Борьба с тяжестью


Приближается новая эпоха в истории человечества. Недалек тот день, когда люди получат возможность посетить небесные тела, которые столько лет приходилось наблюдать издалека. Когда это произойдет? Вероятно, при вашей жизни, а возможно, и при вашем участии, юные читатели.

Но прежде чем заглядывать в будущее, отступим в прошлое лет на 60. Представим себе конец XIX в. В деревянном домике на окраине Калуги живет скромный учитель физики. Он глуховат, ему трудно вести занятия в училище. Но на уроках у него интересно: сверкают электрические молнии, гремит гром, пляшут бумажные куколки, светятся буквы, вертятся колеса. В доме учителя целая мастерская — какие-то странные модели, электрические машины. В звездные ночи, любуясь небесными светилами, он размышляет, каким образом можно долететь до планет. Учитель этот — Константин Эдуардович Циолковский (1857—1935).

Над Землей в это время плавают неустойчивые, беспомощные воздушные шары. Терпят аварии первые планеристы, балансирующие на своих воздушных змеях. Самолет пока остается еще мечтой, человек не утвердился в воздухе, а калужский учитель физики уже думает о послезавтрашних проблемах — о полетах за пределы атмосферы.

Константин Эдуардович Циолковский. (Рисунок Н. М. Кольчицкого, гравировал Л. С. Быков.)
Константин Эдуардович Циолковский. (Рисунок Н. М. Кольчицкого, гравировал Л. С. Быков.)

Тысячи лет люди не могут оторваться от Земли, с завистью смотрят на птиц, мечтают о крыльях, сочиняют сказки о коврах-самолетах. Путы притяжения прочно удерживают человека на Земле. Как же порвать их, как взлететь, устремиться в межпланетные дали?

Не поможет ли воздушный шар? Нет, он всплывает в воздухе, как пробка в воде. Там, где нет воды, не поплывет пробка; где нет воздуха — не полетит воздушный шар.

И самолет не поможет. Его воздушный винт, его крылья приспособлены только для движения в воздухе. За пределами атмосферы самолет летать не может. Казалось бы, тупик. Межпланетные путешествия неосуществимы. Однако учитель физики Циолковский упорно ищет выход. Шар не годится, самолет не годится также... А если взять ракету?.

Ракеты были известны издавна. Их использовали в военном деле, а чаще на празднествах, чтобы зажечь в небе огненные дожди, фонтаны, колеса. Некоторые изобретатели предлагали использовать ракету и для воздухоплавания. Эти предложения не были осуществлены.

Циолковский разработал научную теорию ракеты. Простая ракета — это трубка, набитая порохом. Когда порох горит, образующиеся газы давят во все стороны. Боковое давление уравновешивается, но сзади трубка открыта, газы вылетают наружу, и поэтому давление на переднюю стенку не уравновешено. В результате газы, вылетая назад, толкают ракету вперед.

Таким образом, причина движения ракеты заложена в ней самой. Ее приводят в движение вытекающие из нее газы. Воздух здесь ни при чем. Значит, ракета способна двигаться в межпланетном пространстве.

Но какую же скорость должна она развить, чтобы победить земное тяготение? Этот вопрос был решен задолго до Циолковского.

Пули и снаряды получают при вылете из дула скорость около 1 км/сек. Они летят на несколько километров, а снаряды дальнобойных орудий — на десятки километров. Если мы сообщим камню, пуле, снаряду или ракете с людьми скорость 7,9 км/сек, то такое тело, если не учитывать при этом сопротивления воздуха, никогда не упадет на Землю. Оно будет падать вечно, не приближаясь к поверхности Земли, иначе говоря, полетит по кругу, превратится в искусственный спутник Земли, станет как бы маленькой луной. При скорости 11,2 км/сек тело покинет Землю навсегда. Скорость эта называется скоростью отрыва. Она необходима, чтобы начать межпланетное путешествие. Итак, силу тяжести можно победить скоростью.

Могут ли люди вынести такую громадную скорость? Да, безусловно, могут. Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/сек, вся солнечная система вместе с Землей мчится со скоростью около 250 км/сек вокруг центра Галактики. Мы не замечаем этой скорости, мы вообще не замечаем равномерного движения. Но зато наше тело чувствует изменение скорости — ускорение.

Писатель Жюль Верн в фантастическом романе отправил своих героев на Луну в пушечном ядре. Для пушечного ядра воздух не нужен, даже вреден: он замедляет движение.

Правда, у пушки есть предел: ядро не может лететь быстрее, чем молекулы газов, образующихся при взрыве. Скорость эта у современных смесей (4—5 км/сек) для межпланетного путешествия маловата. Но представим себе какое-нибудь еще не найденное небывало сильное взрывчатое вещество или атомную пушку. Она выстрелит, и снаряд долетит до Луны. Однако живых людей он туда не доставит. Люди будут раздавлены в первое же мгновение. Для них так же опасно находиться в ядре, как и перед ним.

Почему? Да потому, что наш организм приучен к земному притяжению, создающему ускорение 9,8 м/ceк. При этом у человека нормальный вес. В жюль-верновской пушке ускорение было 300 000 м/сек. Значит, вес пассажиров увеличился примерно в 30 000 раз. Тело Барбикэна, героя романа Жюля Верна, весило в первый момент после выстрела около 2000 Т, и даже его шляпа — 6 Т. Путешественники были бы раздавлены, расплющены своей собственной тяжестью.

Итак, еще одна трудность. Недостаточно просто получить скорость отрыва, нужно еще набирать ее постепенно. Здесь может помочь ракета. В отличие от пушечного ядра она разгоняется не сразу. Каждая порция вытекающих газов прибавляет ей скорость.

Возникает практический вопрос: сколько же нужно взять топлива в ракету, чтобы получить скорость отрыва и покинуть Землю? Задача эта не была решена до Циолковского. Константину Эдуардовичу пришлось самостоятельно вывести формулу, которая называется формулой Циолковского.

Выяснилось, что конечная скорость ракеты зависит от скорости вытекающих из нее газов и от того, во сколько раз вес топлива превышает вес пустой ракеты. На практике нужно еще учитывать притяжение небесных тел и сопротивление воздуха, там, где он есть.

Порох, который давно уже применялся в ракетах, оказался не таким уж выгодным. Скорость истечения пороховых газов не очень велика; у горящих паров спирта, керосина, бензина она гораздо выше. А еще выгоднее было бы взять жидкий водород, который при окислении дает скорость истечения около 4 км/сек. Но у водорода свои недостатки: он слишком легок, требует чересчур объемистых баков и низкой температуры. Баки и холодильники ведь имеют большой вес.

Сколько же нужно запасти в ракете топлива? Расчет показывает: для того чтобы жидкостная ракета с людьми развила скорость отрыва и отправилась в межпланетный полет, нужно взять топлива в сто раз больше, чем весит корпус ракеты, двигатель, механизмы, приборы и пассажиры вместе взятые. Обыкновенное ведро, например, весит всего в 7 раз меньше, чем налитая в него вода, яичная скорлупа — в 11 раз меньше, чем ее содержимое. Такое соотношение для современной техники — идеал. А нам нужно еще меньше — 1:100.

Снова очень серьезное препятствие. Циолковский знал о нем и всю жизнь думал, какими способами преодолеть его.

Способ первый: увеличить скорость истечения газов выше 4—5 км/сек, найти новое, более совершенное топливо. Если взять, например, водород, но только не молекулы газа, а отдельные атомы, то, соединяясь, они могут дать огромное количество энергии, и скорость истечения будет выше 20 км/сек. Но добывать атомный водород трудно, хранить его и управлять реакцией соединения мы пока не умеем.

Большую скорость истечения можно получить при высокой температуре. Ее источником могла бы быть атомная энергия. Но атомных двигателей, пригодных для установки на ракете, пока еще нет. Это дело будущего.

Второй способ, над которым очень много работают ученые — заправка топливом в пути. Представим себе, что мы построили ракету, которая способна стать искусственным спутником. Она поднялась с Земли, вышла на круговую орбиту и израсходовала все топливо. Теперь она обращается вокруг нашей планеты. Ракета никуда не улетит; для этого нужно увеличить скорость. Мы посылаем на помощь ей другие ракеты-цистерны с топливом. Из них наполняются опустошенные баки основной ракеты, двигатель ее вновь включается, и, развив скорость отрыва, она улетает на Луну или к далеким планетам. Конечно, сделать это не так просто. Ведь ракета-спутник летит раз в 10 быстрее пули. Нелегко найти ее в межпланетном пространстве, нелегко к ней причалить. Цистерн понадобится много. В общем, трудности здесь очень большие.

Межпланетные полеты облегчились бы, если бы у Земли на небольшой высоте была вторая Луна. Но, увы, второй Луны в природе нет. Может быть, можно создать вторую Луну искусственно? Об этом мечтал Циолковский. В наше время запуск первых искусственных спутников является преддверием к созданию больших искусственных спутников. Такой спутник мог бы служить топливозаправочной станцией, удобным пересадочным пунктом на пути к планетам и одновременно великолепной лабораторией в безвоздушном пространстве. Конечно, построить этот межпланетный островок нелегко, но преимущества его неоспоримы. Ведь сам он летит со скоростью в несколько километров в секунду. Эту скорость нужно превысить на 41 %, чтобы ракета покинула Землю навсегда.

Есть и третий способ, который Циолковский обдумывал и совершенствовал в последние годы своей жизни. Это — ракетный поезд, многоступенчатый межпланетный корабль. Он состоит из многих ракет, соединенных между собой. В передней ракете, кроме топлива, находятся пассажиры и снаряжение. Ракеты работают поочередно, разгоняя весь поезд. Когда топливо в одной ракете выгорит, она сбрасывается, при этом удаляются опустошенные баки и весь поезд становится легче. Затем начинает работать вторая ракета и т. д. Передняя ракета, как по эстафете, получает скорость, набранную всеми предыдущими ракетами.

Сам Циолковский придавал громадное значение составным ракетам и постоянно трудился над их усовершенствованием. За несколько месяцев до смерти он писал:

«Сорок лет я работал над реактивным полетом... Через несколько сотен лет, думал я, такие приборы залетят за атмосферу и будут уже космическими кораблями... Непрерывно вычисляя и размышляя над скорейшим осуществлением этого дела, вчера, 15 декабря 1934 года, после шести часов вечера, я натолкнулся на новую мысль относительно достижения космических скоростей... Последствием этого открытия явилась уверенность, что такие скорости гораздо легче получить, чем я предполагал. Возможно, что их достигнут через несколько десятков лет, и, может быть, современное поколение будет свидетелем межпланетных путешествий».

Слова эти оказались пророческими. После смерти Циолковского прошло менее 25 лет, и межпланетные скорости были достигнуты.