Текст книги "Циолковский. Его жизнь, изобретения и научные труды"

Автор книги: Яков Перельман

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 6 страниц)

Аэродинамические работы Циолковского

Сначала Циолковский производил опыты над телами, движущимися в закрытом помещении, потом стал пользоваться естественным ветром и, наконец, самостоятельно изобрел и соорудил аэродинамическую трубу, конечно, небольших размеров. «Как воздуходувки, так и измерительные приборы, – рассказывает он, – были оригинальны и очень чувствительны, что позволило получить новые и интересные выводы. Впоследствии к таким же выводам пришли и другие экспериментаторы. Подробный труд с большим атласом чертежей, таблиц и описанием наиболее совершенных аппаратов до сих пор еще не издан».

Все это выполнялось, заметим, с ничтожными денежными средствами. Послушаем, как он сам рассказывает о ходе своих работ:

«Теоретики находили сопротивление воздуха для аэростата громадным. Мои опыты показали, что оно далеко не так значительно и что коэффициент сопротивления уменьшается с увеличением скорости движения аэростата. Опыты производились отчасти в комнате, отчасти на крыше, в сильный ветер. Помню, как я был радостно взволнован, когда коэффициент сопротивления при сильном ветре оказался мал: я чуть кубарем не скатился с крыши и земли под собой не чувствовал.

Сочувствие прессы к моим трудам сопровождалось пожертвованиями от разных лиц на дело воздухоплавания (приток денег вызван был появлением упомянутой ранее статьи Голубицкого в „Калужском вестнике“). Всего получено было 55 рублей, которые я употребил на производство новых опытов с сопротивлением воздуха… Но, увы, несмотря на порядочный шум газет, сумма оказалась чересчур незначительной. Так, Питер (Ленинград) выслал 4 рубля. Как бы то ни было, спасибо обществу и за то. Я много разъяснил себе произведенными опытами, которые описал так же, как и устроенные мною приборы в „Вестнике опытной физики“, в статье „Давление воздуха на поверхности, введенные и искусственный воздушный поток“ (1899). Работа эта была представлена мною в Академию наук. Академик Рыкачев сделал о ней благоприятный доклад Академии, которая, благодаря этому, выдала мне, по моей просьбе, 470 рублей на продолжение опытов. Года через полтора мною был послан в Академию подробный доклад, состоящий из 80 писчих листов и таблиц-чертежей. Краткое извлечение из этого доклада было позднее напечатано под заглавием „Сопротивление воздуха и воздухоплавание“. После этой работы я некоторое время продолжал свои опыты, которые, связанные с разными вычислениями, постепенно выяснили мне истину сопротивления воздуха».

В другом месте Циолковский так рассказывает о своих аэродинамических исследованиях:

«Академия дала о моих трудах благосклонный отзыв, но ввиду множества сделанных мною оригинальных открытий, отнеслась к моим трудам с некоторым сомнением. Теперь (1913 г.) Академия может порадоваться, что не обманулась во мне и не бросила денег на ветер. Благодаря последним опытам Эйфеля, самые странные мои выводы подтвердились».

^{7. Остатки моделей для опытов Циолковского по сопротивлению воздуха (с фотографии).}

Результаты опытов и изысканий Циолковского изложены в следующих его печатных работах, краткая характеристика которых составлена им самим:

1898 г. «Самостоятельное горизонтальное движение управляемого аэростата» (в журн. «Вестник опытной физики»).

Доказывается управляемость газового воздушного корабля и то, что с увеличением скорости коэффициент сопротивления среды уменьшается. Простые опыты.

1899 г. «Давление воздуха на поверхность» (в том же журнале).

Более сложные и многочисленные опыты сопротивления воздуха. Эмпирические законы трения. Опыты были произведены ради защиты управляемости аэростата, так как представители Технического общества теоретически давали громадные коэффициенты сопротивления даже для тел лучшей, идеальной формы.

1903 г. «Сопротивление воздуха» (в журн. «Научное обозрение»).

Опыты сопротивления и трения воздуха с более сложными и улучшенными приборами. Все делалось руками Циолковского – и пайка, и точка, и столярные и слесарные работы.

1927 г. «Сопротивление воздуха и скорый поезд».

Даны новые формулы сопротивления воздуха птицеподобным телам. Они применимы и к жидкостям, например, к воде, только коэффициент нужен иной. Он легко определяется опытом. Коэффициент сопротивления оказывается зависящим не только от формы тела и его скорости, но и от его абсолютных размеров.

Что же касается до «скорого поезда», то, вероятно, это дело отдаленного будущего или применений исключительных. Поезд состоит из вагона хорошей формы, но с плоским основанием (без колес), которое близко прилегает к ровной площади пути. Под основание вагона накачивается воздух, который поднимает вагон на несколько миллиметров и почти уничтожает трение. Вырывающийся сзади вагона воздух (или пар) заставляет его быстро двигаться вдоль пути. В сущности этот вагон лежит на танком слое воздуха. При большой скорости и некоторых летательных приспособлениях поезд перескакивает через рвы, реки и горы, не нуждаясь в мостах и тоннелях.

1930 г. «Давление на плоскость при ее нормальном движении в воздухе».

1931 г. «Сжиматель газов».

Теория прибора для получения потока сжатого воздуха. Заключающиеся в работе таблицы и формулы имеют наибольшее применение для стратоплана (см. гл. IV).

По кратким аннотациям автора трудно, однако, судить о подлинном богатстве содержания этих работ. Работу 1898 г. Циолковский характеризует, например, тремя строками, но вот как реферирует ту же работу рецензент журнала «Научное обозрение».

«Автор знакомит с результатами своих теоретических исследований относительно зависимости между сопротивлением воздуха, размерами аэростата, его скоростью и прочими факторами, обусловливающими движение аэростата. Форма аэростата, которая служила автору моделью при опытах и которую он имеет в виду при своих исследованиях, – тело вращения дуги круга около своей хорды. Автор рассматривает сопротивление воздуха состоящим из двух частей, – сопротивление от инерции (воздух расталкивается и увлекается аэростатом) и сопротивление от трения. Сопротивление от инерции, по исследованиям автора, прямо пропорционально квадрату скорости поступательного движения аэростата, прямо пропорционально площади поперечного сечения и обратно пропорционально квадрату его продолговатости. Заметим, что „продолговатостью“ или „остротой“ аэростата называется отношение его длины к наибольшему поперечному разрезу. Сопротивление от трения прямо пропорционально поверхности аэростата и первой степени скорости его поступательного движения. Общий коэффициент сопротивления аэростата (отношение сопротивления аэростата к сопротивлению его поперечного сечения), при постоянной продолговатости, обратно пропорционален скорости поступательного движения, а при очень больших скоростях можно считать коэффициент сопротивления не зависящим от скорости и обратно пропорциональным квадрату продолговатости. При небольших скоростях и значительной продолговатости можно пренебречь сопротивлением от инерции, и тогда коэффициент сопротивления изменяется обратно пропорционально скорости поступательного движения и прямо пропорционально продолговатости. Наконец, автор задается вопросом, какова должна быть продолговатость аэростата, чтобы коэффициент сопротивления был наименьший, – и находит, что продолговатость должна быть пропорциональна кубичному корню из скорости поступательного движения, которая проектируется для аэростата. Интересна зависимость между скоростью поступательного движения аэростата и размерами поверхностей гребного винта; чем меньше скорость, тем больше относительная поверхность лопастей (по сравнению с площадью поперечного сечения).

Подъемная сила аэростата возрастает пропорционально ⁷/₃ степени поперечного размера аэростата. Сила двигателя должна увеличиваться пропорционально ¹⁹/₆ степени проектируемой скорости».

Вообще в этих работах Циолковского заключено огромное научное богатство, заслуживающее самого пристального внимания специалистов.

Мы видим теперь, на каком солидном фундаменте основаны проекты Циолковского и суждения его, относящиеся к авиации и воздухоплаванию. Ничего подобного не наблюдаем мы в работах германского изобретателя воздушных кораблей гр. Цеппелина, шедшего ощупью, вслепую, и нередко допускавшего ошибки, которых можно было бы избежать. Оценивая первые достижения Цеппелина, Циолковский писал:

«Цеппелин в 1900 г., на рубеже XX века, достигает сравнительно незначительного результата со своим цилиндром, разгороженным поперечными перегородками, еще более увеличивающими его сопротивление. Если бы Цеппелин сделал расчет, основываясь на очень недорогих опытах, то убедился бы, что его грандиозный по величине воздушный корабль не может получить скорости более 25 километров в час, – что и обнаружилось на деле. Только тот воздушный корабль можно будет назвать управляемым, который имеет значительную самостоятельную скорость, не меньшую 50 километров в час.[21]21
  Т. е. может двигаться с быстротою сильного ветра (4 балла по метеорологической шкале – около 14 метров в сек.). Я. П.


[Закрыть]»

Метод изобретательской работы Циолковского – подведение основательной теоретической и экспериментальной базы под каждый шаг, под каждое заключение – может служить, повторяем. образцом для всех изобретателей: вот как надо изобретать!

IV. На пути к звездам

Мы подходим теперь к самому удивительному, самому смелому созданию творческого ума Циолковского – к его теории ракетного аппарата для управляемого полета в мировом пространстве. На десятилетия опередив в этих работах своих западных единомышленников, «патриарх звездоплавания» является теперь свидетелем того, как посеянные им мысли дают всходы в Америке, в Германии, на его собственной родине, и первые робкие шаги по предуказанному им пути служат залогом грядущего осуществления его замыслов.

В 1903 г., перед тем как послать в журнал «Научное обозрение» свою первую работу о ракетах, Циолковский писал редактору:

«Я разработал некоторые стороны вопроса о поднятии в пространство с помощью реактивного прибора, подобного ракете. Математические выводы, основанные на научных данных и много раз проверенные, указывают на возможность с помощью таких приборов подниматься в небесное пространство и, может быть, основывать поселения за пределами земной атмосферы. Пройдут, вероятно, сотни лет прежде чем высказанные мною мысли найдут применение и люди воспользуются ими, чтобы расселиться не только по лицу Земли, но и по всей вселенной».

Такова идея, которая воодушевила Циолковского на целый ряд работ, посвященных проблеме летания в мировом пространстве. Никто прежде него даже не считал подобную проблему принципиально разрешимой современными техническими средствами. Одни лишь беллетристы отваживались избирать эту тему сюжетом фантастических романов, разрабатывая ее более или менее остроумно, но всегда беспочвенно. Циолковский первый правильно решил эту задачу, – не только провозгласил принцип, лежащий в основе «звездоплавания»[22]22
  «Звездоплавание» – управляемое движение аппарата («звездолета») в мировом пространстве. Оба термина предложены мною и одобрены Циолковским, который и пользуется ими в последних своих печатных работах.


[Закрыть], но дал также его математическую разработку и далеко проследил этапы его развития.

Идеи Циолковского о возможности звездоплавания, несмотря на открываемые ими головокружительные горизонты, в течение долгого времени оставались у нас почти незамеченными. Причина та, что соответствующие печатные работы Циолковского получали крайне малое распространение, да и к тому же их никак нельзя назвать общепонятными: они ориентировались на хорошо подготовленного читателя, каких у нас не много. В глазах же специалистов смелые выводы Циолковского были не более как остроумными физическими парадоксами. Лишь примерно с 1915 года идеи эти начинают приобретать известность среди широких кругов, а с тем вместе становится популярным и самое имя Циолковского, до того времени знакомое лишь единичным его почитателям. Некоторую роль в этом, по признанию самого Циолковского, сыграла моя книга «Межпланетные путешествия», общедоступно рассматривающая проблему заатмосферного летания в духе идей Циолковского.[23]23
  В своем предисловии к 6-му изданию моей книги Циолковский писал: «Широким кругам читателей идеи мои стали известны лишь с того времени, как за пропаганду их принялся автор „Занимательной физики“ Я. И. Перельман, выпустивший в 1915 г. свою популярную книгу „Межпланетные путешествия“. Это сочинение явилось первой в мире серьезной, хотя и вполне общепонятной книгой, рассматривающей проблему межпланетных перелетов и распространяющей правильные сведения о космической ракете». Пропаганда идей Циолковского велась мною и в периодической прессе (свыше 50 статей в журналах и газетах), а также путем публичных выступлений.


[Закрыть]

Почету летит ракета?

Чтобы понять, почему именно на ракету возлагается Циолковским задача разрешения проблемы заатмосферного летания, надо уяснить себе принцип движения ракеты. Займемся же сперва обыкновенной пиротехнической ракетой, вникнем в ее устройство и выясним причину ее полета.

Слово «ракета» – итальянское и означает «трубка»; ракета – трубка, набитая порохом. В картонную трубку плотно набивают порох так, что при поджигании с одного конца масса заряда не загорается вся сразу, а горит постепенно. С одного конца трубка закрыта, с другого оставляется открытой; здесь делается лишь сужение просвета трубки. Против отверстия трубки в плотной массе пороха вдавливается продольная полость – это так наз. «пролетное пространство». Ракету зажигают с помощью шнура, введенного через отверстие. Пороховая масса загорается, и ракета стремительно взвивается закрытым концом вверх.

Почему? Весьма распространенно превратное старинное объяснение полета ракеты: она отталкивается от воздуха струей вытекающих из нее пороховых газов. Такое представление совершенно ошибочно. Ракета при движении вовсе не опирается на окружающий воздух; будучи подожжена, она может лететь и в безвоздушном пространстве. Опыты (американского физика проф. Годдарда) показали, что в пустоте ракета летит даже лучше, чем в воздухе, который своим сопротивлением замедляет ее полет. Истинная причина движения ракет другая. При горении пороховой массы внутри ее, в пролетном пространстве, образуются газообразные продукты горения. Сжатые в тесном объеме пороховые газы давят во все стороны – в бока, вверх, вниз. Боковые давления никуда не могут сдвинуть ракету – они друг друга уравновешивают. Но напор вверх не уравновешивается напором вниз, так как стенка внизу имеет отверстие; напор на нее, следовательно, меньше – часть газов свободно вырывается наружу, и напор теряется. Давление вверх поэтому превозмогает, и избыток напора увлекает ракету вверх.

Отсюда ясно, что ракета движется напором не того газа, который из нее вытекает, и не того, который находится под ней, а того газа, который заключается внутри ее самой. Вот почему ракета способна к управляемому полету за пределами атмосферы и вот почему на ракетные аппараты возлагается задача завоевания мирового пространства.

Аэроплан, дирижабль так или иначе опираются о воздух, вне атмосферы они не могут не только управляться, но даже держаться. Ракетный корабль, т. е. огромная ракета с каютой для людей – единственный аппарат, который может, управляясь, двигаться в безвоздушном пространстве.

У ракетного аппарата есть и еще одна важная особенность, также имеющая решающее значение в рассматриваемой проблеме. Вынестись за границы атмосферы мог бы со временем, пожалуй, и пушечный снаряд; известно, что родоначальник научной фантастики Жюль Верн мечтал о полете на Луну внутри снаряда исполинской пушки. Но если бы пушка и могла когда-нибудь закинуть ядро на Луну, в нем не уцелели бы люди; они неминуемо погибли бы в самый момент выстрела, так как человеческий организм не может перенести подобного сотрясения. Человеку внутри снаряда, – как сознавал еще и Жюль Верн – грозит при выстреле совершенно такая же опасность, как если бы он находился у жерла пушки, направленной в него в упор… Стремительный переход от состояния покоя к быстрому движению (а для вылета в мировое пространство нужна огромная скорость) есть лишь иное обозначение того, что мы называем сотрясением.

В ракетном корабле мы будем иметь совершенно другие условия. Он летит не менее быстро, чем пушечное ядро, но огромная его скорость накопляется постепенно: переход от покоя к стремительному движению совершается плавно, не угрожая здоровью пассажиров.

Заслуга Циолковского состоит не в том лишь, что он указал на ракету, как на орудие будущего заатмосферного транспорта, но и разработал теорию реактивного (ракетного) движения, установив математически зависимость между скоростью ракеты и другими факторами. Он указал, что ракета может получить любую, сколь угодно большую скорость, если в ней сгорит достаточное количество горючих веществ: чем больше сгорит горючего и чем большую скорость имеет струя вытекающих газов (продуктов горения), тем значительнее окажется скорость ракеты по окончании горения. Точная зависимость между этими тремя величинами (количеством потребленного горючего, скоростью вытекания газов и скоростью самой ракеты), выраженная математически («уравнение ракеты»), впервые установлена была Циолковским и теперь является основанием теории реактивного движения.

Характер этой зависимости можно ощутить, впрочем, и без формул, на основании следующего рассуждения Циолковского.

«Вообразим для простоты вывода, что тяжесть отсутствует. Обозначим массу ракеты без взрывчатых веществ через 1. Пусть и количество взрывчатых веществ такое же. Равные массы взаимно отталкиваются и приобретают равные скорости. Значит, если скорость вытекания продуктов взрывания, скажем, 5 км в сек., то и ракета приобретает секундную скорость 5 км. Если ракета возьмет с собою 3 части взрывчатых веществ на 1 часть собственного веса, то скорость ее, как легко показать, должна удвоиться. Действительно, выбрасывая сначала 2 части горючего, мы остальной части ракеты (равной массы) сообщим скорость в 5 км. Выбрасывая затем имеющуюся у нас еще 1 часть горючего, сообщим ракете (равной массы) добавочную скорость в 5 км, т. е. в конечном итоге 10 км в сек. Вообще, если будем брать последовательно запасы горючего

1, 3, 7, 15, 31 часть,

то окончательные скорости ракеты будут

5, 10, 15, 20, 25 км».

Но числа первой строки есть последовательные степени числа 2, уменьшенные на 1:

1=2-1

2=2²-1

7=2³-1

15=2⁴-1

31=2⁵-1

Становится ясно, что с возрастанием относительного количества взрывчатых веществ в геометрической прогрессии (приблизительно) скорость ракеты растет в прогрессии арифметической.

Горючее для ракет

Какое же горючее следует избрать в качестве заряда для будущего ракетного корабля? Вопрос этот был также тщательно изучен Циолковским. Он нашел, что порох вовсе не самое лучшее вещество для заряда ракеты. Во-первых, он слишком опасен, зачастую взрывается не только в момент поджигания ракеты, разнося ее в осколки, но даже и в процессе ее заряжения. Если так легко взрываются ракеты небольших размеров, то можно ли полагаться на безопасность огромных ракет, с зарядом в сотни и тысячи тонн? Во-вторых, взрывчатые вещества, подобные пороху, недостаточно «энергоемки». Ошибочно думать, что порох при сгорании развивает огромное количество энергии по сравнению с другими горючими веществами. Если бы мы вздумали топить наши комнатные печи порохом (практически это возможно без разрушения печей), то сразу заметили бы, как невыгодно подобное топливо по сравнению даже с осиновыми дровами. Дрова, уголь, спирт, нефть развивают при сгорании гораздо больше энергии, нежели различные виды пороха. Единственное преимущество пороха – быстрота его сгорания (оттого мы и говорим, что он не горит, а «взрывается»). Но быстрота сгорания, столь важная в огнестрельном оружии, не имеет, как показал Циолковский, почти никакого значения в ракете. Сгорит ли заряд ракеты быстро или медленно, сразу или с перерывами – окончательная скорость, приобретаемая ракетой, будет одна и та же.

Это важное указание Циолковского открывает путь к замене пороха в ракете такими сравнительно безопасными горючими жидкостями, как спирт, бензин, нефть и др. Циолковский предлагал в качестве заряда сжиженный водород (или какой-нибудь жидкий углевод), который должен смешиваться в камере сгорания с сжиженным же кислородом: без кислорода горение таких веществ невозможно (порох содержит источник кислорода в своих составных частях). Им намечена и схема устройства водородно-кислородной ракеты для вылета с пассажирами за атмосферу, т. е. настоящего ракетного корабля.

Звездолет

Прилагаемый здесь схематический набросок ракетного корабля сделан был Циолковским по моей просьбе еще в 1913 году. Рисунок этот не притязает вовсе служить изображением пространственного размещения частей корабля, а скорее представляет графический чертеж логического расчленения идей изобретателя.[24]24
  Этого не поняли некоторые иностранные авторы, внесшие в чертеж конструктивные «улучшения» и напечатавшие его под видом проекта «ракетного корабля Циолковского». Такой мифический проект фигурирует и в некоторых русских изданиях.


[Закрыть] Вот описание, которым Циолковский сопровождал чертеж:

^{8. Схема ракетного корабля Циолковского (1913 г.). Набросок Циолковского (объяснение в тексте).}

«Труба (А) и камера (В) из прочного и тугоплавкого металла покрыты внутри еще более тугоплавким материалом, например, вольфрамом или уплотненным углеродом.

С и D – насосы накачивающие жидкий кислород и углеводы в камеру (В) взрывания.

Е – руль из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, как грубый способ управления ракетой. Взрывающиеся разреженные и охлажденные газы, благодаря этим рулям, изменяют направление своего движения и таким образом поворачивают ракету.

Во время десятиминутного (или более кратковременного) взрывания люди будут находиться в таком состоянии, что на управление вручную надеяться невозможно. Необходим автоматический, заранее испытанный прибор.

Ракета еще имеет вторую наружную тугоплавкую оболочку. Между обеими оболочками (F, F, F) 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 земной) атмосфере.

Жидкий кислород и такой же углевод разделены друг от друга непроницаемой (на чертеже не видной) оболочкой.

J – труба, ведущая испаренный холодный кислород в промежуток между двумя оболочками. Он выбрасывается через отверстия К.

После нескольких взрываний ракета приобретает какое-либо устойчивое состояние, например, она делается спутником Земли, как Луна. Тут начинается самое главное. Ракета свободна от тяготения (явление кажущееся, относительное), она окружена потоком света, но кругом ни молекулы газа. Открываются ставни, выдвигаются и слаживаются герметически закрытые оранжереи, с очень разреженными газами и парами, с почвой и растениями. Эти растения и должны служить орудием питания и дыхания разумных существ в ракете».

Дополним эти краткие пояснения еще некоторыми, данными Циолковским в другом месте:

«Аппарат имеет снаружи вид бескрылой птицы, легко рассекающей воздух. Большая часть внутренности занята двумя веществами в жидком состоянии: водородом и кислородом. Они разделены перегородкой и соединяются между собой только мало-помалу. Остальная часть камеры, меньшей вместимости, назначена для помещения наблюдателя и разного рода аппаратов, необходимых для сохранения его жизни, для научных наблюдений и для управления. Водород и кислород, смешиваясь в узкой части постепенно расширяющейся трубы, соединяются химически и образуют водяной пар при весьма высокой температуре. Он имеет огромную упругость и вырывается из широкого отверстия трубы с ужасающей скоростью по направлению трубы или продольной оси камеры. Направление давления пара и направление полета снаряда прямо противоположно».