемся к электропушке. Да, она может сообщить нашему космическому кораблю требующуюся скорость. Но если мы сделаем ее длиной в 300 метров, – такой была колумбиада в романе Жюля Верна, – ускорение, которое получит корабль, пролетая через ее ствол, раздавит пассажиров.

Для того чтобы уменьшить ускорение, надо растянуть его на более длинный промежуток времени. Надо значительно увеличить длину ствола нашего орудия-соленоида.

Во сколько же раз?

Если мы примем, что человек может при некоторых условиях переносить без вреда для себя ускорение около 40 метров в секунду за секунду, то нам понадобится орудие длиной около… 800 километров! Совершенно очевидно, что создать электропушку такой длины немыслимо.

Если даже увеличить допустимое ускорение до 150 метров в секунду за секунду, то и при этих условиях длина ствола электропушки превысит 200 километров!

Создать такую электропушку невозможно.

Однако использование таких электропушек, стреляющих магнитными снарядами, может быть, и найдет себе в будущем место, – опять-таки с целью направить в космос материалы, снаряжение и т. п., – так сказать, для грузового сообщения.

В настоящее время как орудие с пороховым зарядом, так и электропушку надо исключить из числа средств, которым сможет воспользоваться человек для космических сообщений.

^{Исторгнутый фантастической электропушкой снаряд устремился в небо.}

КОСМИЧЕСКАЯ ПРАЩА

Привяжите на прочном шнуре камень. Раскрутите его и отпустите шнур. Камень вместе со шнуром под действием центробежной силы полетит в сторону.

Этим способом, конечно, нельзя забросить камень в космическое пространство. Слишком мало оборотов можем мы придать камню, раскручивая его рукой. Но центробежная сила может достигать огромных величин. В технике известны случаи, когда она разрывала на части тяжелые маховики, вырывала из роторов паровых турбин лопатки и т. д. И осколки разлетающихся механизмов при этом приобретали очень большую скорость. А нельзя ли использовать центробежную силу для космических путешествий? Привязать космический корабль к ободу огромного диска и, раскрутив его, отцепить корабль. Нет, нельзя.

Диски паровых турбин, делающих три тысячи оборотов в минуту, изготовляют из качественной стали. У обода эти диски обычно бывают раза в три тоньше, чем у ступицы. Инженеры рассчитывают изменение их толщины от обода к ступице таким образом, чтобы они получились «равнопрочными», то есть, чтобы напряжение, которое выдерживает металл от действия центробежной силы, было везде одинаковым. Линейная скорость крайних точек диска в паровых турбинах обычно не превосходит 300–400 метров в секунду.

Если мы захотим сделать такой же равнопрочный диск, обод которого имел бы космическую скорость, то при толщине обода всего в один миллиметр втулка его получилась бы толщиной в несколько километров. Конечно, построить такую втулку невозможно, а значит, невозможно и применить центробежную силу для целей космического полета.

Существуют и другие проекты использования центробежной силы для достижения космических скоростей. Так, предполагается соорудить кольцевой туннель, а по нему пустить вагон – космический снаряд. Он делает там круг за кругом, все время увеличивая скорость. Наконец, кольцевой туннель заменяется прямым, и вагон-снаряд устремляется в космическое пространство. Однако расчеты показывают абсолютную несостоятельность и этого проекта.

Вагон-снаряд, кружась в кольцевом туннеле, будет испытывать огромную центробежную силу. Эта сила по своему действию на пассажиров ничем не будет отличаться от действия ускорения при выстреле. Она точно так же раздавит, искромсает их тела, как если бы они были в снаряде жюльверновской колумбиады.

А для того чтобы перегрузка не превосходила допустимой, хотя бы тех же 40 метров в секунду, кольцевой туннель должен будет иметь диаметр свыше 3000 километров! Это орудие для космических сообщений с трудом уляжется плашмя на всей территории европейской части Советского Союза! А поставить вертикально такой колоссальной величины кольцо не удастся, как это совершенно очевидно, ни в каком случае.

Так что же – значит, и нет путей для человечества в космос? Так и останется человек вечным пленником Земли, и только по сведениям, доставляемым слабыми лучами отраженного света, по тусклым фотографиям и неярким спектрам будет он судить о природе соседних миров? И никогда разве не ступит его нога на красноватую почву Марса или покрытую мелкой пылью почву Луны?

_{«Я точно уверен, что и моя… мечта – межпланетное путешествие, – мною теоретически обоснованная, превратится в действительность… Я верю, что многие из вас будут свидетелями первого – заатмосферного путешествия».}

_{К. Э. Циолковский}

^{ГЛАВА ТРЕТЬЯ}
ПОДВИГ ЦИОЛКОВСКОГО

ПОДАРОК ЧЕЛОВЕЧЕСТВУ

Первого марта 1881 года по одной из набережных Петербурга летела роскошная карета. Вдруг наперерез ей метнулась какая-то фигура, быстрый взмах руки – и в карету летит ручная бомба. Грохот взрывов, свистки полицейских, еще взрыв – и все уже кончено… Это по приговору исполнительного комитета партии «Народная воля» был казнен русский император Александр II.

Изготовил бомбу, которой был казнен царь, бывший студент Петербургской медико-хирургической академии Николай Иванович Кибальчич. 17 марта 1881 года он был арестован и заключен в Петропавловскую крепость.

В узкое окно одиночной камеры сквозь толстую решетку и замерзшее стекло невозможно было разглядеть и клочка неба. С подоконника стекал на пол толстый слой льда – целый комнатный глетчер. Стены были покрыты, словно ковром, толстым слоем плесени, образовывавшей причудливые пятна и узоры. Эта камера на время стала вынужденным жилищем молодого революционера.

Приговоренный к смерти, ожидая казни, молодой революционер не думал ни о неудобствах своего жилья, ни о скорой смерти. Он напряженно работал, готовя бесценный подарок человечеству – проект нового летательного аппарата. Такого аппарата, с помощью которого человек мог бы направить свой путь к звездам.

Это был проект аппарата, работающего по принципу ракеты – отдачей вытекающих из сопла газов.

«Представим себе, – писал Кибальчич, – что мы имеем из листового железа цилиндр… закрытый герметически со всех сторон и только в нижнем дне своем заключающий отверстие…

Расположим по оси этого цилиндра кусок прессованного пороха цилиндрической же формы и зажжем его с одного из оснований; при горении образуются газы, которые будут давить на всю внутреннюю поверхность металлического цилиндра, но давления на боковую поверхность будут взаимно уравновешиваться, и только давление газов на закрытое дно цилиндра не будет уравновешено противоположным давлением, так как с противоположной стороны газы имеют свободный выход – через отверстие в дне. Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов… цилиндр должен подняться вверх».

Как видно, Кибальчич, этот молодей ученый и революционер, – ему еще не было 27 лет – отлично понимал принцип действия ракеты, отнюдь не полагая, что она движется, отталкиваясь от воздуха струей вытекающих газов, как думали многие и значительно позже него. Его летательный аппарат одинаково хорошо летал бы в воздухе и в безвоздушном пространстве. Принцип действия аппарата Кибальчича является тем единственно возможным в настоящее время принципом, который позволит человечеству осуществить свою вековую мечту – космические путешествия.

С волнением читаем мы предсмертное письмо молодого ученого. «Находясь в заключении, за несколько дней до своей смерти, я пишу этот проект… Если же моя идея… будет признана исполнимой, то я буду счастлив тем, что окажу громадную услугу родине и человечеству».

ерез несколько дней смелый революционер, который, может быть, стал бы гениальным ученым, был убит царскими палачами. А его проект, его письмо, его прощальный бесценный подарок человечеству пролежал в тайниках царской охранки до Великой Октябрьской революции.

Палачи утаили его от человечества.

^{Приговоренный к смерти, находясь в тесном каземате Петропавловской крепости, молодой ученый Николай Кибальчич обдумывал проект летательного аппарата, который позволил бы человеку разорвать оковы земного притяжения.}

ПО ТОМУ ЖЕ ПУТИ

^{Константин Эдуардович Циолковский является основоположником астронавтики – науки о космических сообщениях.}

Независимо от Кибальчича, ничего не зная и не подозревая о его проекте, ту же идею – использовать для космических путешествий ракетный двигатель – выдвинул Константин Эдуардович Циолковский.

Трудно перечислить круг интересов Циолковского, – список его опубликованных и неопубликованных работ насчитывает сотни названий. Здесь и геология, и космогония, и аэродинамика, и астронавтика. В 1895 году, изучая вопросы обтекания потоком газов твердых тел различной формы, он построил первую в нашей стране аэродинамическую трубу. Одновременно появился проект аэроплана. Надо напомнить, что до этого только один летательный аппарат тяжелее воздуха – конструкции А. Ф. Можайского – в 1882 году оторвался от Земли, но данные об этом полете вряд ли были тогда известны Циолковскому. В 1895 году появился и первый проект цельнометаллического дирижабля, над совершенствованием которого изобретатель работал до конца жизни.

Но главное в научном наследии Циолковского – его труды по астронавтике. Думать над проблемой полета в космическое пространство Циолковский начал буквально с детских лет. Впервые мысль применить для передвижения в космическом пространстве ракетный двигатель появилась у него около 1883 года. Ученый набросал на листе бумаги беглый рисунок: шар с людьми, висящий в пространстве. Для того чтобы сообщить ему движение в ту или иную сторону, люди, находящиеся в шаре, стреляли в противоположную сторону из пушек ядрами. Сила отдачи толкала шар.

Это был, конечно, только беглый набросок, подтвержденный не больше чем у Сирано де Бержерака или Жюля Верна, герои которого вывели из равновесия с помощью ракет снаряд, повисший в нейтральной зоне между Луной и Землей. Но в 1903 году Циолковский опубликовал научную работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в которой идея использования ракеты для космических полетов была развита и глубоко обоснована.

Жестяной пропеллер, со звоном взлетающий с торца катушки, раскручиваемой с помощью шнура, – эта детская игрушка, прототип сегодняшнего самолета и геликоптера, была известна задолго до Можайского и братьев Райт – первых изобретателей самолета. Однако больше столетия люди считали, что будущее полетов по воздуху не за этой игрушкой, а за воздушными шарами и дирижаблями. Велик подвиг пионеров авиации, поднявших в воздух первые полуигрушечные аэропланы, которые, однако, совершенно вытеснили меньше чем за 30 лет неуклюжие летательные аппараты XVIII–XIX веков.

Несколько тысячелетий существовала увеселительная ракета. Мало того, ей нашли применение не только для развлечений и сигнализации, но использовали для переброски канатов на тонущие суда, применяли в военном деле. Но никто до Кибальчича и Циолковского не сумел рассмотреть в этой игрушке, рассыпающей в ночном небе фейерверк разноцветных искр, могучий двигатель, который унесет человека с Земли к звездам.

В этом великая заслуга двух русских ученых.

Кибальчич умер 27 лет. Циолковский прожил большую жизнь. Ему выпало счастье творить и после Великой Октябрьской революции. Он успел разработать теорию полета ракеты, дал математический анализ ее движения, указал на целый ряд важнейших моментов в решении общей задачи – овладения космическим пространством. В продолжение всей своей жизни не оставлял он работ в любимой области. Из скромного учителя физики города Калуги он стал всемирно известным деятелем науки.

Еще в 1903 году Циолковский предложил использовать для целей космического полета не примитивную пороховую ракету, а жидкостный реактивный двигатель. Вот описание этого двигателя, данное изобретателем.

«Представим себе такой снаряд: металлическая продолговатая камера… Камера имеет большой запас веществ, которые при своем смешении тотчас же образуют взрывчатую массу. Вещества эти, правильно и довольно 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. Понятно, что такой снаряд, как и ракета, при известных условиях, будет подниматься в высоту».

Почему же Циолковский в своем проекте отказался от твердого топлива для ракеты и перешел на жидкое? Потому, что твердое топливо, все известные нам взрывчатые вещества, даже самые сильные, выделяют на килограмм веса значительно меньше энергии, чем обыкновенное жидкое горючее. Так, килограмм сильнейшего известного в настоящее время взрывчатого вещества – нитроглицерина выделяет при взрыве всего 1480 килокалорий тепла. А килограмм обыкновенного керосина (без учета веса участвующего в реакции кислорода) выделяет при полном сгорании больше 10 тыс. больших калорий. Разница только в том, что из горючего вещества энергия выделяется постепенно, по мере его сгорания, при взрыве же нитроглицерина энергия освобождается практически мгновенно. Но ведь в ракете такого мгновенного освобождения как раз и не надо. Циолковский подчеркивал, что горючее в его ракете взрывается «правильно и довольно равномерно».

Правда, сравнение, которое мы сейчас привели, не является безукоризненным. Нитроглицерин, взрываясь, не требует для этого участия кислорода воздуха, в реакции же горения керосина обязательно должен участвовать кислород. Но и смесь соответствующих доз керосина и кислорода (керосин в данном случае является горючим, кислород – окислителем, а вся смесь называется обычно топливом) на каждый килограмм сможет выделить 2200 калорий – в полтора раза больше, чем килограмм нитроглицерина.

Конечно, Циолковский не предполагал сжигать в своей ракете сырую нефть. Отделения для горючего в ракете он предполагал заполнить сжиженными водородом и кислородом. Соединенные в известной пропорции, они образуют гремучий газ – самое сильное, самое калорийное, самое теплотворное из известных Циолковскому видов топлива. Ведь при горении водорода в кислороде на каждый килограмм сгоревшего топлива выделяется свыше 3000 калорий.

Ну что ж? Раз основной принцип определен, двигатель, способный работать в космическом пространстве, найден, принципиальный чертеж космического корабля существует, почему же до сих пор не осуществлена его практическая работоспособная конструкция?

^{Детская игрушка – жестяной пропеллер, взлетающий с раскручиваемой катушки – вот первый предшественник современного самолета.}