Архив рубрики: К.Э. Циолковский. К звездам

Знаменитый деятель науки

После Великой Октябрьской социалистической революции условия жизни и работы Константина Эдуардовича совершенно изменились. В 1919 году он был избран членом Социалистической академии (Социалистическая академия была организована в июне 1918 года. В 1923 году она была переименована в Коммунистическую академию. В 1936 году основные институты Коммунистической академии были переданы в Академию наук СССР). Постановлением Совета Народных Комиссаров ему была назначена персональная пенсия. Вот текст этого постановления:

«РСФСР. Совет Народных Комиссаров.
Москва, Кремль, 10.XI-1921 г. № а 16085
Совет Народных Комиссаров в заседании от 9 ноября 1921 года, рассмотрев вопрос о назначении т. К. Э. Циолковскому пожизненной усиленной пенсии, постановил: ввиду особых заслуг ученого-изобретателя, специалиста по авиации назначить К. Э. Циолковскому пожизненную пенсию».

Комиссия по улучшению быта ученых взяла на себя заботу о Циолковском, обеспечив ему удовлетворительные условия жизни в тот весьма трудный и напряженный период гражданской войны.

Правительственные и общественные организации стали оказывать помощь Циолковскому в издании его работ. За годы 1917—1935 было издано в четыре раза больше статей, брошюр и книг Циолковского, чем за весь предшествующий период его деятельности. За 7 лет (с 1925 по 1932 год) было опубликовано около 60 работ Циолковского, посвященных физике, астрономии, механике и философии. Повседневное внимание Коммунистической партии и Советского правительства к научно-исследовательской работе Константина Эдуардовича способствовало широкой популярности и признанию его работ. Циолковский становится известным всему научно-техническому миру. Переводы статей Циолковского стали появляться в печати и в заграничных журналах. Крупнейшие специалисты по теории ракет во всем мире систематически изучают и обсуждают исследования Циолковского. Он становится признанным главой нового направления в технике— ракетостроения. Уравнениям и формулам Циолковского посвящаются специальные дискуссии, его работы по реактивному движению и межпланетным путешествиям находят талантливых продолжателей во всех странах. Группы и общества по изучению возможностей межпланетных путешествий создаются в России, Германии, Англии, Франции, Америке; начинается экспериментальная и конструкторская работа. Идея межпланетных путешествий была тем творческим стимулом, который объединил значительные коллективы ученых и изобретателей. По существу тот колоссальный прогресс ракетной техники, свидетелями которого мы все являемся, был начат более полувека тому назад К. Э. Циолковским. Он в значительной степени подготовлен исследованиями как самого Константина Эдуардовича, так и его многочисленных последователей в тридцатых и сороковых годах нашего века.

Группы по изучению реактивного движения (ГИРДы) были организованы в Москве и Ленинграде. Эти группы имели тесную связь с Циолковским, и часто его рукой писались первые планы научно-технических исследований по ракетной технике в этих группах. Коллективы ученых, изобретателей и инженеров, разрабатывая богатое идейное наследство Константина Эдуардовича, способствовали созданию первых образцов реактивных аппаратов. В 1930—1931 годах одним из последователей Циолковского, известным специалистом по ракетной технике Ф. А. Цандером был сконструирован первый воздушно-реактивный двигатель ОР-1, работавший на бензине и газообразном воздухе с тягой до 5 кГ. Первый в СССР жидкостный реактивный двигатель был построен и испытан в 1931 году. В 1933 году были проведены официальные стендовые испытания жидкостного реактивного двигателя ОРМ-52 с тягой 300 кГ. В этом двигателе в качестве горючего применялся керосин, а в качестве окислителя — азотная кислота.

Инженеры и ученые, объединенные в ГИРДах, стали впоследствии тем руководящим ядром советской ракетной техники, которое обеспечило решение труднейших задач современного ракетостроения. Циолковский перестал чувствовать себя одиноким.
В сентябре 1935 года, за несколько дней до смерти, он писал:
«...Всю свою жизнь я мечтал своими трудами хоть немного продвинуть человечество вперед. До революции моя мечта не могла осуществиться.

Лишь Октябрь принес признание трудам самоучки, лишь Советская власть и партия... оказали мне действенную помощь. Я почувствовал любовь народных масс, и это давало мне силы продолжать работу, уже будучи больным. Однако сейчас болезнь не дает закончить начатого дела.

Все свои труды по авиации, ракетоплаванию и межпланетным сообщениям передаю партии большевиков и Советской власти— подлинным руководителям прогресса человеческой культуры. Уверен, что они успешно закончат эти труды».

Великая Октябрьская социалистическая революция была той могучей силой, которая вдохнула в 60-летнего Циолковского новые творческие дерзания. Его талант выявился во всем могуществе и блеске. Он предстал перед современниками как зачинатель новой области человеческого знания, новой науки, новой отрасли промышленности. Полеты ракет наблюдали многие и до Циолковского. История говорит нам, что первые фейерверочные ракеты были построены в Китае более тысячи лет тому назад. И, однако, никто из строителей ракет, никто из многих миллионов людей, наблюдавших фейерверки и иллюминации, не пришел к созданию новой науки — теории полета ракет. Более того, как мы уже указывали, пороховые ракеты были предметом внимания значительного круга крупных военных специалистов в течение почти всего XIX столетия и все же теории реактивного движения не существовало до работ Циолковского.

Как Галилей увидел в обыденных явлениях падения тел, явлениях, наблюдаемых каждым человеком, начиная с рождения, стоящие за ними законы равнопеременных (равноускоренных и равнозамедленных) движений, законы простые и адекватные сущности явлений, так и в новой области, движения ракет, Циолковский открыл закономерности, выявившие основные принципы, характерные для этого класса движений. Эти закономерности просты и прозрачны, как ключевая вода. От них не уйдешь в задачах ракетостроения и их не предать забвению. Они проглядывают как основа во всех работах по теоретической ракетодинамике. Иногда только эти глубокие и простые закономерности, вытекающие из более сложных рассуждений, и придают цену некоторым современным работам, где блестящая математическая техника часто окутывает густым туманом мизерную суть дела.

Все величие таланта Циолковского, вся его творческая самобытность и оригинальность и проявились во всем блеске именно в теории движения ракет, где многие и многие из ученых не видели ничего достойного внимания.

Умение выявить всю важность исследования полета ракет как тел переменной массы в условиях экономического и научного уровня развития России начала XX столетия нам представляется явлением выдающимся. Расширить границы познания объективных законов природы, проложить новые пути исследований в неизведанной области и дать результаты классической ясности и простоты мог только человек выдающегося дарования и гениальной проницательности.

Но в условиях царской России прогрессивные идеи Циолковского не встречали почти никакой поддержки. Весьма характерным эпизодом, выявившим отношение высокопоставленных чиновников Военного Министерства к развитию русской научно-технической мысли, был случай с изобретательским предложением австрийского подданного Д. Шварца.

В начале 1892 года военный агент русского правительства в Австрии полковник Зуев сообщил Военному Министерству, что австрийский гражданин Давид Шварц, по специальности лесничий, изобрел управляемый металлический аэростат и предлагает осуществить его в России. Ориентировочная сумма затрат определялась в 10000 рублей.

И здесь происходит самое удивительное! Без рассмотрения и изучения проекта, без каких-либо сравнений его с хорошо известным Военному Министерству предложением Циолковского военный министр Ванновский дал согласие на ассигнование денег и приглашение в Россию Шварца.

Если Циолковскому было отказано в нескольких десятках рублей на постройку моделей, то Шварц сразу получил 10 000 рублей на совершенно неизвестный проект. Позднее выяснилось, что Шварц предлагал строить цельнометаллический дирижабль с каркасом и оболочкой из алюминия (в те годы весьма дорогого металла) и что отпущенных сумм будет недостаточно. Ассигнования Шварцу были увеличены, и работы по постройке шли в течение 1893—1894 годов.

Дирижабль был построен. Но в результате теоретической недоработки проекта и неумения проанализировать поведение металлической оболочки при заполнении баллонов из шелковой материи газом корпус дирижабля был сильно деформирован (помят) при пробном заполнении баллонов.

Шварц заявил, что виной всему являются некачественные баллоны, изготовлявшиеся в России, и потребовал еще 10 000 рублей на заказы новых баллонов за границей. И эти деньги были выданы. Шварц уехал за границу и больше в Россию не возвращался.

О проекте Циолковского, теоретически подробно обоснованном в работе, изданной еще в 1892 году, никто и не вспомнил, хотя Циолковский всеми доступными ему средствами продолжал борьбу за осуществление постройки цельнометаллического дирижабля по своему проекту.

Когда Циолковский получил данные о дирижабле Шварца, он провел его подробное изучение, изготовил модели и определил аэродинамические характеристики этого дирижабля продувками в своей аэродинамической трубе. Сравнительный анализ показал несомненные преимущества дирижабля Циолковского. Однако на эти экспериментальные работы Циолковского никто из представителей Военного Министерства не обратил никакого внимания. Работы по теории реактивного движения считались фантастической игрой ума и не имеющими какого-либо практического значения.

После победы Великой Октябрьской социалистической революции в нашей стране были созданы самые благоприятные условия для развития передовой науки, для общего подъема и роста материальной и духовной культуры народа с помощью науки. Наступило время, о котором мечтал М. В. Ломоносов, когда «науки художествам путь показывают; художества происхождение наук ускоряют» («Художества» — это совокупность практических приемов промышленности, строительного искусства и ремесел). Благодаря научным методам изучения наблюдаемых процессов, накоплению знаний, открытию новых явлений и новых закономерностей мы познаем окружающий нас мир и сознательно вырабатываем меры воздействия на природу, овладеваем ею, переделываем и совершенствуем ее, направляем познанные объективные законы природы на службу интересам народа, на службу социалистической Родине. Полная уверенность, что передовая наука страны социализма достигает объективного познания процессов природы и техники, составляет главную сущность, коренную идею научно-технического прогресса.

Константин Эдуардович горел стремлением «внушить всем людям разумные и бодрящие мысли».

Как же работал этот великий человек?

После Великой Октябрьской социалистической революции он не преподавал и все его силы были почти целиком посвящены новым научным изысканиям.

Он был всегда собран и сосредоточен. Ясность, целеустремленность и систематическое действие (деяние, как говорил А. М. Горький)—определяющие черты его жизни. Циолковский не любил праздности, ничегонеделания. Его отдых был простой переменой труда. Вот примерное расписание его занятий в самый обычный день, когда он перестал преподавать.

Вставал он в 8 часов утра, хотя просыпался несколько раньше. Обычно напевал только ему известные мотивы — без слов. В девять он уже сидел за работой. В рабочей комнате требовал большого простора и света. Циолковский не любил сидеть за столом и обычно писал сидя в глубоком кресле, положив на колени кусок фанеры. Придерживая левой рукой расползающиеся листы бумаги, он записывал мысли размашистым крупным почерком. Серебро волос обрамляло его высокий мощный лоб.

В доме, в Калуге, где Циолковский жил более 25 лет, теперь устроен музей. В годы немецко-фашистской оккупации многие из экспонатов музея погибли, но все же работники музея восстановили по возможности ту обстановку в доме, которая была при жизни ученого. Поражает посетителя большая застекленная веранда, на которой помещен токарный станок, станок-вальцы для получения гофрированного металла, модели дирижаблей и действующая аэродинамическая труба. Веранда служила для Циолковского исследовательской лабораторией, в ней он исполнял собственными руками первые образцы всех своих установок и приборов.

После четырехчасового напряженного труда он отправлялся на прогулку. Циолковский очень любил велосипед и ежедневно ездил за 7—10 км в бор, или на реку, или в Калужский загородный сад.

По возвращении с прогулки обедал, немного отдыхал и снова работал три-четыре часа, сидя в своем кресле. Вечером принимал посетителей. Для удобства разговора он сконструировал и построил себе трубу в виде рупора, которую и направлял к собеседнику, чтобы лучше слышать.

Константин Эдуардович много читал. Его любимыми авторами были Чехов, Горький и Мамин-Сибиряк. Чтение художественной литературы являлось для него своеобразным отдыхом, и часто любимые авторы заканчивали его рабочий день. Эта дисциплина ежедневного труда сдерживала и направляла творческие стремления его увлекающейся, страстной натуры. Усилиями разума он не позволял себе разбрасываться на то множество мыслей и идей, которые кипели в его талантливой голове. Эти мысли и идеи поддерживали его оптимизм в самые трудные моменты жизни.

Иногда он давал полную свободу своим увлечениям. Тогда забрасывалось все, и концентрация усилий давала тот необычайный размах и силу мысли, которые поражают каждого внимательного читателя его произведений. Такие творческие взлеты были у Циолковского, когда он работал над проектом цельнометаллического управляемого аэростата (дирижабля), проектом аэроплана, теорией полета ракет и философской работой «Монизм вселенной».

Как экспериментатор и изобретатель, он увлекался и новинками техники. Вот что пишет о Константине Эдуардовиче хорошо знавший его калужский инженер А. В. Ассонов: «...Это было после переезда в домик под горой. Он через мастерские Вереитинова купил очень старый мотоцикл за 80 рублей. К нему приделал для зажигания ящик с сухими элементами своего изделия, укрепил его сзади сиденья на специально устроенной подставке и решил отправиться в путешествие. Надо сказать, что увлечение мотоциклом было настолько велико, что были заброшены все дела и работы, он мечтал о каком-то новом карбюраторе, магнето и т. д. По этому поводу он писал мне: «Я страшно болтаюсь с мотоциклом, но хочу взять себя в руки и заняться серьезно».

Во всех его делах и увлечениях видно неукротимое стремление пройти всю дорогу исследования от начала и до логического конца самостоятельно. Работая над различными проблемами науки или техники, литературы и философии, он всегда думал о людях, социалистическом Отечестве, общечеловеческом счастье. «Я интересовался более всего тем, что могло бы прекратить страдания человечества, дать ему могущество, богатство, знание и здоровье», — писал Циолковский в 1935 году.

За выдающиеся заслуги перед Страной Советов Циолковский был награжден в 1932 году орденом Трудового Красного Знамени, который ему вручил М. И. Калинин.

«С чувством глубочайшего уважения, поздравляю Вас, Герой труда», — телеграфировал в Калугу великий русский писатель Максим Горький в день семидесятипятилетнего юбилея Константина Эдуардовича.

Широта научного кругозора Циолковского может быть отчасти характеризована названиями его статей, написанных с 1916 по 1930 год. Вот примерно одна шестая часть опубликованных в эти годы работ: «Горе и гений» (Калуга, 1916 г.); «Вне земли» (фантастическая повесть, публиковалась в журнале «Природа и люди», 1918 г.); «Монизм вселенной» (Калуга, 1925 г.); «Причина космоса» (Калуга, 1925 г.); «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (Калуга, 1926 г.); «Моя пишущая машинка» (Калуга, 1928 г.); «Ум и страсти» (Калуга, 1928 г.); «Растение будущего» (Калуга, 1929 г.); «Звездоплавателям» (Калуга, 1930 г.); «Реактивный аэроплан» (Калуга, 1930 г.); «От самолета к звездолету» (Калуга, 1930 г.); «Научная этика» (Калуга, 1930 г.).

Мы приведем здесь некоторые характерные высказывания К. Э. Циолковского, взятые из его писем и работ. Как справедливо заметил академик И. Д. Крачковский, для хорошего понимания человека вовсе не обязательно знать его непосредственно: книги, письма, фотографии открывают его не хуже, а иногда, может быть, и непринужденнее, чем личное общение.

В небольших отрывках, взятых из основных работ Константина Эдуардовича и его писем, виден большой оригинальный ум и человеческое благородство, видны его целеустремленность и одержимость научными исканиями.

Он говорил:
«...Трудно предвидеть судьбу какой-нибудь мысли или какого-нибудь открытия: осуществится ли оно и через сколько времени — десятилетия или столетия для этого нужны, — как осуществится, в какой форме, к чему оно поведет, насколько изменит и улучшит жизнь человечества, не преобразует ли оно в корне наши взгляды и нашу науку».

«...Сколько было ложных открытий, на стороне которых были люди и правдивые и авторитетные. И обратно — скольким пренебрегалось, что потом стало великим».

«...Только наша Советская власть отнеслась ко мне человечно. Новая и настоящая Родина создала мне условия для жизни и работы.

В 1932 г. крупнейшее капиталистическое общество металлических дирижаблей прислало мне письмо, просили дать подробные сведения о моих дирижаблях. Я не ответил на заданные вопросы, я считаю свои знания достоянием СССР.

Я горжусь своей страной, да, горжусь! Комсомольцы и молодежь, учитесь еще больше, делайте это с радостью, ни на один час не забывайте о будущем нашей великой Родины».

«...Есть действительно вещи и дела несвоевременные, но они падают сами собой без всякого насилия над ними. В то же время известно, что все великие начинания оказывались несвоевременными и хотя не запрещались, но, не находя сочувствия, гасли или проникали помалу, с большими усилиями и жертвами. Так, несвоевременными оказались железные дороги. Комиссии известных ученых и специалистов не только находили их несвоевременными, но даже вредными и губительными, например для здоровья. Пароход сочли игрушкой».

«...Радио — одно из современных чудес. Счастливы вы, что занимаетесь таким делом. Со временем короткие радиоволны проникнут за атмосферу и будут основанием для небесных сообщений» (из письма юным техникам).

Он говорил:

«...Сколько среди нас — людей, в разные времена, было гениев, двигающих земное человечество по пути к познанию и счастью! Во всякий момент земной жизни найдутся такие необыкновенные, драгоценные для земли люди. Сколько их забыто людским неведением, сколько неузнано и погибло, не проявив своих благодетельных свойств! Будущий порядок земли устранит это несчастье, эту безмерную убыль для человечества, и во главе управления, на самом деле, будут наиболее полезные, наиболее совершенные люди».

«...Мы должны быть мужественными и не прекращать своей деятельности от неудач. Надо искать их причины и устранять их».

«...Моя работа далеко не рассматривает всех сторон дела и совсем не решает его практической стороны относительно осуществимости; но в далеком будущем уже виднеются сквозь туман перспективы, до такой степени обольстительные и важные, что о них едва ли теперь, кто мечтает» (1903).

«...Исполнению предшествует мысль, точному расчету — фантазия».

«...Радость делает добрым».

«...Новые идеи надо поддерживать, пока они не осуществятся или пока не выяснится полная их несостоятельность, зловредность или неприменимость. Немногие имеют такую смелость, но это очень драгоценное свойство людей».

«Никогда я не претендовал на полное решение вопроса. Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка; за ними шествует научный расчет, и уже в конце концов исполнение венчает мысль».

С юных лет Циолковского увлекала возможность космических путешествий, преодоление силы притяжения Земли. Циолковский много мечтал, размышлял, вычислял, проектировал.

Он говорил:

«...Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели».

«...Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство».

«...Чем больше я работал, тем больше находил разные трудности и препятствия. До последнего времени я предполагал, что нужны сотни лет для осуществления полетов с астрономической скоростью (8—17 км/сек). Это подтверждалось теми слабыми результатами, которые получены у нас и за границей. Но непрерывная работа в последнее время поколебала эти мои пессимистические взгляды: найдены приемы, которые дадут изумительные результаты уже через десятки лет.

Внимание, которое уделяет наше Советское правительство развитию индустрии в СССР и всякого рода научным исследованиям, надеюсь, оправдает и утвердит эту мою надежду».

«...Все, о чем я говорю, — слабая попытка предвидеть будущее авиации, воздухоплавания и ракетоплавания. В одном я твердо уверен — первенство будет принадлежать Советскому Союзу. Капиталистические страны также работают над этими вопросами, но капиталистические порядки мешают всему новому. Только в Советском Союзе мы имеем мощную авиационную промышленность, богатство научных учреждений, общественное внимание к вопросам воздухоплавания и необычайную любовь всех трудящихся к своей Родине, обеспечивающую успех наших начинаний».

«...Наша молодежь должна учиться еще больше, как можно больше приобретать знаний и вести самостоятельную деятельность — без нее вы ничего не сможете дать Родине. Мы должны понимать наше будущее и будущее своих изобретателей. Мы должны работать во имя нашей славной Родины. Вы, молодые друзья, должны гордиться Родиной так же, как горжусь ею я, старик».

«...Желаю вам радостной, роскошной жизни, у вас всех счастливое время, и вы доживете до еще более счастливых дней в нашей социалистической стране».

«...Я всю жизнь рвусь к новым победам и достижениям, вот почему только большевики меня понимают. Я бесконечно благодарен партии и Советскому правительству!»

Он был неистовым мечтателем. Его душа кипела множеством идей. Он размышлял об источниках колоссальной энергии Солнца, о теории движения ракет, о цельнометаллических дирижаблях и аэропланах, о новых формах государственного устройства, о межпланетных искусственных островах, населенных смелыми потомками людей, уже превративших своим трудом нашу планету в цветущий сад, о новом научном интернациональном языке вместо средневековой латыни и о множестве других вопросов.

Строгий математический анализ — число — обуздывали эти полеты фантазии. Девизом его исканий был научный расчет, который шествовал за мечтой, фантазией, сказкой.

Он стремился проложить своим современникам новые неизведанные пути научных исканий, показать новые неоткрытые миры, новые человеческие отношения, иную жизнь. Он тревожил умы, звал к созиданию, возбуждая желание размышлять, искать, творить. Он был могуч в своих прозрениях и даже заблуждениях. Он обаятелен в своей горячей наивной вере в силу разума, силу науки, силу неукротимого стремления человечества к лучшему.

Он учился созидая. Нередко тернистыми путями приходил к открытому ранее другими. Его неудержимо увлекал процесс интеллектуального творчества. Радость созидания согревала и питала его воображение. В мечтах он видел себя главой мирового прогресса.
Многие ученые его не понимали. Он публиковал свои статьи в журналах, мало читаемых научными деятелями, определявшими официальную точку зрения. Его больше знали и ценили инженеры-изобретатели, люди чуткие к новому, неожиданному. В те дни для большинства ученых был неактуален сам предмет исследований Константина Эдуардовича. С «общего согласия» ракеты были похоронены в восьмидесятых годах XIX столетия. Ленивым и холодным умам казалось, что Циолковский пишет о несбыточном, невозможном, отвергнутом ходом истории. Форма и стиль его статей часто раздражали педантов. Русифицированные обозначения, применявшиеся Циолковским для записи привычных с гимназических лет формул, считали блажью умирающего славянофильства  (Калужские типографии, где печатались многие работы К. Э. Циолковского, не имели латинского шрифта, а поэтому формулы набирались русским шрифтом в условных обозначениях и были трудны для понимания). Отсутствие ссылок на опубликованные работы предшественников называли гордыней и игрой в гениальность.

Горестная жизнь почти всех дореволюционных открытий Циолковского поднимала в душе его бурю протестов. Он мысленно листал великую книгу истории науки и сравнивал свои открытия с открытиями великих мужей естествознания и техники. Ему импонировали многие сравнения и аналогии. Он говорил в предисловии к работе «Ракета в космическое пространство»: «...Ламарк написал книгу, где разбирал и доказывал постепенное развитие существ от низших организмов до человека. Французская академия во главе со знаменитым Кювье измывалась над этой книгой и публично приравняла Ламарка к ослу. Галилей был пытан, заключен в тюрьму и принужден с позором отречься от своего учения о вращении Земли. Только этим он спасся от сожжения. Кеплер сидел в тюрьме. Бруно сожжен за учение о множественности миров. Французская академия отвергла Дарвина, а русская — Менделеева. Колумб после открытия Америки был закован в цепи. Майер был доведен измывательством ученых до сумасшедшего дома. Химик Лавуазье казнен. Не перечислить сожженных и повешенных за истину. История переполнена фактами такого рода. И почему это академиям, ученым и профессионалам суждено играть такую жалкую роль гасителей истины и даже ее карателей?»

Циолковский после 1917 года в резких выражениях писал о слепоте официальной дореволюционной науки к новому и ее приверженности к дряхлеющему, канонизированному. Он понимал, что находится в первых рядах зачинателей великого, и ему хотелось открыть всем глаза на те богатства, которые ежедневно стояли перед его умственным взором. Иногда он сознавал себя новым пророком человечества, и его мысли формулировались уже как откровение гения. В своей ошибочной философской работе «Монизм вселенной» он писал: «В мои годы умирают, и я боюсь, что вы уйдете из этой жизни с горестью в сердце, не узнав от меня (из чистого источника знания), что вас ожидает непрерывная радость»... «Я хочу привести вас в восторг от созерцания вселенной, от ожидающей всех судьбы, от чудесной истории прошедшего и будущего каждого атома».

Условия творчества Константина Эдуардовича были ужасными даже для царской России. Мизерная зарплата, большая семья, тесная и неудобная квартира. Пожары и наводнения неоднократно уничтожали почти все рукописи и черновые расчеты.

Он не имел ни в Боровске, ни в Калуге необходимой научной литературы. О журналах (текущей научной периодике) можно было только мечтать. Грубые насмешки обывателей провинциальной России были единственным поощрением ученому. Вряд ли способствовали продуктивности работы систематические жалящие уколы коллег-преподавателей, готовых придраться к мельчайшему методическому нововведению в преподавании. Все недовольны тем, что бедняк Циолковский печатает на собственные средства научные статьи и рассылает их бесплатно. Мне кажется, что глухота спасла от тины «благонамеренного и толстокожего» мещанства величие этого человека. Содержание научных статей Циолковского в дореволюционной Калуге понимали максимум десять человек.

Он писал профессору Н. А. Рынину в 1926 году, характеризуя  дореволюционные условия своего научного творчества: «Книг было тогда вообще мало, а у меня в особенности. Поэтому приходилось больше мыслить самостоятельно и часто идти по ложному пути. Нередко я изобретал и открывал давно известное. Я учился творя, хотя часто неудачно и с опозданием. Зато я  привык мыслить и относиться ко всему критически. Впрочем, самобытность, я думаю, была в моей природе. Глухота же и невольное удаление от общества только расширили мою самодеятельность».

Он не владел всеми тонкостями математической техники XX века. Применяемый им в работах математический аппарат очень прост и доступен каждому изучавшему обычный вузовский курс высшей математики. Нo он видел суть многих явлений и не боялся ошибаться при попытках овладеть новыми закономерностями.

Математическая техника и символика — это нечто вроде нотной грамоты или правил стихосложения. Можно великолепно объяснять, какие аккорды и последовательности аккордов заложены в менуэтах Гайдна и Моцарта, но не уметь написать самостоятельно ничего. Можно по-разному трактовать структуру стихов Пушкина, Блока, Есенина, но с грустью убеждаться, что этих знаний недостаточно для создания истинной поэзии. Вы можете воспроизводить на память все чудесные открытия по математике, сделанные до вас, но не уметь применить их к самому простому делу. Есть какой-то логически неуловимый скачок в нашем сознании, когда мы начинаем идти от известного к неизвестному, когда открытое великими предшественниками не мешает вам видеть в этом мире новое, еще не открытое, бывшее до нас незамеченным.

Самое трудное в научном воспитании состоит в том, чтобы обучающийся не попадал под обаяние известных, часто более могущественных предшественников, а сохранял творческое, свое понимание действительности.

Циолковский не любил просматривать до деталей пути-дороги предшественников. Он обычно быстро схватывал «жемчужное зерно», «изюминку» нового в любой научной работе, а доказательства придумывал сам. Поэтому даже известные в науке результаты изложены у Циолковского по-своему, неожиданно, свежо, оригинально. Он умеет мечтать и видеть «обольстительные и важные перспективы» ракетной техники, он мудр и точен в своих формулировках и выводах, он тревожит ваш ум и находит дорогу к самому лучшему в вашем сердце, когда ставит новые проблемы.

Можно обучить математической технике. Познать созданное другими — это только терпение. Но едва ли можно научить создавать великое. Польза самой лучшей научной школы состоит в том, что она дает возможность пробудить и усовершенствовать природные данные, если они хороши, но никакая научная школа не может заменить недостающие способности, не может выработать проницательности и остроумия, если их нет.

Он имел выдающиеся способности, проницательный взгляд на явления природы, колоссальную силу воли и терпение.

«Искусству писать можно обучиться, искусству мыслить и чувствовать нельзя обучиться», — верно говорил в свое время Д. Дидро,

Закон сохранения количества движения для замкнутых механических систем был известен еще Декарту (1596—1650), а полеты ракет наблюдали миллионы людей до Циолковского. И все же научная ракетодинамика начинается в этом мире с работ Константина Эдуардовича 1896 года. Тончайшая проницательность при наблюдениях будничных дел техники, умение видеть последующее развитие на столетия, строгая логичность и доказательность научного мышления поражают в его работах.

Характерной чертой большого исследователя является уверенность в новых, едва заметных и уловимых для современников направлениях технического развития общества. Правильное предвидение путей прогресса, полное понимание устремлений общественного развития дают великую уверенность в победе тех новых идей, которые высказываются впервые часто в логически несовершенной форме. Г. В. Плеханов в известной статье «О роли личности в истории» указывает, что вполне точно и правильно называть великих людей начинателями. «Это очень удачное название. Великий человек является именно начинателем, потому что он видит дальше других и хочет сильнее других. Он решает научные задачи, поставленные на очередь предыдущим ходом умственного развития общества; он указывает новые общественные нужды, созданные предыдущим развитием общественных отношений».

Именно таким великим начинателем и является К. Э. Циолковский.

Работы по теории межпланетных путешествий

Современная теория движения ракет и реактивных приборов в значительной степени опирается на формулы и законы, данные Циолковским. Его исследования по теории реактивного движения написаны с широким размахом и необычайным взлетом фантазии. Научная разработка вопросов межпланетных путешествий была основным устремлением Циолковского во всех его работах по ракетной технике.

Желание дать людям надежное техническое решение, которое позволило бы овладеть всем околосолнечным пространством,— вот гуманная благородная цель научных изысканий Константина Эдуардовича по ракетной технике. Ни одного слова о военных применениях ракет. Все направлено на благо человечества, на пользу науки, на расширение знаний о законах природы.

«...В качестве исследователя атмосферы предлагаю реактивный прибор, т. е. род ракеты, но ракеты грандиозной и особенным образом устроенной. Мысль не новая, но вычисления, относящиеся к ней, дают столь замечательные результаты, что умолчать о них было бы недопустимо. Эта моя работа (Первая работа Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Собр. соч. К. Э. Циолковского, т. II, изд. АН СССР. 1954, стр. 69—99)  далеко не рассматривает всех сторон дела и совсем не решает его с практической стороны относительно осуществимости; но в далеком будущем уже виднеются сквозь туман перспективы, до такой степени обольстительные и важные, что о них едва ли теперь кто мечтает».

Вопрос о реальном осуществлении межпланетных путешествий интересовал Циолковского с самого начала его самостоятельных научных изысканий. Наивные юношеские мечты, систематический анализ процессов простейших механических явлений в пространстве без действия сил (в свободном пространстве — по терминологии Циолковского), затем тщательная математическая разработка идеи реактивного движения с подробным количественным анализом прямолинейных движений и, наконец, теория полета многоступенчатой ракеты, ракеты грандиозной и приспособленной для перемещения людей в космическом пространстве, — вот последовательные этапы творческих исканий Константина Эдуардовича, подготовившие научную почву для возникновения новой научной дисциплины — космонавтики, или теории межпланетных сообщений.

«Небесный корабль должен быть подобен ракете», — говорит Циолковский. В самом деле, «основа действия каждого экипажа и корабля одна и та же: они отталкивают какую-нибудь массу в одну сторону, а сами от этого двигаются в противоположную. Пароход отталкивает воду, дирижабль и аэроплан — воздух, человек и лошадь — земной шар. Ракета заключает в самой себе вещества для отбрасывания. Это — компоненты топлива: горючее плюс окислитель. Для создания движения ракете не нужна внешняя среда (внешняя опора). В пустоте увеличение скорости ракеты происходит быстрее, так как не нужно преодолевать силу сопротивления воздуха. Очевидно, прибор для движения в пустоте должен быть подобен ракете, т. е. содержать не только энергию, но и опорную массу в самом себе». Реактивная сила, развивающаяся при работе реактивного двигателя, может быть использована для любых перемещений в пространстве. Снаряд-ракета в состоянии «удаляться от Земли, блуждать между планетами, между звездами, посещать планеты, их спутники, кольца и другие небесные тела, возвращаться на Землю. Лишь бы было довольно содержащего энергию взрывчатого материала».

Движение ракеты в космическом пространстве определяется законами небесной механики. Ракета для космических путешествий — это новая планета, орбита которой определяется человеком. Так как плотные слои атмосфер у планет солнечной системы сосредоточены на малых (по сравнению с радиусом соответствующей планеты) высотах, то, при изучении движений ракет в пределах солнечной системы, при перелетах с одной планеты на другую, нужно в большинстве случаев принимать во внимание только силы тяготения. Для изучения движения искусственных спутников Земли и космических кораблей, предназначаемых для достижения (или облета) Луны, в ряде случаев нужно учитывать только поле сил тяготения, обусловленное массами Земли.

Рассмотрим более подробно движение ракеты в поле тяготения Земли. В теоретической механике доказывается, что при некоторых ограничениях движение ракеты в поле тяготения Земли будет подчиняться законам Кеплера, открытым по данным астрономических наблюдений, для описания движений планет солнечной системы. Эти законы утверждают следующее:
1-й закон. Орбиты планет представляют собой эллипсы, в одном из фокусов которых находится Солнце.
2-й закон. Радиус-вектор, соединяющий центр Солнца с центром планеты, описывает (ометает) в равные времена равные площади.
3-й закон. Квадраты времен обращения планет пропорциональны кубам больших полуосей их орбит.

При изучении движения ракеты в поле тяготения Земли центр Земли играет ту же роль, что и центр Солнца для движения планеты солнечной системы. Планеты солнечной системы — это спутники Солнца. Ракета, движущаяся в поле тяготения Земли во многих случаях, — это спутник Земли.

Исследования, проведенные в небесной механике, показали, что форма орбиты (форма траектории) спутника существенно зависит от величины и направления его начальной скорости, а также расстояния от притягивающего центра в момент, соответствующий получению этой начальной скорости. Для ракеты за начальную скорость нужно брать скорость в конце активного участка полета.

Пусть ракета имеет начальную скорость v0 направленную под углом α к местному горизонту. Тогда под действием силы притяжения к центру Земли она будет описывать траекторию, вид которой зависит от v0 и α. В общем случае можно лишь утверждать, что траектория ракеты будет или эллипс, или парабола, или гипербола. Причем оказывается, что если начальная скорость v0 будет меньше 11,2 км/сек, то траектория ракеты будет иметь форму эллипса (или круга); если начальная скорость v0=11,2 км/сек, то траектория ракеты будет параболой; если v0 будет больше 11,2 км/сек, то траектория будет гиперболой. Легко понять, зная геометрический вид параболы и гиперболы, что, начиная со второй космической скорости, ракета не будет возвращаться на Землю, удаляясь от нее в сферы тяготения других планет или Солнца, При эллиптических траекториях ракета или возвращается на Землю, или становится спутником Земли. Эллиптические траектории — замкнутые кривые; параболические и гиперболические траектории имеют, как говорят в математике, бесконечно удаленные точки и являются незамкнутыми.

Для семейства эллиптических траекторий можно сравнительно просто определить наивыгоднейший угол α и наименьшую v0, обеспечивающие заданную дальность полета на поверхности Земли. В таблице  приведем результаты таких вычислений и, кроме того, дадим время полета по траектории и максимальное удаление ракеты от поверхности Земли (цифры округлены).

Оптимальные эллиптические траектории в поле тяготения Земли

2015-06-15 21-19-05 Скриншот экрана

Дальность 10000 км соответствует четверти земного меридиана.

Особый интерес представляют круговые орбиты спутников Земли. Достаточно точное представление о круговых орбитах можно получить из следующих простых рассуждений.

Будем пренебрегать сопротивлением воздуха и считать Землю шаром, радиус которого 6400 км. Пусть ракета (или какой-либо другой летательный аппарат) движется по экватору так, что сила притяжения ее к центру Земли в точности равна центробежной силе. Можно показать, что центробежная сила будет равна  2015-06-15 21-21-08 Скриншот экрана , где m — масса ракеты, v—ее скорость, а R0  радиус Земли. Сила притяжения к центру Земли равна у поверхности Земли весу ракеты, т. е. mg0 , где g0 — ускорение силы тяжести.

Таким образом, для круговой орбиты с радиусом R0

2015-06-15 22-25-38 Скриншот экрана

откуда

2015-06-15 22-26-29 Скриншот экрана

(точное значение v = 7912 м/сек).

Зная эту скорость и длину окружности радиуса R0, можно найти время полного оборота спутника вокруг Земли. Это время будет равно 84 мин 26 сек.

Ускорение, обусловленное силой тяжести, убывает с высотой по закону:

2015-06-15 22-28-15 Скриншот экранагде Н— высота над поверхностью Земли.

Скорость спутника Земли на высоте Н можно также получить, приравнивая силу притяжения центробежной силе. Будем иметь:2015-06-15 22-33-13 Скриншот экрана

Следовательно,

2015-06-15 22-34-12 Скриншот экрана(1)

По этой формуле можно найти скорость спутника на любой высоте H над поверхностью Земли. Зная длину окружности радиуса R0+H, мы легко можем найти период обращения спутника вокруг Земли. Формула для периода Т будет:2015-06-15 22-35-51 Скриншот экрана (2)

Формулы (1) и (2) показывают, что с увеличением высоты H период обращения спутника увеличивается, а его орбитальная скорость уменьшается. Формула (2) дает математическое выражение третьего закона Кеплера для круговой орбиты.

В следующей таблице  даны значения скоростей спутников Земли, обращающихся на разных высотах по круговым орбитам, периоды их обращения и указана величина (в процентах) видимой со спутника части поверхности Земли. Первая строка этой таблицы имеет чисто теоретическое значение, так как у поверхности Земли пренебрегать силой сопротивления воздуха нельзя.

2015-06-15 22-38-33 Скриншот экрана

Исходя из формулы (2), можно найти высоту Н такого искусственного спутника Земли, у которого время обращения будет равно 24 часам.

Вычисления дают здесь H=35810 км.

Видимая поверхность Земли будет в этом случае достигать 42,6%.

Так как в современной астрономии хорошо известны радиусы планет нашей солнечной системы и значения ускорений на поверхности этих планет, то по приведенным выше формулам легко вычислить скорости спутников, периоды их обращения, а также соответствующие параболические скорости для любой планеты.

В следующей таблице  приведены значения скоростей спутников (при Н=0) и параболических скоростей для планет солнечной системы.

2015-06-15 22-41-29 Скриншот экрана
Как было указано, скорость спутника часто называют первой космической скоростью для данной планеты, а параболическую скорость называют второй космической скоростью.

Чем же располагает человечество для получения первой и второй космических скоростей? Ответ на этот вопрос дает формула Циолковского. Как мы указывали, из формулы Циолковского следуют два пути для получения больших скоростей полета ракеты:
1) увеличение относительной скорости отброса частиц;
2) увеличение отношения стартового веса ракету к весу ракеты без топлива,

Циолковский подверг тщательному анализу методы получения больших относительных скоростей отброса частиц. Если конструкция двигателя выбрана рационально, то величина скорости истечения определяется компонентами топлива. Константин Эдуардович много занимался исследованием топлив для реактивных двигателей. Он выявил основные требования к топливам, которыми до сих пор руководствуются и ученые, и инженеры. Вот итог его изысканий, сформулированный в последние годы жизни:
«Элементы взрывчатых веществ для реактивного движения должны обладать следующими свойствами:
1. На единицу своей массы при горении они должны выделять максимальную работу.
2. Должны при соединении давать газы или летучие жидкости, обращающиеся от нагревания в пары.
3. Должны при горении развивать возможно низкую температуру, чтобы не сжечь или не расплавить камеру сгорания.
4. Должны занимать небольшой объем, т. е. иметь возможно большую плотность.
5. Должны быть жидкими и легко смешиваться. Употребление же порошков сложно.
6. Они могут быть и газообразны, но иметь высокую критическую температуру и низкое критическое давление, чтобы удобно было их употребить в сжиженном виде».

Циолковский рассмотрел большое число различных окислителей и горючих и отобрал для практического применения лучшие из них. В частности, он рекомендовал для реактивных двигателей следующие топливные пары:
жидкий водород и жидкий кислород;
керосин и жидкий кислород;
спирт и жидкий кислород;
Метан и жидкий кислород.

В последних работах Циолковский указывал на возможность еще большего увеличения скоростей истечения, если в качестве окислителя применять озон. Рекомендованные Циолковским компоненты топлива: спирт и жидкий кислород — были широко использованы немцами при создании реактивного двигателя ракеты «ФАУ-2».

Циолковский первый научно обосновал возможность получения космических скоростей полета при помощи многоступенчатых ракет и строго математически доказал реальность межпланетных путешествий.

Вот некоторые из мыслей Константина Эдуардовича о ракетных полетах: «Сначала можно летать на ракете вокруг Земли, затем можно описать тот или иной путь относительно Солнца, достигнуть желаемой планеты, приблизиться или удалиться от Солнца, упасть на него или уйти совсем, сделавшись кометой, блуждающей многие тысячи лет во мраке среди звезд, до приближения к одной из них, которая сделается для путешественников или их потомков новым Солнцем. Человечество образует ряд межпланетных баз вокруг Солнца, использовав в качестве материала для них блуждающие в пространстве астероиды (маленькие планеты, которые в большом числе имеются в нашей солнечной системе). Реактивные приборы завоюют людям беспредельные пространства и дадут солнечную энергию в два миллиарда раз большую, чем та, которую человечество имеет на Земле».

Вот план завоевания мировых пространств, который наметил и страстно пропагандировал К. Э. Циолковский:

«Обыкновенно идут от известного к неизвестному: от швейной иголки к швейной машине, от ножа к мясорубке, от молотильных цепов к молотилке, от коляски к автомобилю, от лодки к кораблю. Так и мы думаем перейти от'аэроплана к реактивному прибору — для завоевания солнечной системы. Мы уже говорили, что ракета, летя сначала неизбежно в воздухе, должна иметь некоторые черты аэроплана. Но мы уже доказывали, что в нем непригодны колеса, воздушные винты, мотор, проницаемость помещения для газов, обременительны крылья. Все это мешает ему получить скорость, большую 200 м/сек, или 720 км/час. Самолет не будет пригоден для целей воздушного транспорта, но постепенно станет пригоден для космических путешествий. Разве и сейчас аэроплан, летя на высоте 12 км, не одолевает уже 70— 80% всей атмосферы и не приближается к сфере чистого эфира, окружающего Землю? Поможем же ему достигнуть большего. Вот грубые ступени развития и преобразования аэропланного дела для достижения высших целей.

1. Устраивается ракетный самолет с крыльями и обыкновенными органами управления. Но бензиновый мотор заменен взрывной трубкой (т. е. реактивным двигателем), куда слабосильным двигателем накачиваются взрывные вещества. Воздушного винта нет. Есть запас взрывных материалов и остается помещение для пилота, закрытое чем-нибудь прозрачным для защиты от встречного ветра, так как скорость такого аппарата больше аэропланной. Этот прибор от реактивного действия взрывания покатится на полозьях по смазанным рельсам (ввиду небольшой скорости могут остаться колеса). Затем поднимается на воздух, достигает максимума скорости, потеряет весь запас взрывчатых веществ и, облегченный, начинает планировать как обыкновенный или безмоторный аэроплан, чтобы безопасно спуститься на сушу. Количество взрывчатых веществ и силу взрывания надо понемногу увеличивать, также максимальную скорость, дальность, а главное — высоту полета. Ввиду проницаемости для воздуха человеческого помещения в самолете высота, конечно, не может быть больше известной рекордной высоты. Достаточно и 5 км. Цель этих опытов — умение управлять аэропланом (при значительной скорости движения взрывной трубы) и планирования.

2. Крылья последующих самолетов надо понемногу уменьшать, силу мотора и скорость увеличивать. Придется прибегнуть к получению предварительной, до взрывания, скорости с помощью описанных ранее средств.

3. Корпус дальнейших аэропланов следует делать непроницаемым для газов и наполненным кислородом, с приборами, поглощающими углекислый газ, аммиак и другие продукты выделения человека. Цель — достигать любого разрежения воздуха. Высота может много превосходить 12 км. В силу большой скорости при спуске для безопасности посадку можно делать на воду. Непроницаемость корпуса не даст ракете потонуть.

4. Принимаются описанные мной рули, действующие отлично в пустоте и в очень разреженном воздухе, куда залетает снаряд. Пускается в ход бескрыльный аэроплан, сдвоенный или строенный, надутый кислородом, герметически закрытый, хорошо планирующий. Он требует для поднятия на воздух большой предварительной скорости и, стало быть, усовершенствования приспособлений для разбега. Прибавочная скорость дает ему возможность подниматься все выше и выше. Центробежная сила может уже проявить свое действие и уменьшить работу движения.

5. Скорость достигает 8 км/сек, центробежная сила вполне уничтожает тяжесть, и ракета впервые заходит за пределы атмосферы. Полетав там, насколько хватит кислорода и пищи, она спирально возвращается на Землю, тормозя себя воздухом и планируя без взрыва.

6. После этого можно употребить корпус простой, несдвоенный. Полеты за атмосферу повторяются. Реактивные приборы все более и более удаляются от воздушной оболочки Земли и пребывают в эфире все дольше и дольше. Все же они возвращаются, так как имеют ограниченный запас пищи и кислорода.

7. Делаются попытки избавиться от углекислого газа и других человеческих выделений с помощью подобранных мелкорослых растений, дающих в то же время питательные вещества. Над этим много работают и медленно, но все же достигают успеха.

8. Устраиваются эфирные скафандры (одежда) для безопасного выхода из ракеты в эфир.

9. Для получения кислорода, пищи и очищения ракетного воздуха придумывают особые помещения для растений. Все это в сложенном виде уносится ракетами в эфир и там раскладывается и соединяется. Человек достигает большой независимости от Земли, так как добывает средства жизни самостоятельно.

10. Вокруг Земли устраиваются обширные поселения.

11. Используют солнечную энергию не только для питания и удобства жизни (комфорта), но и для перемещения по всей солнечной системе.

12. Основывают колонии в поясе астероидов и других местах солнечной системы, где только находят небольшие небесные тела.

13. Развивается промышленность и увеличивается число колоний.

14. Достигается индивидуальное (личности отдельного человека) и общественное (социалистическое) совершенство.

15. Население солнечной системы делается в сто тысяч миллионов раз больше теперешнего земного. Достигается предел, после которого неизбежно расселение по всему Млечному Пути.

16. Начинается угасание Солнца. Оставшееся население солнечной системы удаляется от нее к другим солнцам, к ранее улетевшим братьям».

Как легко видеть из огромного идейного богатства работ Циолковского, ему принадлежит бесспорный приоритет в основании новых наук: ракетодинамики и космонавтики. Начиная с 1903 года в печати появляются статьи и книги Циолковского по ракетодинамике и космонавтике.

Изучая эти исследования и сравнивая их с более поздними заграничными работами, можно легко убедиться, что именно в России были созданы теоретические основы расчета движений всех реактивных аппаратов и что Циолковский, зачинатель этих новых научных дисциплин, дал ракетодинамике и космонавтике тот необычайный размах и глубину заключений, которые характерны для больших произведений человеческого ума.

Во всех статьях Циолковского по ракетной технике видна самостоятельная, оригинальная исследовательская работа; статьи написаны доступным языком, и математические расчеты служат только для логических выводов и заключений, нигде не затемняя технических идей, сформулированных ясно и четко. Как во всяком бессмертном творении, для которого проверка временем только выявляет величие и прогрессивность идей, в работах Циолковского всякий внимательный читатель увидит еще ту замечательную простоту суждений и высокую мудрость проникновения в закономерности природы, которые свойственны классическим сочинениям.

И тем не менее работы Циолковского, написанные до Великой Октябрьской социалистической революции, постигла судьба многих открытий и изобретений, сделанных в царской России. Разные авторы разных стран частями и целиком начали присваивать идеи Циолковского. В 1913 году во Франции появилась работа инженера Эсно-Пельтри «Соображения о результатах безграничного уменьшения веса моторов», в которой излагались некоторые формулы ракетодинамики, полученные ранее Циолковским. Но фамилия Циолковского в этой статье даже не упоминалась, хотя Эсно-Пельтри при посещении им в 1913 году Петербурга указывались работы Константина Эдуардовича.

В 1919 году профессор Годдар в Америке написал и опубликовал работу по теории прямолинейных движений ракет, где снова была приведена формула Циолковского и поставлена задача об отыскании оптимального режима вертикального подъема ракеты. Годдар ни одной строчки не посвятил результатам Циолковского, хотя к тому времени вышло в свет три работы Константина Эдуардовича, опубликованные в России.

В 1923 году Оберт в Германии широко популяризовал идею космической ракеты и в своей книге «Ракета в космическое пространство» также не счел нужным привести вычисления и проекты Циолковского, хотя они во многих случаях очень близки к тому, что опубликовал Оберт. Только благодаря широкой кампании в советской прессе и заявлениям ряда видных советских ученых Оберт в частных письмах к Циолковскому вынужден был признать его приоритет в разработке ракет для космических полетов. Вот выдержки из этих писем: «...я только сожалею, что не раньше 1925 года услышал о Вас. Я был бы, наверное, в моих собственных работах сегодня гораздо дальше и обошелся бы без тех многих напрасных трудов, зная Ваши превосходные работы». «...Надеюсь, что Вы дождетесь исполнения Ваших высоких целей. Вы зажгли огонь, и мы не дадим ему погаснуть, но приложим все усилия, чтобы исполнилась величайшая мечта человечества... Мою новую книгу посылаю Вам и буду очень рад, если взамен получу Ваши последние труды».

Характерно отметить, что в третьем издании книги Оберта «Ракета в космическое пространство» (1929) ссылок на работы Циолковского снова нет и его фамилия лишь упомянута в подстрочном примечании.

В ряде своих статей Циолковский дает красочные картины полета космической ракеты и тех явлений, которые будут наблюдать пассажиры межпланетного корабля. Он пишет:

«...Мы, отправившись в путь, будем испытывать весьма странные, совсем чудесные неожиданные ощущения, с описания которых и начнем.

Подан знак; началось взрывание, сопровождаемое оглушительным шумом. Ракета дрогнула и двинулась в путь. Мы чувствуем, что страшно отяжелели. Четыре пуда моего веса превратились в 40 пудов. Я повалился на пол, расшибся вдребезги, может быть, даже умер; тут уже не до наблюдений! Есть средства перенести такую ужасную тяжесть, но, так сказать, в упакованном виде или же в жидкости (об этом после).

Погруженные в жидкость, мы также едва ли будем склонны к наблюдениям. Как бы то ни было, тяжесть в ракете по-видимому, увеличилась в 10 раз. Об этом нам бы возвестили пружинные весы или динамометр (фунт золота, подвешенный на их крюк, превратился в 10 фунтов), ускоренные качания маятника (в 3 слишком раза более частые), более быстрое падение тел, уменьшение величины капель (диаметр их уменьшается в 10 раз), утяжеление всех вещей и много других явлений».

Явления усиленной тяжести (увеличение перегрузки) будут наблюдаться только на активном участке траектории. Когда ракета достигнет второй космической скорости (11,2 км/сек), работу двигателя можно прекратить и продолжать дальнейшее движение за счет приобретенной скорости. На больших высотах (больше 100 км) на ракету и ее спутники будет действовать только сила тяжести.

«Испытываемая нами адская тяжесть будет продолжаться, пока не окончится взрывание и его шум. Затем, когда наступит мертвая тишина, тяжесть также моментально исчезнет, как и появилась. Теперь мы поднялись за пределы атмосферы на высоту 575 км. Тяжесть не только ослабла, она испарилась без следов: мы не испытываем даже земного тяготения, к которому привыкли как к воздуху, но которое для нас совсем не так необходимо, как последний. 575 км — это очень мало, это почти у поверхности Земли, и тяжесть должна бы уменьшиться весьма незначительно. Оно так и есть. Но мы имеем дело с относительными явлениями, и для них тяжести не существует.

Сила земного тяготения действует одинаково на ракету и находящиеся в ней тела. Поэтому нет разницы в движении ракеты и помещенных в ней тел. Их уносит один и тот же поток, одна и та же сила, и для ракеты как бы нет тяжести.

В этом мы убеждаемся по многим признакам. Все не прикрепленные к ракете предметы сошли со своих мест и висят в воздухе, ни к чему не прикасаясь; а если они и касаются, та не производят давления друг на друга или на опору. Сами мы также не касаемся пола и принимаем любое положение и направление: стоим на полу, и на потолке, и на стене; стоим перпендикулярно и наклонно; плаваем в середине ракеты, как рыбы, но без усилий и ни к чему не касаясь; ни один предмет не давит на другой, если их не прижимать друг к другу.

Вода не льется из графина, маятник не качается и висит боком. Громадная масса, привешенная на крючок пружинных весов, не производит натяжения пружины, и они всегда показывают нуль. Рычажные весы тоже оказываются бесполезны; коромысло их принимает всякое положение безразлично и независимо от равенства или неравенства грузов на чашках. Золото нельзя продавать на вес. Нельзя обычными, земными способами определить массу.

Масло, вытряхнутое из бутылки с некоторым трудом (так как мешало давление и упругость воздуха, которым мы дышим в ракете), принимает форму колеблющегося шара; через несколько минут колебание прекращается, и мы имеем превосходной точности жидкий шар; разбиваем его на части — получаем группу из меньших шаров разной величины. Все это ползет в разные стороны, расползается по стенам и смачивает их.

Ртутный барометр поднялся доверху, и ртуть наполнила всю трубку.

Двухколенный сифон не переливает воду.

Выпущенный осторожно из рук предмет не падает, а толкнутый— двигается прямолинейно и равномерно, пока не ударится о стенку или не натолкнется на какую-нибудь вещь, чтобы снова прийти в движение, хотя и с меньшей скоростью. Вообще он в то же время вращается, как детский волчок. Даже трудно толкнуть тело, не сообщив ему вращения.

Нам хорошо, легко, как на нежнейшей перине, но кровь немного приливает в голову; для полнокровных вредно.

Мы способны к наблюдению и размышлению. Несмотря на то что могучая рука Земли со страшной силой непрерывно тормозит подъем снаряда, т. е. сила земного тяготения не прекращается ни на один момент, в ракете мы ощущаем то же, что и на планете, сила тяжести которой исчезла каким-нибудь чудом или парализована центробежной силой.

Все так тихо, хорошо, спокойно. Открываем наружные ставни всех окон и смотрим через толстые стекла во все шесть сторон. Мы видим два неба, два полушара, составляющих вместе одну сферу, в центре которой мы как будто находимся. Мы как бы внутри мячика, состоящего из двух разноцветных половин. Одна половина (черная) — со звездами и Солнцем, другая (желтоватая) — со множеством ярких и темных пятен и с обширными, не столь яркими пространствами; это — Земля, с которой мы только что простились. Она кажется нам не выпуклой в форме шара, а, напротив, по законам перспективы, вогнутой, как круглая чаша, во внутренность которой мы смотрим.

В марте месяце мы полетели с экватора в полуденное время, и Земля поэтому занимает почти полнеба. Полетев вечером или утром, мы увидели бы, что она покрывает четверть неба в виде гигантского изогнутого серпа; в полночь мы увидели бы только зону или кольцо, сияющее пурпуровым цветом — цветом зари — и разделяющее небо пополам: одна половина без звезд, почти черная, чуть красноватая; другая — черная, как сажа, усеянная бесчисленным множеством весьма сравнительно ярких, но не мерцающих звезд.

По мере удаления от поверхности Земли и поднятия в высоту зона становится все меньше и меньше, но зато все ярче и ярче. Земной шар в этом ли виде, или в виде серпа или чаши, как будто уменьшается, между тем как мы обозреваем (абсолютно) все большую и большую часть его поверхности. Вот он нам представляется в виде огромного блюда, которое, постепенно уменьшаясь, превращается в блюдечко.

...Верха и низа в ракете собственно нет, потому что нет относительной тяжести, и оставленное без опоры тело ни к какой стенке ракеты не стремится, но субъективные ощущения верха и низа все-таки остаются. Мы чувствуем верх и низ, только места их меняются с переменой направления нашего тела в пространстве. В стороне, где наша голова, мы видим верх, а где ноги — низ. Так, если мы обращаемся головой к нашей планете, она нам представляется в высоте; обращаясь к ней ногами, мы погружаем ее в бездну, потому что она кажется нам внизу. Картина грандиозная и на первый раз страшная; потом привыкаешь и на самом деле теряешь понятие о верхе и низе».

Какая же выгода человечеству от овладения безднами космического пространства?

Циолковский считает, что главное — это солнечная энергия. Земля, по его подсчетам, получает только одну двухмиллиардную часть этой энергии. Это очень мало.

«План дальнейшей эксплуатации солнечной энергии, вероятно, будет следующий.

Человечество пускает свои снаряды на один из астероидов и делает его базой для первоначальных своих работ. Оно пользуется материалом маленького планетоида и разлагает или разбирает его до центра для создания своих сооружений, составляющих первое кольцо кругом Солнца. Это кольцо, переполненное жизнью разумных существ, состоит из подвижных частей и подобно кольцу Сатурна.

Разложив и использовав также и другие крохотные астероиды, разумное начало образует для своих целей в очищенном, т. е. свободном от астероидов, пространстве еще ряд колец где-нибудь между орбитами Марса и Юпитера».

Межпланетные путешествия безгранично увеличат возможности научных изысканий. Величайшая лаборатория природы сделается более доступной, а расшифровка происходящих в ней явлений более простой и достоверной.

А скептикам Циолковский говорит:

«...Было время, и очень недавнее, когда идея о возможности узнать состав небесных тел считалась даже и у знаменитых ученых и мыслителей безрассудной. Теперь это время прошло. Мысль о возможности более близкого, непосредственного изучения вселенной, я думаю, в настоящее время покажется еще более дикой. Стать ногой на почву астероидов, поднять рукой камень с Луны, устроить движущиеся станции в эфирном пространстве, образовать живые кольца вокруг Земли, Луны, Солнца, наблюдать Марс на расстоянии нескольких десятков верст, спуститься на его спутники или даже на самую его поверхность, что, по-видимому, может быть сумасброднее! Однако только с момента применения реактивных приборов начнется новая великая эра в астрономии: эпоха более пристального изучения неба. Устрашающая нас громадная сила тяготения не пугает ли нас более чем следует!

Пушечное ядро, вылетающее со скоростью 2 км/сек, не кажется нам изумительным. Почему же снаряд, летящий со скоростью 16 км/сек и удаляющийся навеки от солнечной системы в бездны вселенной, одолевающий силу тяготения Земли, Солнца и всей его системы, должен повергать нас в ужас. Разве такая пропасть между числами 2 и 16! Всего только одно больше другого в 8 раз.

Если возможна единица скорости, то почему невозможна скорость в 8 таких единиц. Не все ли прогрессирует, движется вперед и притом с поражающей наш ум быстротой.

Давно ли десятиверстная скорость передвижения по земле казалась нашим бабушкам невероятной, головоломной, а теперь автомобили делают 100—200 верст в час, т. е. движутся в 20 раз быстрее, чем ездили при Ньютоне. Давно ли казалось странным пользоваться иной силой, кроме мускулов, ветра и воды! Говоря на эту тему, можно никогда не кончить».

Советские ученые, инженеры и рабочие пуском 4 октября 1957 года первого искусственного спутника Земли начали эпоху прямых экспериментальных исследований небесных тел и космического пространства.

Дальнейшая научная разработка грандиозных замыслов Циолковского, исследование различных аспектов проблемы межпланетных путешествий — благодарная задача науки.

Ракетодинамика в середине ХХ века

Ракетодинамика — это обширная наука о движении летательных аппаратов (ракет, реактивных самолетов, искусственных спутников Земли, межпланетных кораблей и других объектов), снабженных реактивными двигателями. Главной задачей этой науки является определение летных характеристик объектов как на участках траектории при работающих двигателях (так называемые активные участки полета), так и на участках при выключенных двигателях (пассивные участки полета).

Летные характеристики реактивных летательных аппаратов содержат в себе основные данные о движении центра тяжести аппарата и количественное описание его движения около центра тяжести. При проектировании ракет различных классов и назначений весьма важно знать, какую траекторию будет описывать центр тяжести ракеты, какие скорости и ускорения будет она иметь на активном участке полета, как нужно расходовать (сжигать) в реактивном двигателе имеющийся в баках ракеты запас топлива, для того чтобы ракета имела наибольшую дальность полета, или достигала заданной цели в минимальное время, или получала на заданной высоте максимальную скорость. Во многих случаях движение центра тяжести ракеты зависит от случайных небольших возмущений, которые отклоняют траекторию ракеты от нормальной, или стандартной, и вызывают так называемое рассеивание траекторий полета и, следовательно, неточное попадание в заданную цель. Теория рассеивания при стрельбе ракетами является важной главой ракетодинамики.

Движение ракеты около центра тяжести характеризует динамическую устойчивость ракеты и ее способность реагировать на действие рулей. Весьма важным является изучение управляемости и маневренности ракеты, выявление ее располагаемых перегрузок на различных высотах полета, определение влияния жидкого топлива в баках на стабилизацию и управляемость ракеты, а также изучение упругих колебаний крыльев, стабилизаторов и корпуса ракеты, вызываемых возмущающими воздействиями воздушного потока и реактивного двигателя.

Для выявления специфических задач современной (написано в 1964 г. — прим. ред.) ракетодинамики мы рассмотрим два основных класса современных ракет: 1) неуправляемые ракеты; 2) управляемые ракеты.

Хорошо известным примером неуправляемых ракет являются советские пороховые ракеты периода второй мировой войны («катюши») или метеорологические ракеты «МР-1», применявшиеся в нашей стране для исследования верхних слоев атмосферы в течение Международного геофизического года. Из управляемых ракет можно назвать немецкую баллистическую ракету «А-4» (или «ФАУ-2») и американскую зенитную ракету Найк-Аякс». Управляемые ракеты СССР различного назначения демонстрируются на военных парадах на Красной площади в Москве.

Ракетодинамика неуправляемых ракет аналогична внешней баллистике артиллерийского снаряда. Часто для наглядности говорят, что активный участок полета неуправляемой ракеты аналогичен весьма длинному стволу артиллерийского орудия. Ракетодинамика неуправляемых ракет, так же как и внешняя баллистика артиллерийских снарядов, состоит из следующих трех основных разделов: теории движения центра тяжести ракеты; теории движения ракеты около центра тяжести; экспериментальной ракетодинамики.

Ракетодинамика управляемых ракет, таких, как зенитные управляемые ракеты, предназначенных для стрельбы с земли по самолетам противника, ракетодинамика баллистических управляемых ракет, предназначенных для стрельбы по наземным неподвижным целям, и управляемых ракет, подвешиваемых под самолет и предназначенных для стрельбы с самолета по самолету, по своему содержанию и применяемым методам исследования гораздо ближе к динамике полета самолета, основанной еще Н. Е. Жуковским.

В ракетодинамике управляемых ракет можно также выделить теорию движения центра тяжести ракеты и экспериментальную ракетодинамику, аналогичные по содержанию соответствующим разделам ракетодинамики неуправляемых ракет. Однако исследование движения управляемой ракеты около центра тяжести, как правило, нельзя отделить от исследования движения самого центра тяжести. Вопросы динамической устойчивости сильно усложняются благодаря применению на борту ракеты автопилота, который исполняет команды, обычно передаваемые по радио. Автопилот входит в состав бортовой аппаратуры ракеты и предназначается для исполнения противоречивых требований. С одной стороны, он должен хорошо стабилизировать ракету, возвращая ее в заданное положение, при всякого рода случайных возмущениях (например, порывах ветра, перемещающихся по корпусу ракеты ударных волнах и др.), а с другой стороны, автопилот должен обеспечить высокую маневренность ракеты при получении команд, т. е. должен быстро изменять данное положение ракеты на другое.

К. Э. Циолковский сделал фундаментальные открытия в теории движения центра тяжести ракет (т. е. в теории поступательных движений ракет). Хотя Константин Эдуардович в ряде своих статей указывал на целесообразность применения гироприборов для стабилизации ракеты при ее полете в свободном пространстве, но математических расчетов в этом направлении он, по-видимому, не проводил.

При исследовании движения центра тяжести ракеты (или поступательного движения ракеты как твердого тела) принимают во внимание следующие силы, действующие на ракету в полете:

силу тяжести, или силу притяжения ракеты Землей (а иногда силы притяжения Солнца и других планет);

аэродинамические силы, обусловленные наличием атмосферы (это подъемная сила и сила лобового сопротивления);

реактивную силу.

Рассмотрим более подробно указанные силы. Законы действия силы тяжести, или силы притяжения, можно дать в совершенно строгой математической трактовке. Сила притяжения, или всемирного тяготения, была открыта И. Ньютоном при исследовании законов падения тел и тщательного анализа движения Луны. Формулировка закона тяготения, открытого Ньютоном, гласит: «Каждые две материальные частицы во вселенной притягивают друг друга с силой, действующей по прямой, их соединяющей, и напряжение (величина) которой изменяется пропорционально произведению их масс и обратно пропорционально квадрату их взаимного расстояния».

Далее было доказано, что Земля притягивает любую внешнюю материальную частицу (материальную точку) массы m, как точка, расположенная в центре Земли и имеющая массу М, равную массе Земли. Таким образом, если расстояние частицы m  от центра Земли обозначить через R, то величина силы притяжения Земли, действующая на эту частицу, будет:

2015-06-12 18-36-45 Скриншот экрана, где 2015-06-12 18-37-37 Скриншот экрана— есть универсальная постоянная тяготения.

Обозначая произведение через k, можно величину силы тяготения записать в виде 2015-06-12 18-39-05 Скриншот экрана

Ракету, движущуюся в поле тяготения Земли, мы можем считать, за материальную частицу, масса которой равна массе ракеты. Равнодействующая сил тяготения, действующих на отдельные части ракеты, будет приложена к центру тяжести ракеты, и на поверхности Земли эта равнодействующая сила равна силе веса ракеты P = mg0, где Р — вес ракеты на поверхности Земли, m — масса ракеты, a g0 — ускорение силы тяжести на поверхности Земли; среднее значение этого ускорения равно 9,81 м/сек2. Пусть радиус Земли равен Ro, тогда сила тяготения (сила притяжения) на поверхности Земли будет математически записываться в виде

2015-06-12 18-41-45 Скриншот экрана

Сравнивая эти значения, мы легко найдем, что k=g0R02, следовательно, сила тяготения для ракеты, находящейся на расстоянии R от центра Земли, будет:

2015-06-12 18-43-43 Скриншот экрана

Полученная формула показывает, что ракета, весящая на поверхности Земли 100 Т будет на высоте, равной радиусу Земли (R0=6371 км) у весить только 25 Т, а на высоте 4R0, т. е. на расстоянии R = 5R0 от центра Земли, всего 4 Т. Поле тяготения Земли с динамической точки зрения можно характеризовать двумя скоростями: скоростью искусственного спутника и скоростью освобождения, или параболической скоростью. Скорость искусственного спутника, летающего по круговой орбите с радиусом, равным радиусу Земли, называют первой космической скоростью. Эта скорость v1 будет определяться по формуле:

2015-06-12 18-47-31 Скриншот экрана или приближенно 8 км/сек.

Скорость освобождения v2 позволяет ракете удалиться от Земли и стать спутником Солнца. Эту скорость называют второй космической скоростью, и она вычисляется по формуле:

2015-06-12 18-49-10 Скриншот экранаили приближенно 11,2 км/сек. Доказательство правильности указанных формул мы дадим позднее.

Если полет ракеты происходит вблизи поверхности Земли, тогда R мало отличается от R0 и силу притяжения можно считать постоянной, не зависящей от высоты. Для реактивных самолетов так поступают всегда.

Так как Земля вращается около своей оси, то благодаря центробежной силе сила тяготения будет изменяться в зависимости от географической широты места. Скорость точек Земли, лежащих на каком-либо меридиане, можно определить по формуле:
vземли = 465 cos φ м/сек,
где  φ— широта места в градусах.

Значение ускорения силы тяжести в зависимости от широты места дано в таблице.

2015-06-12 18-53-14 Скриншот экрана

Аэродинамические силы, действующие на ракету в полете, зависят от геометрической формы ракеты, плотности атмосферы и скорости полета. Для большинства современных ракет, имеющих хорошо обтекаемую форму, можно выделить сравнительно небольшую область вблизи скорости звука (так называемую трансзвуковую область), где зависимость аэродинамических сил от скорости полета меняется по законам, еще не открытым теоретически. В трансзвуковой области аэродинамические силы для каждого объекта определяются экспериментально продувками в аэродинамических трубах. Для дозвуковых скоростей полета (примерно до 270—280 м/сек) и сверхзвуковых скоростей (от 400 м/сек и выше) аэродинамические силы растут пропорционально квадрату скорости.

Для дозвуковых скоростей полета мы можем силу лобового сопротивления ракеты записать в виде 2015-06-12 18-55-11 Скриншот экранагде X — сила лобового сопротивления в килограммах, Сx— коэффициент лобового сопротивления ракеты (отвлеченное число), изменяющийся в зависимости от угла атаки, ρ — плотность воздуха, S — характерная площадь (площадь крыла у крылатой ракеты или площадь поперечного сечения корпуса бескрылой ракеты в квадратных метрах), v — скорость полета в м/сек. Для сверхзвуковых скоростей полета (v >400 м/сек) формула для силы лобового сопротивления структурно останется прежней, но коэффициент лобового сопротивления С1x будет больше Сx  в дозвуковой области. Если ракета летит горизонтально на данной высоте, то произведение ( 2015-06-12 18-59-24 Скриншот экрана)будет постоянным и можно силу лобового сопротивления в дозвуковой области представить математически в виде 2015-06-12 19-00-22 Скриншот экрана

а в сверхзвуковой области в виде 2015-06-12 19-00-57 Скриншот экранапричем k2 > k1 .'

Подъемную силу можно записать математически в следующей форме:

2015-06-12 19-02-16 Скриншот экрана

где Y — подъемная сила в кГ, Сy —коэффициент подъемной силы (отвлеченное число), меняющийся в зависимости от угла атаки; ρ, S, v имеют те же значения, что и в формуле для силы лобового сопротивления. Отношение 2015-06-12 19-03-53 Скриншот экрана называют аэродинамическим качеством аппарата. В дозвуковой и сверхзвуковой областях можно считать качество k зависящим только от угла атаки; в трансзвуковой области k сильно убывает. Для сверхзвуковых скоростей качество летательного аппарата значительно меньше, чем при дозвуковых скоростях. Так, например, если аэродинамическое качество дозвукового бомбардировщика может достигать 14—16, то аэродинамическое качество сверхзвукового бомбардировщика составляет всего 5—5,5. Отношение подъемной силы летательного аппарата к его весу определяет располагаемую перегрузку данного объекта. Чем больше располагаемая перегрузка, тем лучше маневрирует летательный аппарат. Так как подъемная сила прямо пропорциональна плотности воздуха р, а плотность убывает с подъемом на высоту, то при прочих равных условиях располагаемые перегрузки ракеты убывают с подъемом на высоту. Так, например, плотность воздуха на высоте 25 км будет в 30 раз меньше, чем у поверхности Земли, и, следовательно, при одинаковой скорости и равных углах атаки располагаемая перегрузка ракеты уменьшится в 30 раз.

Определение реактивной силы. А и В — опоры, на которых располагается ракета при стендовых испытаниях.

Определение реактивной силы.
А и В — опоры, на которых располагается ракета при стендовых испытаниях.

Такое сильное уменьшение располагаемой перегрузки сделает ракету «вялой», плохо слушающейся рулей и «лениво» выполняющей предписанный маневр. Увеличение располагаемой перегрузки на больших высотах можно получить за счет увеличения скорости полета и угла атаки объекта. На очень больших высотах, где аэродинамические силы ничтожны, управляющую силу получают за счет реактивных двигателей.

Для получения математического выражения реактивной силы следует воспользоваться теоремой об изменении количества движения механической системы в единицу времени (в одну секунду). Эта теорема утверждает: изменение количества движения механической системы точек в единицу времени равно результирующей силе. Представим себе камеру реактивного двигателя, расположенную на горизонтальной плоскости. Когда двигатель работает, то продукты химической реакции горения в камере выбрасываются через сопло с некоторой скоростью V. В этом случае сила Ф (реакция опоры D) будет равна по величине реактивной силе (см. рис.). Пусть через срез сопла с площадью σ в одну секунду выбрасывается P1  килограммов горячих газов, тогда масса этих газов будет М1  = P1 / g, а секундное количество  движения M1· V. Результирующую всех внешних сил, действующих на камеру двигателя, мы можем подсчитать следующим образом: пусть давление в струе истекающих газов на единицу площади среза сопла будет рσ , а атмосферное давление вне струи равно pа, тогда суммарная сила давления будет σ( рσ —ра ). На основании теоремы об изменении количества движения получим:

2015-06-12 19-13-46 Скриншот экранаоткуда

2015-06-12 19-14-32 Скриншот экрана

Выражение, стоящее в квадратных скобках, называют эффективной скоростью истечения и обозначают Vе . Таким образом, реактивная сила будет равна массовому секундному расходу топлива, умноженному на эффективную скорость истекающей струи. При постоянном секундном расходе массы эффективная скорость истечения будет зависеть только от высоты полёта. Если вычертить график реактивной силы Ф в зависимости от высоты полета, то мы получим так называемую высотную характеристику реактивного двигателя. Величину 2015-06-12 19-16-32 Скриншот экрананазывают удельным импульсом или удельной тягой. Физически удельный импульс дает количество килограммов тяги двигателя при сжигании одного килограмма топливной смеси в секунду. Чем лучше реактивное топливо, чем совершеннее конструкция двигателя, тем больший удельный импульс мы получаем. Хорошие современные реактивные двигатели имеют удельную тягу в пустоте порядка 250—300 кГ на килограмм топлива в секунду.

Циолковский в своих работах дал решение важнейших задач ракетодинамики для прямолинейных движений ракет.

Первая задача Циолковского решается в предположении, что сил ньютонова тяготения и сил аэродинамических нет. Мы приходим тогда к формуле Циолковского для скорости ракеты. Эта формула показывает теоретические возможности реактивного способа сообщения движения без учета потерь скорости, которые обусловливаются силами тяготения и лобового сопротивления (при вертикальном взлете ракеты с поверхности Земли).

Во второй задаче ракетодинамики, решенной К. Э. Циолковским, исследуется прямолинейный вертикальный взлет (подъем) ракеты с учетом силы тяжести. Предполагая, что активный участок траектории невелик сравнительно с радиусом Земли, можно считать поле силы тяжести однородным и ускорение силы тяжести постоянным, равным его значению на поверхности Земли. В этом случае скорость ракеты на активном участке полета будет определяться по формуле:

vракеты = v1 — v2 

где v1  — скорость, определяемая по формуле Циолковского, без учета силы тяжести и силы лобового сопротивления, a v2  — скорость «съедаемая» (или снимаемая) благодаря действию силы тяжести. Как известно из курса элементарной физики, v2=gt, где g— ускорение силы тяжести, a t— время полета ракеты в секундах, считая от момента старта. Таким образом,

2015-06-12 20-17-34 Скриншот экрана

Весьма интересный случай вертикального взлета ракет будет иметь место в том случае, когда реактивная сила пропорциональна массе ракеты. В этом случае масса ракеты в полете на активном участке траектории будет изменяться по показательному закону вида М=М0 · e-αt, а ускорение, обусловленное действием реактивной силы, будет постоянным и равным (αVe). В однородном поле силы тяжести ракета будет двигаться по траектории с постоянным ускорением а=(αVe—g). Очевидно, чем меньше параметр α, тем меньше реактивная сила и тем больше время горения имеющегося запаса топлива. Чем больше α, тем больше реактивная сила, тем форсированнее работает двигатель, тем меньше время полета на активном участке.

Естественно, возникает мысль о наилучшем выборе параметра α. Этот наилучший или оптимальный выбор величины α (т. е. величины реактивной силы) называют обычно оптимальным программированием величины реактивной силы. Выбор оптимального α зависит от конкретных требований к некоторым суммарным летным характеристикам ракеты. Так, например, можно искать оптимальное значение α, при котором общая высота подъема ракеты над поверхностью Земли (она складывается из активного и пассивного участков траектории) будет наибольшей при данном запасе топлива. Результат решения показывает, что максимальная высота, достигаемая ракетой, получается в том случае, если мгновенно выбросить весь запас топлива со скоростью V(так называемое мгновенное сгорание). В этом случае

2015-06-12 20-25-02 Скриншот экранагде  2015-06-12 20-25-41 Скриншот экранаесть скорость, определяемая по формуле Циолковского. Указанный результат можно подтвердить простыми физическими соображениями. В самом деле, если в течение весьма малого промежутка времени происходит отбрасывание всего запаса топлива, тогда реактивная сила во много раз превосходит силу тяжести и этой последней можно просто пренебречь. Но тогда скорость будет определяться формулой Циолковского, а вся траектория полета будет пассивным участком. Пассивный участок ракета будет пролетать в однородном поле силы тяжести, и высота подъема будет подсчитываться по формуле Галилея: 2015-06-12 20-27-28 Скриншот экрана  (в нашем случае v0= Vz),

Если бы мы желали выбрать оптимальное значение α, обеспечивающее максимальную высоту активного участка, тогда, как показывают вычисления, мы будем иметь:

2015-06-12 20-29-14 Скриншот экрана

Эти формулы показывают, что максимальный активный участок полета при заданном запасе топлива будет обеспечиваться в том случае, когда ускорение, обусловленное реактивной силой, ровно в два раза превосходит ускорение силы тяжести. Длина активного участка будет в этом случае

2015-06-12 20-30-02 Скриншот экрана

Таким образом, увеличение длины активного участка полета (или иначе уменьшение реактивной силы) приводят к существенной потере суммарной высоты подъема ракеты над поверхностью Земли. Практически этот вывод означает, что если на участке разгона ракета поднялась на значительную высоту (порядка 80—100 км), где сила сопротивления ничтожно мала, то оставшийся в ракете запас топлива целесообразно расходовать быстрее, если мы желаем получить максимальную высоту подъема или максимальную дальность полета.

Отношение 2015-06-12 20-31-18 Скриншот экрана дает перегрузку, обусловленную реактивной силой. Полная высота подъема при перегрузке, равной n, выражается весьма просто через Нmax и n. Соответствующая расчетная формула имеет вид:

2015-06-12 20-33-23 Скриншот экрана

Из этой формулы следует, что при перегрузке n=2 мы теряем половину возможной высоты подъема за счет очень медленного расходования имеющегося запаса топлива. При n = 4 мы теряем 25%, а при n = 50 — всего 2% от максимально возможной высоты подъема ракеты. Суть дела здесь состоит в том, что при увеличении времени горения мы должны поддерживать ракету в поле силы тяжести большее время. Преодоление силы тяжести требует расхода топлива.

Циолковский в своих трудах рассматривал также задачу о вертикальном подъеме ракеты в сопротивляющейся среде (атмосфере), учитывая все три силы: реактивную, силу тяжести и силу лобового сопротивления. В этом более сложном случае можно написать скорость ракеты на активном участке полета в следующем виде:
vракеты = v1— v2 —v3,
где v1  —скорость, определяемая по формуле Циолковского и равная 2015-06-12 21-50-27 Скриншот экрана
v2 — скорость, снимаемая действием силы тяжести, эта скорость v2=gt;
v3 — скорость, снимаемая действием силы лобового сопротивления.

Подсчет скорости v3 связан с существенными математическими трудностями.

В ряде случаев можно, однако, потребовать такой работы реактивного двигателя, при которой скорость ракеты будет в каждой точке активного участка вполне определенной и такой, чтобы при этой скорости сила лобового сопротивления равнялась весу ракеты в данный момент времени. При таком программировании реактивной силы суммарная сила, препятствующая подъему ракеты, будет равна удвоенному весу ракеты и, следовательно, v3=gt, а скорость ракеты можно подсчитать по формуле:

2015-06-12 21-53-18 Скриншот экрана

Если, кроме того, масса ракеты будет изменяться по показательному закону, то ракета будет двигаться на активном участке с ускорением 2015-06-12 21-53-54 Скриншот экрана.

Следует указать, что в первые десятилетия XX века наши знания о силах сопротивления при больших (сверхзвуковых) скоростях были весьма ограниченными и основные расчеты, выполненные Константином Эдуардовичем для определения v3, имели приближенный характер.

Из существенных достижений К. Э. Циолковского по ракетодинамике следует отметить его расчеты летных характеристик многоступенчатых ракет... Особенный интерес имеет случай ракетного поезда, у которого приращения скорости от каждой ступени будут одинаковыми. В этом случае веса последовательных ракет, входящих в поезд, будут расти в геометрической прогрессии. Уже после смерти Циолковского было строго математически доказано, что такая многоступенчатая ракета будет оптимальной и обеспечит максимальную высоту (или максимальную дальность) полета. Учитывая, что с увеличением стартового веса ракеты реактивная сила и сила тяжести растут пропорционально кубу характерного размера объекта, а сила сопротивления растет лишь пропорционально квадрату, можно с достаточной точностью определять летные характеристики больших ракет, учитывая только силу тяжести и реактивную силу. Поэтому в наши дни вторая задача Циолковского приобретает особо важное значение.

В современной ракетодинамике рассмотренные задачи Циолковского являются простейшими, так как в этих задачах траектория центра тяжести ракеты принимается прямолинейной, а влияние систем управления на летные характеристики вообще не рассматривается. У большинства современных объектов реактивного вооружения системы управления полетом ракеты есть системы управления на расстоянии (системы телеуправления), и их влияние на летные характеристики является определяющим. В самом общем случае система управления полетом ракеты состоит из следующих элементов:
а) Приборов и устройств телеуправления, которые вырабатывают (вычисляют) и передают по радиолиниям команды управления полетом; эти команды изменяют процессы в аппаратуре управления на борту ракеты (например, изменяют положение рулей или интерцепторов ракеты, выключают реактивные двигатели, изменяют передаточные числа по каналам автопилота и др.) таким образом, чтобы обеспечить наведение ракеты на цель.
б) Приборов и устройств стабилизации ракеты и автоматического выполнения в определенной последовательности принимаемых команд радиоуправления полетом. Главным прибором на борту ракеты, обеспечивающим стабилизацию в полете и воздействие на органы управления (рули, элероны, интерцепторы, управляющие двигатели), является автопилот.
в) Приборов и устройств телеконтроля. Обычно системы телеконтроля дают информацию о положении цели и ракеты, а также информацию о функционировании агрегатов ракеты.

Взаимодействие главных элементов системы управления схематически можно представить, рассмотрев, например, полет зенитной управляемой ракеты, предназначенной для поражения вражеского самолета.

Комплекс средств телеконтроля (на первой стадии — средств целеуказания) фиксирует на командном пункте текущие координаты цели. Если цель входит в боевую зону данной ракеты, то осуществляется старт ракеты, и в дальнейшем средства телеконтроля дают одновременно текущие координаты цели и ракеты, что позволяет знать их относительное положение. Если относительное положение цели и ракеты не соответствует требуемому по принятому методу наведения (который обычно выбирается из кинематических условий сближения цели и ракеты), тогда приборы телеуправления вырабатывают и передают бортовым приборам и устройствам ракеты соответствующие команды, назначение которых — вывести ракету на траекторию метода наведения и обеспечить поражение цели.

Процессы в системах телеконтроля, телеуправления, стабилизации и др., которые функционируют в комплексе приборов управления полетом ракеты, определяются весьма сложными уравнениями. Изучение процессов, описываемых такого рода уравнениями, сводится к ряду трудных задач теории автоматического регулирования.

Важнейшими характеристиками элементов комплекса системы управления являются устойчивость системы (или частей системы) и «реакция» системы на внешние воздействия. Следует отметить, что внешние воздействия на некоторые элементы системы управления могут математически представляться случайными функциями времени и исследование «реакции» системы управления в этом случае требует основательного знакомства с теорией вероятностных процессов.

Более сложные движения управляемых ракет потребовали, конечно, развития идей К. Э. Циолковского, но последующий прогресс методов ракетодинамики показывает глубину и величие исследований Константина Эдуардовича, правильно отразившего главные особенности движения ракет.

В последние годы своей жизни К. Э. Циолковский много работал над созданием теории полета реактивных самолетов. В его статье «Реактивный аэроплан» (1930) 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 5 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 5 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 развития 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.

Мы кратко указали здесь основные направления глубоких теоретических исследований Циолковского по ракетодинамике. Заслуга Константина Эдуардовича состоит в том, что он сделал подвластными точному математическому анализу и инженерному расчету совершенно новые явления. Тысячи и миллионы людей наблюдали пороховые ракеты на фейерверках и иллюминациях, однако никто до Циолковского не дал количественных результатов о законах движения ракет.

Ракетодинамика — наука ХХ столетия. Основные ее принципы— в значительной степени создание К. Э. Циолковского.

Ракеты К.Э. Циолковского

В конце XIX века Циолковский возродил научно-технические изыскания по ракетной технике в России и 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 металлическую продолговатую камеру, очень похожую по форме на дирижабль или большое веретено. «Представим себе, — пишет Циолковский, — такой снаряд: металлическая продолговатая 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».

Ракета К.Э. Циолковского-проект 1903 г.

Ракета К.Э. Циолковского-проект 1903 г.

На рисунке показаны объемы, занимаемые жидким водородом (горючее) и жидким кислородом (окислитель). Место их смешения — камера сгорания. 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 позволят отклонять направление струи горячих газов от оси ракеты и создавать салу, перпендикулярную к направлению полета (управляющую силу). Следует отметить, что указанные предложения Циолковского нашла широкое применение и развитие в современной ракетной технике. Все известные нам 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—4000º) в течение нескольких минут. Без охлаждения такие камеры прогорают за 2—3 сек.

Газовые руля, предложенные Циолковским, применяются для управления полетом ракет различных классов как в нашей стране, так и 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 руля 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 около собственной оси, одна пара газовых рулей может отклоняться в разные стороны, в этом случае их действие аналогично действию элеронов у самолета

Газовые руля, помещаемые в струе горячих газов, уменьшают реактивную силу; поэтому при сравнительно больших временах работы реактивного двигателя 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.

Ракета 1914 года. Внешние очертания ракеты 1914 года близки к ракете 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: «Левая задняя, кормовая часть ракеты состоит из двух камер, разделенных необозначенной 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 посередине) 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» (Позднее К. Э. Циолковский отказался от такой конструкции сопла ракеты. См. брошюру «Звездоплавателям», Калуга, 1930, стр. 31).

Ракета К.Э. Циолковского-проект 1914 г.

Ракета К.Э. Циолковского-проект 1914 г.

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 недостаточно 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 может выдержать большие перегрузки, чем, например, в специальном кресле.

Ракета 1915 года. В книжке Перельмана «Межпланетные путешествия», изданной в 1915 году в Петрограде, впервые помещены чертеж и описание ракеты, выполненные Циолковским.

Ракета К.Э. Циолковского-проект 1915 г.

Ракета К.Э. Циолковского-проект 1915 г.

«Труба А и камера В из прочного тугоплавкого металла покрыты внутри еще более тугоплавким материалом, например вольфрамом. С и D — насосы, накачивающие жидкий кислород и водород в камеру взрывания. Ракета имеет еще вторую наружную тугоплавкую 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 рисунке). F — труба, отводящая испаренный холодный кислород в промежуток между двумя оболочками; он вытекает наружу через отверстия К. У отверстия трубы имеется (не изображенный на рисунке) 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» (Н. А. Рынин, К. Э. Циолковский, его жизнь, работы и ракеты, 1931, стр. 41).

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 три ракеты, сцепленные последовательно одна за другой. 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 двух ракет является хвостовой толкающей. После полного использования топлива второй ракеты она также отцепляется и последняя, третья ракета начинает использовать имеющийся в ней запас топлива, уже имея достаточно высокую скорость, полученную от работы двигателей первых двух ступеней.

Циолковский доказал расчетами наиболее выгодное распределение весов отдельных ракет, входящих в поезд. Некоторые современные расчеты показывают, что при имеющихся в настоящее время горючих и окислителях поезда из пяти ракет достаточно для достижения последней ракетой Луны. Легко понять, что веса последовательных ступеней составной ракеты должны уменьшаться, так как тяга двигателя в значительной мере определяет стартовый вес ракеты.

Мы приведем здесь веса последовательных ступеней составной ракеты, предназначенной для полетов на Луну.

Все вычисления проведены исходя из условия, что на Луну необходимо забросить груз весом 5 кГ. Предполагая, что при работе всех двигателей относительная скорость отбрасывания частиц равна 2230 м/сек, получим следующие данные пятиступенчатой ракеты:
Вес первой ступени                      335 000 кг
второй                                             34 200
третьей                                            3 480
четвертой                                        374
пятой  (включая полезный         44
груз, равный 5 кг)

Суммарный стартовый вес всей пятиступенчатой ракеты составляет около 373 Т.

Вычисления показывают, что при оптимальном выборе перегрузок тяга, создаваемая первой ступенью, будет около 1360 Т, тяга каждой из последующих ступеней пропорциональна массе соответствующей ступени.

Следует подчеркнуть принципиальное значение для прогресса ракет, предназначенных для межпланетных путешествий, увеличения относительной скорости отброса частиц.

Так, вычисления дают, что если относительную скорость увеличить до 3660 м/сек, то стартовый вес пятиступенчатой лунной ракеты, доставляющей на Луну полезный груз весом 5 кГ, будет всего 3770 кГ при начальной тяге двигателя 18000 кГ. Максимальная скорость, достигаемая пятой ступенью, будет равна 10 400 м/сек на высоте 960 км. Учитывая силу притяжения Луны, такая скорость обеспечивает достижение полезным грузом поверхности Луны.

Второй тип составной ракеты, предложенной Циолковским в 1935 году, назван им эскадрильей ракет. Представьте себе, что в полет отправились восемь 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 четыре ракеты (например, две справа и две слева) перельют свой неизрасходованный запас топлива в полупустые емкости остающихся четырех ракет и отделятся от эскадрильи. Дальнейший полет продолжают четыре ракеты с полностью заправленными баками. Когда оставшиеся четыре ракеты израсходуют каждая половину имеющегося запаса топлива, тогда две ракеты (одна справа и одна слева) переливают свое топливо в остающиеся две ракеты и отделяются от эскадрильи. Полет продолжают две ракеты. Израсходовав половину своего топлива, одна из ракет эскадрильи переливает 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 (написано в 1964 г. -прим. ред), и многие научно-технические журналы систематически публикуют статьи ученых и инженеров, посвященные развитию этих грандиозных по замыслу проектов Циолковского .

Составная пассажирская ракета. Описание этой ракеты Циолковский дает в своей книге «Вне Земли», изданной в Калуге в 1920 году. В этой книге описываются события, происходящие в 2017 году, и поэтому ракету Циолковский называет «составной пассажирской ракетой 2017 года». Вот подробное описание ракеты 2017 года: «Составная пассажирская ракета состояла из двадцати простых ракет, причем каждая простая заключала в себе запас взрывчатых веществ, взрывную камеру с самодействующим инжектором, взрывную трубу и прочее. Однако среднее (двадцать первое) отделение не имело реактивного прибора и служило кают-компанией; оно имело двадцать метров длины и четыре метра в диаметре. Длина всей ракеты 100 м, диаметр 4 м. Форма ее походила на гигантское веретено... Взрывные трубы были завиты спиралью и постепенно расширялись к выходному отверстию. Извивы одних были расположены поперек длины ракеты, других — вдоль. Газы, вращаясь во время взрыва в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, придавали огромную устойчивость ракете. Она не вихляла, как дурно управляемая лодка, а летела стрелой. Но расширенные концы всех труб, выходя наружу сбоку ракеты, все имели почти одно направление и были обращены в одну сторону. Ряд выходных отверстий составлял винтообразную линию вокруг прибора.

Камеры взрывания и трубы, составляющие их продолжение, были сооружены из весьма тугоплавких и прочных веществ, вроде вольфрама. Также и инжекторы. Весь взрывной механизм окружался камерой с испаряющейся жидкостью, температура которой была поэтому достаточно низкой. Эта жидкость была одним из элементов взрывания. Другая жидкость помещалась в других изолированных отделениях. Наружная оболочка ракеты состояла из трех слоев. Внутренний слой — прочный металлический с окнами из кварца, прикрытыми еще слоем обыкновенного стекла, с дверями, герметически закрывающимися. Второй — тугоплавкий, но почти не проводящий тепло. Третий — наружный представлял очень тугоплавкую, но довольно тонкую металлическую оболочку. Во время стремительного движения ракеты в атмосфере наружная оболочка накалялась добела, но теплота эта излучалась в пространство, не проникая сильно через другие оболочки внутрь. Этому еще мешал холодный газ, непрерывно циркулирующий между двумя крайними оболочками, проницая рыхлую малотеплопроводную среднюю прокладку. Сила взрывания могла регулироваться с помощью сложных инжекторов, а также прекращаться и возобновляться. Этим и другими способами можно было изменять направление оси снаряда и направление взрывания.

Температура внутри ракеты регулировалась по желанию с помощью кранов, пропускающих холодный газ через среднюю оболочку ракеты. Из особых резервуаров выделялся кислород, необходимый для дыхания. Другие снаряды были назначены для поглощения продуктов выделения кожи и легких человека. Все это также регулировалось по надобности. Были камеры с запасами для пищи и воды. Были особые скафандры, которые надевались при выходе в пустое пространство и вхождении в чуждую атмосферу другой планеты. Было множество инструментов и приборов, имеющих известное или специальное назначение. Были камеры с жидкостями для погружения в них путешествующих во время усиленной относительной тяжести. Погруженные в них люди дышали через трубку, выходящую в воздушную атмосферу ракеты. Жидкость уничтожала их вес, как бы он ни был велик, в краткое время взрывания. Люди совершенно свободно шевелили всеми своими членами, даже не чувствовали их веса, как он чувствуется на земле: они были подобны купающимся или прованскому маслу в вине при опыте Плато. Эта легкость и свобода движений позволяла им превосходно управлять всеми регуляторами ракеты, следить за температурой, силой взрывания, направлением движения и т. д. Рукоятки, проведенные к ним в жидкость, давали им возможность все это делать. Кроме того, был особый автоматический управитель, на котором на несколько минут сосредоточивалось все управление снарядом. На это время можно было не касаться ручек приборов: они сами собой делали все, что им заранее «приказано». Взяты были запасы семян разных плодов, овощей и хлебов для разведения их в особых оранжереях, выпускаемых в пустоту. Также заготовлены и строительные элементы этих оранжерей.

Объем ракеты составлял около 800 м3. Она могла бы вместить 800 т воды (тонна — 61 пуд). Менее третьей доли этого объема (240 т) было занято двумя постепенно взрывающимися жидкостями. Этой массы было довольно, чтобы 50 раз придать ракете скорость, достаточную для удаления снаряда навеки от солнечной системы, и вновь 50 раз потерять ее. Такова была сила взрывания этих материалов. Вес оболочки, или самого корпуса ракеты со всеми принадлежностями, был равен 40 т. Запасы, инструменты, оранжереи составляли 30 т. Люди и остальное — менее 10 т. Объем для помещения людей, т. е. заполненного разреженным кислородом пространства, составлял около 400 м3. Предполагалось отправить в путь 20 человек. На каждого доставалось помещение в 20 м3 или около двух кубических сажен, что при постоянно очищаемой атмосфере было в высшей степени комфортабельно. Все отделения сообщались между собой небольшими проходами. Средний объем каждого отсека составлял около 32 м3. Но половина этого объема была занята необходимыми вещами и взрывающейся массой (компонентами топлива). Оставалось на каждое отделение около 16 м3. Средние отделения были больше, и каждое могло служить отличным помещением для одного человека. Одно отделение, в наиболее толстой части ракеты, имело в длину 20 м и служило залом собраний. На боковых сторонах этих отделений были расположены окна с прозрачными стеклами, закрываемыми наружными и внутренними ставнями» (К. Э. Циолковский, Вне Земли, 1958, стр. 41—42).

Для получения эффекта ускорения, которое сообщало бы людям в ракете привычное ощущение тяжести и направления верха и низа, Циолковский предусматривает сообщение ракете вращательного движения около поперечной оси. Если ракета будет, например, совершать один оборот в минуту, то ускорение в наиболее удаленных точках ракеты будет примерно в 20 раз меньше земного.

Отопление ракеты производится при помощи солнечных лучей, проникающих через окна, а также за счет нагревания солнцем оболочки ракеты. Для регулирования температуры внутри ракеты Циолковский предусматривает изменение формы и окраски внешней поверхности ракеты. При помощи сферических зеркал можно получать очень высокие температуры и, следовательно, использовать энергию Солнца для производства металлургических работ.

Ракеты, предложенные Циолковским, не были оформлены автором в виде эскизных и предэскизных проектов, привычных современному инженеру-ракетостроителю. В сущности это были заявки на новые идеи. Основное внимание Циолковский уделил научно-техническим расчетам, доказывающим осуществимость этих предложений. Эти расчеты потребовали создания и строгой формулировки основных принципов новой науки — ракетодинамики.

Из истории ракетной техники в России

Ракета, или реактивный снаряд, есть летательный аппарат тяжелее воздуха, который получает движение за счет сил реакции (сил отдачи) отбрасываемых от аппарата частиц. Равнодействующую сил реакций отбрасываемых частиц часто называют реактивной силой или реактивной тягой. Сила тяги обычно направлена по скорости центра тяжести ракеты или (при маневре) образует с направлением полёта небольшой угол. Слово «ракета» происходит от итальянского слова «роккето», что значит «стержень, веретено».

Принцип реактивного способа сообщения движения (двигатели прямой реакции) был известен очень давно. В глубокой древности теряются различные попытки людей использовать двигатели прямой реакции для создания летательных аппаратов, т. е. ракет различных систем и применений.

Историки сохранили нам предания, согласно которым в Китае более 2000 лет тому назад ракеты применялись для развлечений во время народных праздников. Позднее китайцы стали применять ракеты и как боевое оружие. Известно об успешном применении китайцами боевых ракет против монгольских орд еще в 1232 году.

В конце XVIII века при завоевании Индии англичанам пришлось встретиться с отрядами обученных воинов-ракетчиков. Индийский князь Гайдар-Али создал корпус ракетных стрелков из 1200 человек еще в 1766 году. Позднее его сын Типпу-Сагиб увеличил состав этого корпуса до 5000 человек. Индийские боевые ракеты были применены против англичан в 1799 году под Серингапатамом. Образцы этих ракет до настоящего времени хранятся в Вульвичском музее в Англии.

Ракеты, применявшиеся в войсках Типпу-Сагиба, состояли из железной гильзы длиной около 30 см, к которой для стабилизации полета прикреплялся шест из бамбука длиной 2,5—3 м. Этот шест соединялся с гильзой перетяжкой из веревки. Внешне индийские ракеты напоминали скорее фейерверочные ракеты, так как «боевая часть» таких ракет состояла из железного острия (стрелы), прикрепленного к донной части гильзы. Однако эффект применения этих ракетных снарядов — «огненных стрел» — был весьма значительным. Войска Типпу-Сагиба совершенно деморализовали английскую кавалерию.

Первый, кто заинтересовался индийскими боевыми ракетами на европейском континенте, был английский генерал Уильям Конгрев (1772—1828). Он организовал производство боевых пороховых ракет в Вульвичском арсенале и провел большое число экспериментов с этими ракетами. В частности, он нашел, что оптимальный угол пусковой установки, при котором достигается максимальная дальность полета ракеты, составляет 55°. В 1806 году Конгрев участвовал в успешном обстреле ракетами Копенгагена, когда было выпущено около 25000 ракет. После обстрела Копенгагена работы над боевыми пороховыми ракетами развернулись почти во всех странах европейского континента.

В России первое ракетное заведение было организовано в  конце XVII века.

В дневнике одного путешественника-иностранца Патрика Гордона за 1690 год мы можем прочесть, что Петр I сам руководил изготовлением фейерверочных ракет и организовывал грандиозные увеселительные фейерверки. В эти же годы в России было налажено массовое производство пороха весьма высокого качества, как об этом свидетельствуют многие иностранные гости. Вот, например, одна из записей датского посланника в Москве, относящаяся к 1710 году: «Трудно представить себе, какая масса пороху изстреливается за пирами и увеселениями, при получении радостных вестей, на торжествах и при салютах подобно нынешнему: ибо в России порохом дорожат не более чем песком, и вряд ли найдешь в Европе государство, где бы его изготовляли в таком количестве и где бы по качеству и силе он мог сравниться со здешним».

В Петровскую эпоху руководители русской армии осознали и некоторое боевое значение ракет. В 1717 году была разработана знаменитая сигнальная ракета, которая состояла на вооружении русской армии почти без всяких изменений свыше 150 лет.

Русские фейерверкеры имели мировую славу. Они разработали большое число фейерверочных ракет и пороховых составов. В отдельных случаях применялись составные (ступенчатые) ракеты. Устраиваемые фейерверки поражали своей грандиозностью. За один вечер выпускались десятки тысяч ракет. В изготовлении ракет и ракетных составов участвовали тысячи рабочих. В качестве примера можно указать, что над одним из фейерверков, устроенным в 1733 году, «2000 человек десять недель столь ревностною охотою трудились» (Д. А. Ровинский, Описание фейерверков и иллюминаций, 1903).

Большой конструкторский и производственный опыт работы над созданием фейерверочных ракет был использован русскими инженерами при проектировании первых боевых пороховых ракет.

Развитие ракетной техники в России шло оригинальными, самостоятельными путями. Экспериментальной и производственно-технической базой этого развития были «ракетные заведения» и мастерские, изготовлявшие фейерверочные ракеты.

Наиболее крупным вкладом в создание боевых пороховых ракет явились работы русских военных инженеров: Александра Дмитриевича 3асядко (1779—1837) и Константина Ивановича Константинова (1818—1871). Благодаря трудам этих выдающихся деятелей русской военной техники наши отечественные ракеты по своим летным (баллистическим) и эксплуатационным характеристикам в ряде случаев превосходили аналогичные образцы за рубежом.

Александр Дмитриевич Засядко родился в деревне Лютенке Полтавской губернии. После окончания кадетского корпуса он был назначен подпоручиком артиллерии. Участвовал в ряде боевых кампаний.

А. Д. Засядко прошел с боями Северную и Южную Италию, участвуя в сражениях против Наполеона. В 1812 году командовал 15-й артиллерийской бригадой, с которой дошел до Парижа. За отличие в битве под Лейпцигом он был награжден орденом Георгия III класса. Только три лица во всей русской армии имели этот орден в полковничьем звании. К 1814 году, когда А. Д. Засядко возвратился со своей артиллерийской бригадой в Россию, он был одним из наиболее опытных и широко образованных офицеров-артиллеристов.

В это время Засядко заинтересовался пороховыми боевыми ракетами, методы проектирования и изготовления которых англичане держали в большом секрете. Основная идея исследований Засядко состояла в том, чтобы, опираясь на большой технический опыт русских фейерверкеров, доработать фейерверочную ракету до боевой. Он правильно считал, что никакого особого секрета английские боевые ракеты (конгревовы ракеты, как их называли в то время) не представляют.

В одной из докладных записок Засядко писал: «Вменяя всегда в священную себе обязанность и особенное счастье быть по возможности полезным службе... искал я открыть способ употребления ракет средством зажигательным и, хотя не имел никогда случая видеть, ниже получить малейшие сведения, коим образом англичане делают и в войне употребляют, думал, однако же, что ракета обыкновенная, с должным удобством приспособленная есть то самое, что они столь необыкновенным и важным открытием высказать стараются».

Не получив материальной помощи от правительства на проведение опытов, Засядко, считая дело создания пороховой боевой ракеты наиважнейшим, продал перешедшее ему от отца имение и на эти средства начал свою опытно-конструкторскую работу.

Прообразом ракет Засядко являются русские фейерверочные («верховые») ракеты.

В боевых ракетах, созданных Засядко, использован пороховой двигатель верховой ракеты, но стенки камеры он изготавливал из железа, а не из картона, широко применявшегося для фейерверочных ракет. Для стабилизации полета ракет он применял длинный деревянный шест, так же как это делалось для фейерверочных ракет. Полезным грузом в ракетах Засядко являлись или зажигательный состав, или граната.

А. Д. Засядко разработал конструкции боевых пороховых ракет трех калибров: 4-дюймовые (101,5 мм), 2,5-дюймовые (63,5 мм) и 2-дюймовые (50,7 мм).

Первые официальные испытания ракет конструкции А. Д. Засядко были проведены в Петербурге в 1817 году. Испытания прошли успешно, и Засядко был направлен в г. Могилев в главную квартиру фельдмаршала Барклая-де-Толли для обучения личного состава специально сформированного подразделения боевому применению ракет. Из помощников Засядко следует отметить В. М. Внукова, впоследствии заведовавшего Петербургским ракетным заведением.

В декабре 1817 года Барклай-де-Толли специальным рапортом доносил о результатах работ А. Д. Засядко в г. Могилеве: «Хотя опыты сии, сделанные в употреблении и действии сего нового и вообще еще улучшения требующего оружия, конечно, не могут быть сочтены окончательными, однако доведены до такой  степени, что полезность сих ракет неоспорима, равно как и необходимость иметь оные при войсках...», «Большие ракеты, бросаемые навесно, может быть, лучшее до сих пор известное средство при осадах в особенности тесно построенных восточных городов», «При тихой погоде или по крайней мере при небольшом ветре, направление оных довольно может быть определено». В заключение рапорта он отмечает: «Я почитаю долгом моим засвидетельствовать при сем, что во все время нахождения полковника Засядко при главной моей квартире я с удовольствием видел особенное его усердие и труды в открытии и исследовании сего, у нас еще неизвестного и столь полезного оружия, а успехами в достижении настоящей цели начатых и проводимых им опытов он дал вернейшее доказательство отличнейших своих познаний и способностей».

В 1818 году А, Д, Засядко был произведен в генерал-майоры, а в 1820 году был назначен начальником Артиллерийского училища. По его настоянию при Петербургском ракетном заведении была создана первая в России рота ракетчиков (1826),
Первое боевое применение ракеты Засядко получили во время русско-турецкой войны (1828—1829). Ракеты изготовлялись в действующей армии в непосредственной близости к фронту. По-видимому, основной причиной переноса производства ракет в действующую армию являлось растрескивание порохового состава при транспортировке изготовленных ракет, что приводило к увеличению поверхности горения, увеличению давления в камере и преждевременным разрывам гильз.

В эти же годы ракеты Засядко применялись русскими войсками на Кавказе, Как показывает изучение архивных документов, количество изготовляемых ракет исчислялось тысячами,

Следует отметить, что боевые ракеты Засядко были более совершенными по сравнению с ракетами Конгрева. «Секреты» изготовления конгревовых ракет неоднократно предлагались русскому правительству иностранными изобретателями и коммерсантами, Эти «секреты» несколько раз приобретались за довольно крупные суммы, Но сравнительные испытания различных вариантов конгревовых ракет с ракетами Засядко всегда приводили к признанию превосходства ракет Засядко,

Дальнейший шаг вперед в деле совершенствования боевых пороховых ракет был сделан К. И. Константиновым, отцом русской боевой пороховой ракеты и основоположником экспериментальной ракетодинамики, организатором прогрессивных методов массового производства пороховых ракет (на черном дымном порохе)

Константин Иванович Константинов родился в 1818 году. По окончании в 1838 году курса Михайловской артиллерийской академии он был назначен начальником школы мастеров порохового и селитряного дела, В 1844 году К, И, Константинов разработал электробаллистичсский прибор для определения скоростей артиллерийского снаряда в любой точке траектории и сконструировал прицел для гладкоствольных мортир, за что получил Михайловскую премию.

Ракеты Засядко изготовлялись в России в условиях плохо оборудованных мастерских, и качество выпускаемых ракет-снарядов в значительной степени зависело от производственного опыта мастеров-рабочих. Никаких инструкций по изготовлению ракет не существовало, и опыт передавался устно от одного рабочего к другому.

В 1847 году полковник Костырко, бывший тогда командиром Петербургского ракетного заведения, получил приказание изложить письменно в форме инструкции методику фабрикации ракет. В этом первом письменном руководстве по изготовлению ракет излагались детали изготовления ракет, принятые калибры, подробности конструкции, состав пороха и ряд производственных приемов.

Это руководство и определяло технический уровень массового производства боевых пороховых ракет в Петербургском ракетном заведении к 1847 году, когда начальником этого заведения был назначен К. И. Константинов.

Константинов произвел настоящую техническую революцию в массовом производстве ракет. Он правильно считал, что «секрет приготовления боевых ракет заключается прежде всего в обладании способами фабрикации, производящими идентичные результаты, и это не только относительно размеров различных частей ракет, но и относительно физических и химических свойств материалов, из коих сделаны эти части; и, наконец, в удобстве производить многочисленные испытания при текущей фабрикации, без потери времени, по мере представляющейся в том надобности» ( К. И. Константином, О боевых ракетах, 1564, стр. 70—71).

Основной задачей массового производства Константинов считал обеспечение таких условий, когда «сего она можно приготовить ракету в строгости подобную той, которая была приготовлена вчера».

Для решения этой задачи Константинов последовательно проводит механизацию основных процессов производства боевых пороховых ракет. Разумное сочетание машинной техники и искусства рабочих должно обеспечить высокое качество изготовляемых ракет.

Константинов последовательно рассмотрел все стадии производства пороховых ракет. Он был выдающимся инженером-технологом XIX столетия. Предложенные и введенные им усовершенствования состояли в следующем:

набивка ракет сухим (и, следовательно, неизменяемым) пороховым составом вместо сырого;
увеличение глубины ракетной пустоты и заделка переднего конца ракет холодным свинцом;
автоматизация процесса пробивания дыр в прямоугольниках из листового железа, свертываемых и склепываемых для образования ракетных гильз;
введение наклонных бочек из красной меди для растирания и смешивания составных частей порохового состава и введение особых деревянных бочек, снабженных счетчиками оборотов, для обеспечения идентичности обработки пороховых составов;
введение специальных прессов (конструкции Константинова) для набивки гильз пороховым составом и новой системы набойников;
изобретение новой машины (с предохранителем) для сверления ракетной пустоты;
изобретение и применение баллистического маятника для определения реактивной силы как функции времени.

Поясним некоторые из нововведений К. И. Константинова более подробно.

Когда К. И. Константинов вступил в должность начальника Петербургского ракетного заведения, в нем имелись четыре горизонтальные бочки для растирания и смешения составных частей черного пороха и получения однородной пороховой массы.

Эти бочки помешались в неотапливаемом бараке и приводились во вращение восемью рабочими, отделенными от бочек только легкой переборкой. Зимой эти люди работали на морозе и вообще имели больше шансов погибнуть, нежели остаться в живых, так как растирание составных частей пороха было весьма опасным.

«Мною было исходатайствовано поместить людей, приводящих бочки во вращательное движение, вдали от этих бочек, в теплом покое, где люди вертели бы маховые колеса, от которых вращательное движение передавалось бы бочкам механическою передачею движения. Для большей безопасности между бараком, помещающим бочки, и зданием, укрывающим людей, возведен был земляной вал».

Для получения одинаковой структуры пороховой массы Константинов ввел счетчики оборотов, которые помещались перед рабочими и служили им постоянно руководством для скорости вращения бочек.

Наблюдательность и инженерный опыт Константинова привели его к новой конструкции бочек с наклонной осью для перетирания порохового состава, и опыт показал, что если «при прежних бочках требовалось 10 часов работы, в продолжение которых бочки производили 4200 оборотов, с новыми бочками достаточно вдвое меньшего числа оборотов (при той же скорости вращения) в продолжение 5 часов работы».

Удачные результаты, полученные с наклонными бочками в Петербургском ракетном заведении, были поводом для их внедрения на еще трех казенных пороховых заводах для увеличения производства пороха.

Усовершенствовав изготовление однородной пороховой массы, Константинов сделал важный шаг в деле массового производства ракет.

Второй не менее ответственной задачей была набивка ракетных гильз пороховой массой. Имевшиеся в ракетном заведении механические прессы давали «самое наибольшее давление только в 80 пудов на квадратный дюйм». Этого было недостаточно для получения из сыпучего тела (пороха) плотной сплошной массы, обеспечивающей постоянную скорость горения. Константинов сконструировал новый пресс, обеспечивавший суммарное давление до 400000 килограммов (24 419 пудов). Три экземпляра этого пресса были изготовлены по заказу русского правительства в Париже.

«Нет сомнения, — пишет Константинов, что трудность иметь достаточно сильные прессы, при начале ракетного делопроизводства, породила идею смачивать состав при набивке, к чему прибегнули, как к паллиативному средству, для облегчения набивки и устранения разрывов ракет; но смачивание состава влечет за собой весьма важные неудобства. Смоченный состав, высыхая мало-помалу с большей или меньшей скоростью, смотря по времени года и состоянию атмосферы, при которой происходила набивка ракет, и смотря по обстоятельствам, которыми сопровождается их хранение и перевозка, изменяется постепенно и дает при стрельбе результаты весьма разнообразные».

Разработка мощных прессов позволила снаряжать ракеты сухим однородным порохом и получать при стрельбе более близкие (от выстрела к выстрелу) результаты.

Для того чтобы можно было проверить экспериментально величину реактивной силы, развивающейся при горении пороха, К. И. Константинов детально разработал методику стендовых испытаний ракет с использованием баллистического маятника. Самый простой способ проверки достоинств какого-либо снаряда состоит в его испытаниях в реальных условиях. Но такие испытания дают суммарный (интегральный) результат, обусловленный весьма многими причинами, причем некоторые из них являются случайными. Для выяснения истинных характеристик снаряда приходится увеличивать число испытаний, обрабатывая их методами математической статистики. Однако полученные таким образом характеристики являются чисто эмпирическими, и влияние отдельных конструктивных параметров снаряда на полученный интегральный результат не вскрывается. В наше время при создании новых конструкций всегда руководствуются указаниями теории и научного эксперимента, дабы избежать тяжелой необходимости производить натуральные испытания с весьма большим числом вариантов.

Жизненно важную необходимость научного эксперимента для совершенствования боевых пороховых ракет вполне осознал К. И. Константинов. Он первый в истории развития ракетной техники начал внедрять научный эксперимент для оценки влияния отдельных конструктивных изменений на баллистические характеристики ракеты. Он пишет: «...испытание в условиях действительности дает нам лишь результат, в котором поглощаются все частности явлений, порождающих этот результат. Из всего этого истекает необходимость иметь средства аналитических исследований для изучения одного или нескольких отдельных явлений из тех, которые производят окончательный результат. Эти соображения повели к изобретению баллистического маятника...»

К. И. Константинов — основоположник экспериментальной ракетодинамики, глубоко осознавший значение научного эксперимента для прогресса ракетной техники.

Он хорошо понимает, что измерение реактивной силы у ракеты, укрепленной на баллистическом маятнике, является некоторой схематизацией явления действительного полета. Но основную характеристику, главную часть реактивного действия, таким образом можно получить достаточно надежно.

«Для измерения движущей силы ракет было бы самым лучшим— иметь возможность производить эти измерения, не переменяя скорости ракеты, которую она имеет во время полета, и определить, в этих условиях, внутреннее давление на голову ракеты и внутреннюю упругость газов в различные моменты сгорания движущего состава; но поставленный таким образом вопрос, нам кажется, недостаточно подчиняется средствам испытания, которые находятся ныне в нашем распоряжении (в настоящее время применение телеметрии позволило определить давление в камере сгорания реактивного двигателя у летящей ракеты. Зная давление в камере двигателя, можно найти реактивную силу (или реактивную тягу)... Нужно изменить условия задачи и начать с того, чтобы сделать ракету неподвижной или значительно ограничить скорость ее движения. При этом неоспоримо изменятся результаты, так как внутреннее напряжение газов и скорость их истечения через отверстия в поддоне не могут быть одинаковыми в той ракете, которая при движении переносит только свой собственный груз, и той, которую делают более или менее неподвижною, заставляя упираться головой в динамометр или какое-либо препятствие, представляющее определенное сопротивление. Приобретенные таким образом результаты могут, однако же, дать верные указания относительно изготовления ракет, для проверки однообразия их фабрикации и могут быть принятыми, кажется, как приблизительное решение задачи определения движущей силы, запасенной в ракете» .

Титульный лист книги К. И. Константинова «О боевых ракетах» (1864 г.)

Титульный лист книги К. И. Константинова «О боевых ракетах» (1864 г.)

Анализируя весьма несовершенные динамометры, употреблявшиеся для определения реактивной силы, Константинов указывает на существенные преимущества предложенного им для этой цели баллистического маятника.

Баллистический маятник Константинова подобен орудийному маятнику-приемнику, только ракетой не стреляют в приемник, а она закрепляется в приемнике неподвижно так, чтобы ее ось проходила через центр удара (центр качаний) маятника. На основе законов механики по углу отклонения маятника при действии реактивной силы можно найти величину этой силы. Чтобы знать реактивную силу как функцию времени, Константинов сконструировал самописец, прикрепляемый сбоку маятника.
Одним из самых существенных выводов, полученных из опытов на баллистическом маятнике, было указание, «что движущая сила в ракетах развивается лишь при обгорании ракетной пустоты» и что эта сила очень мала, когда горит поперечное сечение глухого состава.

Наличие этой малой силы приводило, однако, к большим неправильностям и отклонениям в полете ракет, и одним из фундаментальных предложений Константинова для увеличения кучности боя ракет было уничтожение глухого состава при набивке ракетных гильз.

«Ракетный маятник, — пишет К. И. Константинов, — доставил нам многие указания, относящиеся до влияния соразмерности составных частей ракетного состава, внутренних размеров ракетной пустоты, числа и размеров очков на порождение движущей силы и образа ее действия; но опыты с этим прибором не были еще достаточно многочисленны, чтобы воспользоваться всем, чего можно ожидать от подобного аппарата».

Результаты большого экспериментального и производственного опыта по боевым пороховым ракетам были изложены К. И. Константиновым в его лекциях в Михайловской артиллерийской академии. Эти лекции в виде книги «О боевых ракетах» были изданы сначала на французском языке в 1861 году, а затем на русском языке в 1864 году.

В этой книге даны подробные описания боевых ракет, усовершенствованных Константиновым и принятых на вооружение русской армии. На рисунках  даны чертежи некоторых ракет, выпускавшихся Петербургским ракетным заведением, и общий вид ракетного пускового станка.

Ракеты К. И. Константинова: 1 — прицельная двухдюймовая ракета с гранатой и коротким желобоватым хвостом; 2— навесная двухдюймовая ракета с шестифунтовой гранатой и желобоватым хвостом; 3 — учебная ракета в продольном разрезе.

Ракеты К. И. Константинова:
1 — прицельная двухдюймовая ракета с гранатой и коротким желобоватым хвостом; 2— навесная двухдюймовая ракета с шестифунтовой гранатой и желобоватым хвостом; 3 — учебная ракета в продольном разрезе.

Большое число научно-технических статей Константинова по вопросам ракетной техники было опубликовано в Артиллерийском журнале.

Детали двухдюймовой ракеты К. И. Константинова и общий вид ракетного пускового станка: 1 — продольный разрез двухдюймовой ракеты с длинным призматическим хвостом, вооруженной двухфунтовой гранатой, образец тех ракет, которые долгое время употреблялись на Кавказе, и тех, которые были отправлены в Севастополь во время войны 1853— 1856 гг., 2— поддон; 3 — хвостовая трубка призматических двухдюймовых ракетных хвостов; 4, 5 и 6 — пусковой станок для двухдюймовых ракет — вид сбоку и спереди.

Детали двухдюймовой ракеты К. И. Константинова и общий вид ракетного пускового станка:
1 — продольный разрез двухдюймовой ракеты с длинным призматическим хвостом, вооруженной двухфунтовой гранатой, образец тех ракет, которые долгое время употреблялись на Кавказе, и тех, которые были отправлены в Севастополь во время войны 1853— 1856 гг., 2— поддон; 3 — хвостовая трубка призматических двухдюймовых ракетных хвостов; 4, 5 и 6 — пусковой станок для двухдюймовых ракет — вид сбоку и спереди.

Изучая обширные исследования Константинова по пороховым ракетам, мы можем утверждать, что в середине XIX века он был идейным руководителем школы ракетчиков, создавшей в России передовые методы производства боевых пороховых ракет и разработавшей основы экспериментальной ракетодинамики. Именно по этим причинам русские боевые пороховые ракеты были в те годы лучшими в мире.

Этот период развития ракетной техники в России был тесно связан с непосредственными запросами армии и разработкой и созданием образцов вооружения.

В научном отношении это был период накопления технического опыта, период научных наблюдений и качественной систематизации опытного материала. Весь комплекс вопросов, связанный с созданием новых образцов реактивных снарядов, решался на полигоне и в ракетном заведении. Россия стояла во главе прогресса ракетной техники потому, что благодаря инженерной интуиции и проницательности К. И. Константинова в качестве существенного элемента при совершенствовании боевых ракет был введен научно поставленный опыт, позволивший анализировать влияние отдельных конструктивных параметров на баллистические характеристики ракетных снарядов. Однако большой производственный и экспериментальный материал, собранный в Петербургском ракетном заведении под руководством Константинова, не получил широких научных обобщений, и теории полета ракет (теории баллистического проектирования) Константинову создать не удалось. Это трезво оценивал и сам Константинов. В своем труде «О боевых ракетах» он пишет: «...факты эти составляют только результаты наблюдений, но они указывают уже возможность математической теории конструкции и стрельбы ракет — одним словом, возможность баллистики ракет. Но это наука, которую еще надобно создать».

Изобретение и усовершенствование в середине XIX века нарезных артиллерийских орудий, стреляющих продолговатыми вращающимися снарядами, явилось сильным тормозом для дальнейшего развития и совершенствования боевых пороховых ракет. Новые артиллерийские орудия, разработанные и созданные знаменитым русским ученым-артиллеристом генералом Н. В. Майевским (1823—1892), показали превосходные боевые качества: большую дальность стрельбы, неслыханную в те годы точность попаданий и значительную скорострельность. Нарезные артиллерийские орудия, заряжаемые с казенной части, вытеснили пороховые ракеты, и на долгие годы — до второй мировой войны — боевые пороховые ракеты были забыты.

Попытки К. И. Константинова создать более совершенное ракетное заведение в г. Николаеве окончились неудачей. Петербургское ракетное заведение было закрыто, а постройка ракетного заведения в г. Николаеве не была закончена, хотя машинное оборудование для этого заведения, изготовленное во Франции, и было доставлено в г. Николаев. Несмотря на очевидные преимущества боевых пороховых ракет — большую подвижность, эффективность стрельбы по площадям, моральное воздействие на войска противника, удобства в горной войне и войне в городах, — интерес к ним все более ослабевал, и среди руководителей русской армии второй половины XIX века не нашлось никого, кто бы практически поддержал предложения Константинова. Основоположник экспериментальной ракетодинамики скончался в г. Николаеве в 1871 году.

Из предшественников Циолковского, разрабатывавших идею реактивного движения в применении к дирижаблю и самолету, следует отметить Н. Соковнина, опубликовавшего в 1866 году книгу «Воздушный корабль», и Ф. Гешвенда, выпустившего в 1887 году в Киеве брошюру под названием «Общее основание устройства воздухоплавательного парохода (паролета)».

Для истории развития идей мирного использования реактивных летательных аппаратов весьма интересным является изобретательское предложение известного народовольца Николая Ивановича Кибальчича. Краткая пояснительная записка об этом изобретении была составлена Кибальчичем в тюрьме за несколько дней до казни.

Н. И. Кибальчич, сын сельского священника, родился 19 октября 1857 года в Черниговской губернии. В 1871 году поступил на первый курс Петербургского института инженеров путей сообщения. Окончив два курса этого института, летом 1873 года он перешел студентом в Медико-хирургическую академию. Во время летних каникул 1875 года, находясь в Киевской губернии в имении своего брата, он дал прочитать одному крестьянину запрещенную цензурой сказку «О четырех братьях». Жандармерия возбудила дело, и осенью, уже в Петербурге, на квартире Кибальчича был устроен обыск. При обыске у него были найдены два тюка с нелегальной литературой. 11 октября 1875 года Кибальчич был арестован и, пробыв 2 года 7 месяцев в разных тюрьмах, 1 мая 1878 года был приговорен судом к месячному тюремному заключению.

В 1879 году Н. И. Кибальчич предложил Исполнительному Комитету народнической организации «Земля и воля» свои услуги по изготовлению мин и бомб. Он участвовал в изготовлении мины для взрыва в Одессе, готовил мины для взрыва в Зимнем дворце и, наконец, обеспечил бомбами участников покушения на царя Александра II 1 марта 1881 года.

Кибальчич был одним из высокообразованных людей организации «Земля и воля» и относился к порученному делу с серьезностью кабинетного ученого, не входя в подробности организации покушений. Задержанный 17 марта 1881 года, после убийства Александра II, Кибальчич в тюрьме разработал проект реактивного летательного аппарата и в своем последнем слове перед судом говорил об этом проекте.

Пояснительная записка о проекте воздухоплавательного прибора была приобщена к «делу о 1 марта» и пролежала 37 лет в секретных архивах жандармского управления. В 1918 году проект Кибальчича был полностью опубликован в журнале «Былое» (№ 10—11, стр. 112). Вот некоторые выдержки из описания проекта Кибальчича:

«Находясь в заключении, за несколько дней до своей смерти, я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживает меня в моем ужасном положении. Если же моя идея после тщательного обсуждения учеными-специалистами будет признана исполнимой, то я буду счастлив тем, что окажу громадную услугу родине и человечеству. Я спокойно тогда встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мною, а будет существовать среди человечества, для которого я готов был пожертвовать своей жизнью...»

«Многие изобретатели основывают движение воздухоплавательных снарядов на мускульной силе человека... Я думаю, что если и возможно устроить такого типа летательное приспособление, то оно все-таки будет иметь характер игрушки и серьезного значения иметь не может. Какая же сила применима к воздухоплаванию? Такой силой, по моему мнению, являются медленно горящие взрывчатые вещества... Если мы возьмем фунт зернистого пороха, вспыхивающего при зажигании мгновенно, спрессуем его под большим давлением в форму цилиндра, а затем зажмем один конец этого цилиндра, то увидим, что горение не сразу охватит цилиндр, а будет распространяться довольно медленно от одного конца к другому и с определенной скоростью. На этом свойстве прессованного пороха основано устройство боевых ракет... Представим себе теперь, что мы имеем из листового железа цилиндр известных размеров, закрытый герметически со всех сторон и только в нижнем дне своем заключающий отверстие известной величины. 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 (величина которого зависит, с одной стороны, от внутренней емкости цилиндра, а с другой стороны, — от толщины куска прессованного пороха) цилиндр должен подняться вверх».

Реактивный летательный аппарат Н. И. Кибальчича схематически представлял собой платформу, к которой на стойках был прикреплен мощный пороховой реактивный двигатель. Особым механизмом в камеру двигателя должны были последовательно вводиться пороховые шашки. Развивающаяся при сгорании пороховых шашек реактивная сила при вертикальном расположении камеры двигателя должна была, по мысли изобретателя, поднимать платформу вверх. Меняя ориентацию оси двигателя, закрепленного на двух стойках в специальных цапфах, относительно платформы, можно было сообщать платформе движение в горизонтальном направлении.

Образно говоря, воздухоплавательный аппарат по проекту Кибальчича напоминал собой сказочный ковер-самолет, движение которого обусловливалось работой мощного порохового реактивного двигателя.

В заключение своего проекта Кибальчич писал: «Верна или не верна моя идея — может решить окончательно лишь опыт. Из опыта же можно лишь определить необходимые соотношения между размерами цилиндра, толщиной пороховых свечей и весом поднимаемого аппарата. Первоначальные опыты могут быть удобно произведены с небольшими цилиндриками даже в комнате».

Рассмотренный нами материал показывает, что в течение XVIII и XIX веков в России был получен весьма интересный и содержательный фактический материал по ракетам на твердом топливе (пороховые ракеты различных конструкций). Этот краткий исторический очерк показывает только часть проведенных исследований и до известной степени характеризует тот уровень научного мышления в теории реактивного движения, который был до работ Циолковского.

К концу XIX века боевые ракеты с двигателями на черном порохе были сняты с вооружения русской армии, и в те дни, когда К. Э. Циолковский создавал в Калуге теоретические основы ракетодинамики, ракеты применялись только для праздничных фейерверков и иллюминаций.

Реактивное движение

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 тротилпироксилиновом 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 быстрорастущей 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 формулировал и исследовал проблему изучения прямолинейных движений ракет, исходя из законов теоретической механики. Как мы указывали, принцип сообщения движения, при помощи сил реакции отбрасываемых частиц был осознан Циолковским еще в 1883 году, однако создание им математически строгой теории реактивного движения относится к концу XIX столетия.

Первая страница известной работы К. Э. Циолковского из журнала «Научное обозрение» № 5, 1903 г. (в первом слове заглавия — опечатка).

Первая страница известной работы К. Э. Циолковского из журнала «Научное обозрение» № 5, 1903 г. (в первом слове заглавия — опечатка).

В одной из своих работ Циолковский писал: «Долго на ракету я смотрел, как и все: с точки зрения увеселений и маленьких применений. Не помню хорошо, как мне пришло в голову сделать вычисления, относящиеся к ракете. Мне кажется, первые семена мысли были заронены известным фантазером Жюлем Верном; он пробудил работу моего мозга в известном направлении. Явились желания, за желаниями возникла деятельность ума. ...Старый листок с окончательными формулами, относящимися к реактивному прибору, помечен датою 25 августа 1898 года».

«...Никогда я не претендовал на полное решение вопроса. Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчет. И уже в конце концов исполнение венчает мысль. Мои работы о космических путешествиях относятся к средней фазе творчества. Более, чем кто-нибудь, я понимаю бездну, разделяющую идею от ее осуществления, так как в течение моей жизни я не только мыслил и вычислял, но и исполнял, работая также руками. Однако нельзя не быть идее: исполнению предшествует мысль, точному расчету — фантазия».

В 1903 году в журнале «Научное обозрение» появилась первая статья Константина Эдуардовича по ракетной технике, которая называлась «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этом труде на основании простейших законов теоретической механики (закона сохранения количества движения и закона независимого действия сил) была дана теория полета ракеты и обоснована возможность применения реактивных аппаратов для межпланетных сообщений (Создание общей теории движения тел, масса которых изменяется в процессе движения, принадлежит профессору И. В. Мещерскому (1859—1935)).

Идея применения ракеты для решения научных проблем, использование реактивных двигателей для создания движения грандиозных межпланетных кораблей целиком принадлежат Циолковскому. Он родоначальник современных жидкостных ракет дальнего действия, один из создателей новой главы теоретической механики.

Классическая механика, изучающая законы движения и равновесия материальных тел, базируется на трех законах движения, отчетливо и строго сформулированных английским ученым Исааком Ньютоном еще в 1687 году. Эти законы применялись многими исследователями для изучения движения тел, масса которых не изменялась во время движения. Были рассмотрены очень важные случаи движения и создалась большая наука — механика тел постоянной массы. Аксиомы механики тел постоянной массы, или законы движения Ньютона, явились обобщением всего предыдущего развития механики. В настоящее время основные законы механического движения излагаются во всех учебниках физики для средней школы. Мы дадим здесь краткое изложение законов движения Ньютона, так как последующий шаг в науке, позволивший изучать движение ракет, был дальнейшим развитием методов классической механики.

Первый закон Ньютона, в частных случаях известный еще Галилею и Декарту, формулируется следующим образом: «Всякое материальное тело продолжает пребывать в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние».

Этот закон часто называется законом инерции, и он выражает одно из существенных свойств материальных тел. Суть закона инерции состоит в том, что механическое движение данного тела не может возникнуть из ничего, а только под влиянием взаимодействий с другими телами. Изолированное от влияния других тел, всякое материальное тело или находится в покое, или движется прямолинейно и равномерно, сохраняя свое движение. Взаимодействия тел друг с другом, передача движения от одного  тела к другому суть причины изменения покоя или равномерного и прямолинейного движения. Движение тела не может исчезнуть и превратиться в ничто, а может быть или передано другому материальному телу как механическое движение, или может превратиться в другие формы движения (например, в тепло). Если mмасса тела, a v — его скорость, то произведение (mv) называют количеством движения тела. Для изолированного тела его количество движения остается постоянным. Изменение количества движения может произойти только под влиянием других тел, или, как говорят в механике, под действием сил. Стремление тела сохранить свое количество движения проявляется на опыте в том, что при встрече движущегося тела с препятствием оно производит тем большее давление, чем больше его скорость и чем больше его масса.

Второй закон Ньютона устанавливает меру механического взаимодействия между телами и формулируется так: изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

Если должным образом выбрать единицы массы, скорости и времени, то второй закон можно высказать еще в следующем виде: масса тела, умноженная на его ускорение, равняется движущей силе. Направление ускорения совпадает с направлением движущей силы.

Таким образом, величину механических взаимодействий между телами мы можем измерять по изменению количества движения, а для тел постоянной массы — по ускорению движущегося тела. Из второго закона Ньютона следует, что одна и та же сила сообщает телам с разными массами (разными весами) разные ускорения. Разные силы сообщают какому-либо выбранному телу ускорения, пропорциональные силам. В современной теоретической механике второй закон Ньютона является той основой, на которой базируются все математические расчеты. Однако следует указать, что второй закон Ньютона справедлив только для тел, масса которых сохраняется постоянной во все время движения. Следовательно, вторым законом Ньютона можно, например, воспользоваться для изучения движения артиллерийского снаряда, но нельзя изучать движение реактивного снаряда. Для тел постоянной массы законы Ньютона и выводы из них подтверждаются всей общественно-производственной практикой человечества, за исключением специальных областей техники, охватываемых механикой теории относительности.

Третий закон Ньютона имеет весьма большое значение в теории движения ракет, и его можно высказать в следующей форме: действию всегда есть равное и противоположное противодействие; иначе говоря, взаимные действия тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны.

В самом деле, если какое-нибудь тело давит на что-либо другое или тянет его, то оно само этим последним давится или тянется. Если кто нажимает пальцем на камень, то и палец его также нажимается камнем. Если какое-либо тело, ударившись о другое тело, изменяет его количество движения на сколько-нибудь, то и оно претерпит от второго тела в своем собственном количестве движения то же самое изменение, но обратно направленное, ибо давления этих тел друг на друга постоянно равны. Следует отметить, что действие и противодействие приложены к разным телам и поэтому не представляют уравновешенной системы сил. По этой причине как действие, так и противодействие могут вызвать движение тел, к которым они приложены. Возьмем, например, камень, находящийся под действием силы притяжения Земли, сила противодействия будет в данном случае приложена к Земле. Действие вызывает движение камня, противодействие — движение Земли. Так как масса камня ничтожно мала по сравнению с массой Земли, то смещения Земли не могут быть обнаружены современными приборами; перемещения камня видны простым невооруженным глазом. Противодействие на латинском языке — реакция, поэтому силы, возникающие в результате взаимодействия соприкасающихся тел, часто называются реактивными силами. Например, весло действует на воду, сообщая ей движение, а частицы воды дают реактивные силы давления на весло и тем способствуют движению лодки. Хотя законы Ньютона и некоторые выводы из них необходимы для создания теории реактивного движения, но потребовалось более 200 лет для того, чтобы открыть основные положения этой новой науки.

Для теории движения тел переменной массы и теории полета ракет весьма существенное значение имеет закон сохранения количества движения для замкнутой механической системы. Поясним сущность этого закона.

Представим себе систему частиц или тел, которые находятся в движении только под действием сил взаимодействия между ними. Такую механическую систему называют замкнутой. Наиболее наглядным примером замкнутой механической системы является солнечная система, состоящая из Солнца и планет, так как движения в этой системе обусловлены только силами взаимного притяжения, т. е. внутренними силами. Внешние силы, обусловленные воздействием на солнечную систему звезд и звездных скоплений, пренебрежимо малы из-за громадных расстояний между нашей солнечной системой и звёздами. Движение любого тела в замкнутой механической системе зависит от движения и положения остальных тел системы. Можно строго математически доказать, что в замкнутой механической системе количество движения остается постоянным во все время движения и равным начальному количеству движения этой системы. Если в начальный момент времени все частицы замкнутой механической системы были неподвижными, то начальное количество движения этой системы будет равно нулю и под действием внутренних сил не может измениться и в дальнейшем. Поэтому хотя внутренние силы и могут вызывать движение отдельных частей системы, но эти движения должны происходить так, чтобы суммарное количество движения системы оставалось равным нулю.

Рассмотрим, например, два шарика одинакового веса (массы), расположенных на гладком полированном столе или находящихся в космическом пространстве, где нет сил тяготения и сил сопротивления воздуха. Поместим между шариками пружину, сожмем ее, накинем на шарики петлю и положим на стол. Действие упругой силы пружины на шарики будет силой внутренней, и если в начальный момент скорости шариков равны нулю, то количество движения этой системы будет равно нулю и в последующие моменты времени. Разрежем или пережжем петлю, стягивающую наши два шарика, тогда пружина толкнет их в прямо противоположные стороны. В соответствии с законом сохранения количества движения шарики будут двигаться так, что их суммарное количество движения по-прежнему будет равно нулю. Если количество движения первого шарика будет m1v1 , где m1 — масса первого шарика, a v1 —его скорость, и если количество движения второго шарика будет m2v2 , где m2— масса второго шарика, a v2 — его скорость, то на основании закона сохранения количества движения мы получим следующую формулу:

2015-06-09 21-38-07 Скриншот экрана

Из этой формулы следует, что

2015-06-09 21-38-45 Скриншот экрана
Если массы шариков равны  (m= m2), то скорости шариков также будут равны по величине, но направлены прямо противоположно (на это указывает знак «минус» у скорости v2). Если массы шариков не равны, то шарик, имеющий большую массу, будет иметь меньшую скорость. Аналогичное явление мы будем иметь, если человек будет прыгать с неподвижной лодки. Всем из опыта известно, что, если прыгать, отталкиваясь от лодки (т. е. приобретая при толчке скорость в горизонтальном направлении), тогда лодка начнет двигаться в противоположную сторону. Если масса (вес) лодки больше массы человека в четыре раза, а человек при прыжке получил горизонтальную скорость, равную двум метрам в секунду, тогда по нашей формуле скорость лодки будет:

2015-06-09 21-41-07 Скриншот экрана

Знак минус показывает, что лодка будет двигаться в противоположную сторону. Если человек прыгает с той же горизонтально направленной скоростью с большого парохода, масса которого в 40 000 раз больше массы человека, тогда пароход получит скорость:

2015-06-09 21-42-05 Скриншот экрана

Из этих простых расчетов вытекают очень важные заключения:
а) Если от какого-либо тела (лодки, парохода) отбрасывается (отталкивается) второе тело, то количество движения на одном теле равно по величине приобретаемому количеству движения на втором теле.
б) Силу толчка, получаемую лодкой или пароходом от ног прыгающего человека, можно рассматривать как реактивную силу, и она, очевидно, будет тем больше, чем больше масса (вес) человека и чем большую скорость сообщил он себе при толчке. По закону действия и противодействия в момент отделения человека его давление на лодку равно давлению лодки на подошвы ног человека.
в) Если с лодки или парохода будут последовательно каждую секунду прыгать с некоторой относительной скоростью несколько человек, то скорость парохода будет постепенно увеличиваться, а его масса уменьшаться. Такой пароход с отделяющимися (отталкивающимися) от него людьми подобен ракете.

Схема ракеты с двигателем на твердом топливе:1 — полезный груз;2 — отсек приборов управления; 3 — камера сгорания, заполненная твердым топливом; 4 — сопло реактивного двигателя

Схема ракеты с двигателем на твердом топливе:1 — полезный груз;2 — отсек приборов управления; 3 — камера сгорания, заполненная твердым топливом; 4 — сопло реактивного двигателя

На рисунке показана в разрезе простейшая ракета с пороховым реактивным двигателем. Такая ракета представляет тело вращения с конической головной частью, в которой располагается полезный транспортируемый груз (взрывчатое вещество, приборы, почта и т, п.). Большую часть объема корпуса ракеты занимает пороховой реактивный двигатель (или, как говорят, двигатель на твердом топливе), состоящий из камеры, заполненной пороховыми шашками, и специально профилированного сопла (сопла Лаваля). При горении пороховых шашек образующиеся горячие газы устремляются с большой скоростью через сопло Лаваля и создают реактивную силу, которая будет тем больше, чем больше скорость вытекающих из сопла частиц и чем больше по весу этих частиц истекает в одну секунду. Для наглядности представлений о возникающей при истечении газов реактивной силе можно частицы нагретых газов рассматривать как маленькие выпрыгивающие из сопла живые существа, которые отталкиваются от корпуса ракеты (как человек от лодки) и тем самым создают ее движение.

Простейший реактивный двигатель на жидком топливе 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 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 или турбонасосы или выдавливают их сжатым нейтральным газом (например, азотом). На рисунке приведена фотография реактивного двигателя немецкой ракеты «ФАУ-2».

Жидкостный реактивный двигатель немецкой ракеты "ФАУ-2", смонтированный в хвостовой части ракеты: 1-воздушный руль, 2-камера сгорания, 3-трубопровод для подачи горючего(спирта), 4-турбонасосный агрегат, 5-бак для окислителя, 6-выходное сечение сопла,7-газовые рули

Жидкостный реактивный двигатель немецкой ракеты «ФАУ-2», смонтированный в хвостовой части ракеты: 1-воздушный руль, 2-камера сгорания, 3-трубопровод для подачи горючего(спирта), 4-турбонасосный агрегат, 5-бак для окислителя, 6-выходное сечение сопла,7-газовые рули

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 g = 9,8 м/сек2, тогда 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 2000 м/сек, тогда реактивная сила, которую мы обозначаем через Ф, будет равна:

2015-06-09 21-57-58 Скриншот экрана

У немецкой ракеты «ФАУ-2» весовой секундный расход составлял в среднем 127,4 кГ. Скорость истечения продуктов сгорания из сопла двигателя была равна 2000 м/сек. Реактивная сила будет в этом случае равна:

2015-06-09 21-59-03 Скриншот экрана

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 пуске такого двигателя. Простейшая схема воздушно-реактивного двигателя была предложена еще в 1887 году русским инженером Гешвендом. Идея использования воздушно-реактивного двигателя для  самолетов была с большой тщательностью самостоятельно разработана К. 3., Циолковским. Он дал первые в мире расчеты самолета с воздушно-реактивным двигателем и турбокомпрессорным винтовым двигателем.

Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

На рисунке  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 входяшнх частиц.

Энергия движения воздушно-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 — благодарная задача изобретателей и конструкторов.

Если мы будем рассматривать 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 были неизвестны 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, для 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 приходилось 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 об изучении движения тела переменной массы заменяли более простой и уже изученной задачей о движении тела постоянной массы. Изучение движения ракет как тел переменного веса 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 последовательно 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, выпушенной вертикально? Как выбраться на реактивном приборе за пределы атмосферы — пробить «панцирь» атмосферы? Как выбраться за пределы притяжения Земли — пробить «панцирь» тяготения? Вот некоторые из вопросов, рассмотренных и решенных Циолковским.

С нашей точки зрения, самой драгоценной идеей Циолковского в теории ракет является приобщение 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 та задача, которую ставил перед собой проницательный 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) Циолковский высказал глубокую мысль о простейших применениях ракет, которые были известны людям достаточно 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» .

При полете ракеты на сравнительно небольших высотах на нее будут действовать три основные силы: сила тяжести (сила ньютонианского тяготения), сила аэродинамическая, обусловленная наличием атмосферы (обычно ту 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 раньше 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 иметь место 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 на срезе сопла скорости истекающих частиц не зависят от скорости 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 имеет места: 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 под названием формулы Циолковского.

Если обозначить буквой v скорость ракеты в момент, когда ее масса равна М, а через V1 обозначить постоянную скорость отбрасываемых из сопла двигателя частиц, тогда формула Циолковского будет иметь следующий вид:

2015-06-09 22-49-40 Скриншот экрана,где М0— масса ракеты в момент старта, когда ее скорость равна нулю.

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 Ms, а наибольшая скорость vmax , то из формулы Циолковского следует, что

2015-06-09 22-52-07 Скриншот экрана

Пусть отношение начальной массы (веса) ракеты к массе (весу) в конце горения равно 10 и пусть относительная скорость отбрасываемых частиц равна 3000 м/сек, тогда максимальная скорость ракеты будет равна:

2015-06-09 22-53-01 Скриншот экрана

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 (таблица 1).

Таблица 1

Таблица 1

«Положим, например, — пишет Циолковский, — что масса ракеты и взрывчатых веществ составляет 8 единиц. Я отбрасываю четыре единицы и получаю скорость, которую 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 вещества, она растет 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 два раза увеличить скорость в конце активного участка для современной ракеты, имеющей отношение начального веса к весу пустой (без горючего) ракеты приблизительно равным 3 и относительную скорость истечения газов, равную 2 километрам в секунду, то можно идти двумя путями:

или увеличить относительную скорость истечения частиц из сопла реактивного двигателя в два раза, т. е. до 4 километров в секунду,

или увеличить относительный запас топлива настолько, чтобы отношение начального веса к весу пустой ракеты стало равным З2 = 9.

Следует заметить, что увеличение относительных скоростей истечения частиц требует совершенствования реактивного двигателя и разумного выбора составных частей (компонентов) применяющихся топлив, а 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 установить 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 2500 м/сек. Тогда, зная, что для преодоления поля тяготения Земли нужна скорость 11,2 км/сек, можно найти необходимый минимальный относительный запас топлива в ракете. Имеем из формулы Циолковского:

2015-06-09 22-58-49 Скриншот экранаили2015-06-09 22-59-25 Скриншот экрана

По таблицам десятичных логарифмов находим, что 2015-06-09 23-00-00 Скриншот экранат. 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 4850 м/сек, то из формулы Циолковского легко найти, что в этом случае

2015-06-09 23-01-10 Скриншот экранат. е. вес ракеты без топлива должен составлять 10% ее стартового веса. Такую ракету можно создать.

Формулой Циолковского можно пользоваться для приближенных оценок скорости ракеты и в тех случаях, когда сила аэродинамическая и сила тяжести сравнительно невелики 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 этой работы Циолковского началась новая эпоха развития ракетной техники, которая знаменуется тем, что летные характеристики ракет можно определить заранее 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.

Работы по воздухоплаванию и экспериментальной аэродинамике

В одной из своих автобиографических статей Циолковский писал: «В 1885 году, имея 28 лет, я твердо решился отдаться воздухоплаванию и теоретически разработать металлический управляемый аэростат». Константин Эдуардович обратил внимание на существенные недостатки аэростатов с оболочками из прорезиненной ткани. Такие оболочки скоро изнашивались, обладали малой прочностью и вследствие проницаемости ткани наполняющий их газ (в те годы — водород) быстро терялся.

Результатом исследовательской работы Циолковского было объемистое сочинение «Теория и опыт аэростата». В этом сочинении было дано научно-техническое обоснование создания конструкции дирижабля с металлической оболочкой; Циолковским были разработаны чертежи общих видов дирижабля и некоторых важных узлов конструкции.

Дирижабль Циолковского имел следующие характерные особенности. Во-первых, это был дирижабль переменного объема, что позволяло сохранять постоянную подъемную силу при различных температурах окружающего воздуха и различных высотах полета. Возможность изменения объема конструктивно достигалась при помощи особой стягивающей системы и гофрированных боковин.

 Во-вторых, газ, наполняющий дирижабль, можно было подогревать путем пропускания по змеевикам отработанных газов моторов.

Третья особенность конструкции состояла в том, что тонкая металлическая оболочка для увеличения прочности и устойчивости была гофрированной, причем волны гофра располагались перпендикулярно к оси дирижабля. Выбор геометрической формы дирижабля и расчет прочности его тонкой оболочки были решены Циолковским впервые.

Этот проект дирижабля Циолковского не получил признания. Официальная организация царской России по проблемам воздухоплавания— VII воздухоплавательный отдел Русского технического общества — нашла, что проект цельнометаллического дирижабля, способного изменять свой объем, не может иметь большого практического значения и дирижабли «вечно будут игрушкой ветров». Поэтому автору было отказано даже в субсидии на постройку модели. Обращения Циолковского в Генеральный штаб армии также не имели успеха. Печатный труд Циолковского «Аэростат металлический управляемый» (1892) получил некоторое число сочувственных отзывов, и этим дело ограничилось.

Циолковскому принадлежит прогрессивная идея постройки цельнометаллического аэроплана.

В статье 1894 года «Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина», опубликованной в журнале «Наука и жизнь», дано описание, расчеты и чертежи моноплана со свободнонесущим, безрасчалочным крылом. В противоположность ряду изобретателей и конструкторов, разрабатывавших в те годы аппараты с машущими крыльями, Циолковский указывает, что «подражание птице в техническом отношении весьма затруднительно вследствие сложности движения крыльев и хвоста, а также вследствие сложности устройства этих органов».

Аэроплан Циолковского имеет форму «застывшей парящей птицы, но вместо ее головы вообразим два гребных винта, вращающихся в обратные стороны... Мускулы животного мы заменим взрывными нейтральными двигателями. Они не требуют большого запаса топлива (бензина) и не нуждаются в тяжелых паровиках и больших запасах воды... Вместо хвоста устроим двойной руль — из вертикальной и горизонтальной плоскости... Двойной руль, двойной винт и неподвижность крыльев придуманы нами не ради выгоды и экономии работы, а единственно ради исполнимости конструкции».

В цельнометаллическом аэроплане Циолковского крылья уже имеют толстый профиль, а фюзеляж — обтекаемую форму. Весьма интересно, что в этой статье Циолковский впервые в истории развития самолетостроения особенно подчеркивает необходимость улучшения обтекаемости аэроплана для получения больших скоростей. Конструктивные очертания аэроплана Циолковского были несравненно более совершенными, нежели осуществленные позднее конструкции братьев Райт, Сантос-Дюмона, Вуазена и других изобретателей. Для оправдания своих расчетов Циолковский писал: «При получении этих чисел я принял самые благоприятные, идеальные условия сопротивления корпуса и крыльев; в моем аэроплане нет выдающихся частей, кроме крыльев; все закрыто общей плавной оболочкой, даже пассажиры».

Циолковский хорошо предвидит значение бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Вот его слова, показывающие полное понимание устремлений технического прогресса: «Однако у меня есть теоретическое основание верить в возможность построения чрезвычайно легких и в то же время чрезвычайно  сильных бензиновых двигателей, вполне удовлетворяющих задаче летания». Константин Эдуардович предсказывал, что со временем маленький аэроплан будет успешно конкурировать с автомобилем.

Разработка цельнометаллического свободнонесущего моноплана с толстым изогнутым крылом есть крупнейшая заслуга Циолковского перед авиацией. Он первый исследовал эту наиболее распространенную в наши дни схему аэроплана. Но идея Циолковского о постройке пассажирского аэроплана также не получила признания среди русских ученых. На дальнейшие изыскания по аэроплану не было ни средств, ни даже моральной поддержки. Об этом периоде своей жизни ученый писал с горечью: «При своих опытах я сделал много-много новых выводов, но новые выводы встречаются учеными недоверчиво. Эти выводы могут подтвердиться повторением моих трудов каким-нибудь экспериментом, но когда же это будет? Тяжело работать в одиночку многие годы при неблагоприятных условиях и не видеть ниоткуда ни просвета, ни поддержки».

Над разработкой своих идей о создании цельнометаллического дирижабля и хорошо обтекаемого моноплана ученый работал почти все время с 1885 по 1898 год. Эти научно-технические изобретения натолкнули Циолковского на ряд важнейших открытий. В области дирижаблестроения он выдвинул ряд совершенно новых мыслей. В сущности говоря, он был зачинателем металлических управляемых аэростатов. Его техническая интуиция значительно опередила уровень промышленного развития 90-х годов прошлого столетия.

Целесообразность своих предложений он обосновывал подробными вычислениями и схемами. Конструирование цельнометаллического воздушного корабля, как всякая большая и новая техническая проблема, затрагивало широкий комплекс совершенно не разработанных в науке и технике задач. Решить их силами одного человека было, конечно, невозможно. Ведь здесь были и вопросы аэродинамики, и вопросы устойчивости гофрированных оболочек, и задачи прочности, газонепроницаемости, и задачи герметической пайки металлических листов и т. д. Сейчас приходится изумляться, как далеко удалось продвинуть Циолковскому, кроме общей идеи, отдельные технические и научные вопросы.

Константин Эдуардович разработал метод так называемых гидростатических испытаний дирижаблей. Для определения прочности тонких оболочек, какими являются оболочки цельнометаллических дирижаблей, он рекомендовал наполнять их опытные модели водой. Этот метод применяется сейчас во всем мире для проверки прочности и устойчивости тонкостенных сосудов и оболочек. Он же дал прибор, позволяющий точно, графически определить форму сечения оболочки дирижабля при заданном сверхдавлении. Однако невероятно тяжелые условия жизни и работы, отсутствие коллектива учеников и последователей заставили ученого во многих случаях ограничиться в сущности только формулировкой проблем.

Работы Константина Эдуардовича по теоретической и экспериментальной аэродинамике, несомненно, обусловлены необходимостью дать аэродинамический расчет летных характеристик дирижабля и аэроплана.

Циолковский был настоящим ученым-естествоиспытателем. Наблюдения, мечты, вычисления и размышления соединялись у него с постановкой опытов и моделированием.

В рождественские каникулы 1890—1891 годов он пишет работу «К вопросу о летании посредством крыльев». Выдержка из этой рукописи, опубликованная при содействии знаменитого физика, профессора Московского университета А. Г. Столетова в трудах Общества любителей естествознания в 1891 году, явилась первой напечатанной работой Циолковского. В ней он первый в международной научной литературе указал на значение продолговатости крыла, дал математический анализ явления и подтвердил его экспериментально с помощью изобретенного им прибора. В дальнейшем, в процессе борьбы за идеи своего дирижабля, желая получить точные коэффициенты сопротивления воздуха для тел различной формы, Циолковский в 1897 году сооружает в Калуге аэродинамическую трубу открытого типа (воздуходувку, по терминологии Циолковского) и в следующем году опубликовывает ее описание и результаты первых опытов с подробным рассмотрением методики экспериментов.

Эта замечательная работа по экспериментальной аэродинамике была напечатана в 1898 году в журнале «Вестник опытной физики и элементарной математики». Циолковский, получив значительный опыт аэродинамического проектирования цельнометаллического дирижабля, с величайшей ясностью и убедительностью доказывает необходимость систематического эксперимента по определению сил воздействия воздушного потока на движущиеся в нем тела. Он пишет: «А как важно возможно точно формулировать законы сопротивления и трения! Какое громадное применение они имеют к теории аэростата и аэроплана! Да и есть ли области техники и науки, в которых законы сопротивления упругой среды не имели бы значения? Так пожелаем же горячо установления этих законов и поспособствуем, насколько от нас зависит, производству необходимых для того опытов».

В работе Циолковского на основании систематических опытов по определению сопротивления тел различной формы выяснена роль сил сопротивления трения для дирижаблей, даны интерполяционные формулы для подсчета сил трения, по своей структуре близкие к современным, показано влияние кормовой части тела на величину сил сопротивления давления. Желая подчеркнуть важность и полную достоверность полученных выводов, Константин Эдуардович пишет: «Каждому желающему я готов охотно повторить любой из опытов, описанных в этой статье. Прибор (аэродинамическая труба), устроенный мною, так дешев, удобен и прост, так быстро решает неразрешимые теоретические вопросы, что должен считаться необходимой принадлежностью каждого университета или физического кабинета».

Замечательное предвидение Циолковского о значении аэродинамических труб и его программа работ по экспериментальной аэродинамике получили полное подтверждение в дальнейшем развитии авиации и воздухоплавания. Важно отметить также, что мысль Циолковского и его эксперименты прямо откликаются на программу работ по изучению сопротивления воздуха, изложенную Д. И. Менделеевым в его труде «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании», изданном в 1881 году. Отмечая несостоятельность теоретических попыток решить вопрос о сопротивлении среды без планомерных и обширных экспериментальных исследований, Менделеев писал:

«Нужен настоятельно и будет решать дело разумный и твердый опыт, а молодое и неопытное умственное построение пойдет на поводу в ту и другую сторону, пока приученное опытом к верной дороге само не станет везти за собой или на себе всю сущность опытного знания, как обученная на поводу лошадь повезет куда следует».

Выдающиеся инженеры и ученые нашей страны: Можайский, Жуковский, Циолковский — в ряде своих статей и выполненных работ активно поддерживали эти глубокие и прогрессивные высказывания Менделеева, которые были по существу боевой программой передовой русской науки.

В 1899 году Циолковский обратился с просьбой в Академию наук о выдаче ему средств для производства опытов по определению сил сопротивления тел, помещенных в искусственно создаваемый поток воздуха. При этом он указал на результаты своих предыдущих опытов, опубликованные в научных журналах. Академия наук поручила рассмотрение работ Циолковского академику М. А. Рыкачеву, который дал благоприятный отзыв. Академик Рыкачев писал: «Опыты эти заслуживают полного внимания Академии как по идее, так и по разнообразию опытов. Несмотря на примитивные домашние средства, какими пользовался автор, он достиг определения скорости при различных грузах, приводивших в движение воздуходувку.

...Автор определил зависимость сопротивления от скорости потока и от продолговатости формы. Весьма интересны опыты, производимые с целью определения влияния кормовой части... По всем этим причинам производство опытов в более широких размерах и более точными приборами было бы крайне желательно, и я позволю себе просить Отделение исполнить просьбу автора и оказать ему материальную поддержку из фонда, предназначенного на ученые потребности:».

После благоприятного отзыва М. А. Рыкачева Физико-математическое отделение Академии наук решило выдать Циолковскому пособие в сумме 470 рублей на производство новых опытов. Подробная программа этих опытов была представлена Циолковским в Академию наук в мае 1900 года.

Пособие в 470 руб. было первым и единственным в дореволюционное время, полученным Константином Эдуардовичем от официального правительственного учреждения.

На полученные деньги Циолковский соорудил новую воздуходувку с квадратным сечением рабочей части размером 71×71 см2. «Сделаны были и измерительные приборы, — и все это чуть не 6 раз переделывалось и перестраивалось, пока не получился воздушный поток достаточно удовлетворительный». К концу 1900 года начались опыты, а в декабре 1901 года Циолковский представил Академии отчет по части выполненной им программы.

В пояснениях, сделанных Циолковским к этой работе, мы можем прочесть: «Опытами по сопротивлению воздуха я занимаюсь уже 15 лет с лишком. ...Для своих последних опытов (1900—1901) я употребил большую лопастную воздуходувную машину, вроде веялки. Такой же вентилятор я употреблял и ранее (1897—1898), только значительно меньших размеров. Площадь поперечного сечения воздушного потока в настоящее время увеличена в 4 раза. ...Мне пришлось произвести несколько десятков тысяч записей при своих опытах».

Циолковский в своих экспериментах детально обследовал силы сопротивления для серии плоских пластинок, круглых и эллиптических цилиндров, моделей дирижаблей с различным удлинением и различной геометрической формой головки и кормовой части. Специальному экспериментальному изучению была подвергнута модель дирижабля Шварца, имевшего цилиндрическую среднюю часть и конические нос и кормовую часть. В этих опытах, проводившихся Циолковским без техников и лаборантов, своими руками, были выявлены важнейшие закономерности аэродинамики дозвуковых скоростей. Было доказано, что сила сопротивления плохо обтекаемых тел растет пропорционально квадрату скорости и некоторой характерной для каждого тела площади (например, площади плоской пластинки, площади поперечного сечения модели дирижабля и т. п.). Несмотря на то что в опытах Циолковского скорость воздушного потока изменялась в очень малом диапазоне, ему удалось показать, что сила сопротивления трения меняется в зависимости от произведения скорости воздушного потока и характерного линейного размера тела в некоторой степени; причем показатели степени у скорости и длины одинаковы. Если учесть, что Циолковский производил свои опыты, как он писал Академии наук, примерно в одинаковых условиях (давление и температура воздуха), то сделанные им выводы впервые установили зависимость аэродинамического сопротивления трения от числа Рейнольдса. В современной аэродинамике представление коэффициента сопротивления трения в функции числа Рейнольдса стало общепринятым. Циолковский в ряде своих аэродинамических работ подчеркивал «аналогию между сопротивлением воды и воздуха». В наши дни для небольших дозвуковых скоростей потока этот факт установлен совершенно строго.

С горечью приходится отметить, что большинство результатов Циолковского по экспериментальной аэродинамике не было опубликовано в дореволюционной России и поэтому многие выводы о законах сопротивления воздуха были найдены повторно в XX столетии другими авторами.

Основные работы по цельнометаллическому дирижаблю были выполнены Циолковским в г. Боровске. В 1892 году Константин Эдуардович переехал в г. Калугу, где он в одной из комнат своей квартиры провел грандиозную (для одного человека) программу аэродинамических исследований и экспериментов.

Странной и малопонятной казалась жизнь К. Э. Циолковского обывателям русских провинциальных дореволюционных городов Боровска и Калуги. Его изобретения, эксперименты, научное творчество, созидание новых духовных ценностей не встречали поддержки и сочувствия среди «благонамеренных и аккуратных» городских обывателей.

В г. Боровске летом 1886 года Константин Эдуардович, увлеченный идеями воздухоплавания, построил большую летающую птицу — ястреба с размахом крыльев около 70 см. Этот ястреб прекрасно летал. Дети и взрослые толпой шли глядеть, как Циолковский запускал на улице своего ястреба. Ночью Циолковский заставлял летать ястреба с фонарем. Обыватели видели движущуюся звезду и спорили: «Что это: звезда или чудак учитель пускает свою птицу с огнем?»

Погруженный в свои размышления, чему, несомненно, способствовала и глухота, ученый часто не замечал на улице коллег по работе в школе, знакомых, начальства. Был рассеян и нередко забывал различные вещи и книги.

«Однажды я поздно возвращался от знакомого. Это было накануне солнечного затмения в 1887 году. На улице, по которой я шел, стоял колодец. Около него что-то блестело. Подхожу и вижу, в первый раз, ярко светящиеся большие гнилушки! Набрал их полный подол и пошел домой. Раздробил гнилушки на кусочки и разбросал их по комнате. В темноте было впечатление звездного неба»... «А утром ищу зонтик, чтобы выйти на улицу, а его нет. Потом уже вспомнил, что зонт оставил у колодца. За него получил гнилушки и звездное небо», — сквозь улыбку замечает Константин Эдуардович в своей автобиографии.

Он был полон идей. Весьма деятелен и энергичен, хотя внешне казался спокойным и уравновешенным. Выше среднего роста с длинными волосами и черными, немного печальными глазами, он был неловок и застенчив в обществе. У него было мало друзей. В г. Боровске он близко сошелся с коллегой по школе Е. С. Еремеевым, позднее в г. Калуге ему много помогали В. И. Ассонов, П. П. Каннинг и С. В. Щербаков. Однако при защите своих идей он был решителен и настойчив, мало считаясь с пересудами коллег и обывателей.

Зима. Изумленные боровские жители видят, как на коньках по замерзшей реке мчится учитель уездного училища Циолковский. Он воспользовался сильным ветром и, распустив зонт, катится со скоростью курьерского поезда, влекомый силой ветра. «Всегда я что-нибудь затевал. Вздумал я сделать сани с колесом так, чтобы все сидели и качали рычаги. Сани должны были мчаться по льду. Потом я заменил это сооружение особым парусным креслом. По реке ездили крестьяне. Лошади пугались мчащегося паруса, проезжие ругались. Но по глухоте я долго об этом не догадывался. Потом уже, завидя лошадь, поспешно убирал парус».

Почти все сослуживцы по школе и представители местной интеллигенции считали Циолковского неисправимым фантазером и утопистом. Более злые называли его дилетантом и кустарем. Идеи Циолковского казались обывателям невероятными. «Он думает, что железный шар поднимется в воздух и полетит. Вот чудак!»

Ученый всегда был занят, всегда трудился. Если не читал и не писал, то работал на токарном станке, паял, строгал, мастерил для своих учеников много действующих моделей. «...Сделал огромный воздушный шар из бумаги. Спирта достать не смог. Поэтому внизу шара приспособил сетку из тонкой проволоки, на которую клал несколько горящих лучинок. Шар, имевший иногда причудливую форму, поднимался вверх, насколько позволяла привязанная к нему нитка. Однажды нитка перегорела и шар мой умчался в город, роняя искры и горящую лучину. Попал на крышу сапожнику. Сапожник заарестовал шар».

Обыватели смотрели на все опыты Циолковского как на курьезы и баловство, многие, не размышляя, считали его чудаком и «немножко тронутым». Нужны были изумительная энергия и настойчивость, величайшая вера в пути прогресса техники, чтобы в таком окружении и в тяжелых, почти нищенских условиях ежедневно работать, изобретать, вычислять, двигаясь все вперед и вперед.

Первые шаги в науке

Константин Эдуардович Циолковский — выдающийся русский ученый, исследователь огромной трудоспособности и настойчивости, человек большого таланта. Широта и богатство творческой фантазии сочетались у него с логической последовательностью и математической точностью суждений. Это был подлинный новатор в науке. Наиболее важные и жизнеспособные исследования Циолковского относятся к обоснованию теории реактивного движения. В последней четверти XIX и начале XX столетия, когда Константин Эдуардович создавал новую науку, определяющую законы движения ракет, и разрабатывал первые конструкции для исследования безграничных мировых пространств реактивными приборами, многие считали реактивные двигатели и ракетную технику делом бесперспективным и ничтожным по своему практическому значению, а ракеты — пригодными лишь для увеселительных фейерверков и иллюминаций.

Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857 года в селе Ижевском, Спасского уезда, Рязанской губернии, в семье лесничего Эдуарда Игнатьевича Циолковского. О своих родителях Циолковский писал: «Отец всегда был холоден, сдержан. Среди знакомых он слыл умным человеком и оратором. Среди чиновников -красным и нетерпимым по своей идеальной честности... У него была страсть к изобретательству и строительству. Меня еще не было на свете, когда он придумал и устроил молотилку. Увы, неудачно! Старшие братья рассказывали, что он строил с ними модели домов и дворцов. Всякий физический труд отец в нас поощрял, как и вообще самодеятельность. Мы почти все делали сами. Мать была совершенно другого характера — натура сангвиническая, горячка, хохотунья, насмешница и даровитая. В отце преобладал характер, сила воли, в матери — талантливость».

Первые годы детства Константина Эдуардовича были счастливыми. Он был живым, смышленым ребенком, предприимчивым и впечатлительным. Летом мальчик строил с товарищами в лесу шалаши, любил лазить на заборы, крыши и деревья. Много бегал, играл в мяч, лапту, городки. Часто запускал змея и отправлял ввысь по нитке «почту» — коробочку с тараканом. Зимой с увлечением катался на коньках.

Циолковскому было лет восемь, когда мать подарила ему крошечный воздушный шар (аэростат), выдутый из коллодиума и наполненный водородом. Будущий создатель теории цельнометаллического дирижабля с удовольствием занимался этой игрушкой. Вспоминая об этих годах детства, Циолковский писал: «Я страстно любил читать и читал все, что можно было достать... Любил мечтать и даже платил младшему брату за то, чтобы он слушал мои бредни. Мы были маленькие, и мне хотелось, чтобы и дома, и люди, и животные — все тоже было маленькое. Потом я мечтал о физической силе. Я мысленно высоко прыгал, взбирался, как кошка, на шесты, по веревкам. Мечтал о полном отсутствии силы тяжести».

На десятом году жизни — в начале зимы — Циолковский, катаясь на санках, простудился и заболел скарлатиной. Болезнь была.тяжелой, и вследствие ее осложнения мальчик почти совершенно потерял слух. Глухота не позволила продолжать учебу в школе. «Глухота делает мою биографию малоинтересной, — пишет позднее Циолковский, — ибо лишает меня общения с людьми, наблюдения и заимствования. Моя биография бедна лицами и столкновениями». С 10 до 14 лет жизнь Циолковского была «самым грустным, самым темным временем».

С 14 лет Константин Эдуардович начал заниматься самостоятельно, пользуясь небольшой библиотекой своего отца, в которой были книги по естественным наукам и по математике. Тогда же в нем пробуждается страсть и к изобретательству. Он строит воздушные шары из тонкой папиросной бумаги, делает маленький токарный станок и конструирует коляску, которая должна была двигаться при помощи ветра. Модель коляски прекрасно удалась и двигалась на крыше по доске, даже против ветра, «Проблески серьезного умственного сознания, — пишет Циолковский об этом периоде своей жизни, — проявились при чтении. Так, лет четырнадцати я вздумал почитать арифметику, и мне показалось все там совершенно ясным и понятным. С этого времени я понял, что книги — вещь немудреная и вполне мне доступная. Я стал разбирать с любопытством и пониманием некоторые отцовские книги по естественным и математическим наукам. И вот меня увлекает астролябия, измерение расстояния до недоступных предметов, снятие планов, определение высот. И я устраиваю астролябию — угломер. С помощью нее, не выходя из дома, определяю расстояние до пожарной каланчи. Нахожу 400 аршин. Иду и проверяю. Оказывается верно. С этого момента я поверил теоретическому знанию».

Выдающиеся способности, склонность к самостоятельной работе и несомненный талант изобретателя заставили родителей К. Э. Циолковского задуматься над его будущей профессией и дальнейшим образованием. Константину Эдуардовичу было 16 лет, когда отец решил отправить его в Москву для знакомства с промышленностью и продолжения самообразования. Один из лучших знатоков биографии Циолковского инженер Б. Н. Воробьев пишет: «Как и многие юноши и девушки, стекавшиеся в столицу для получения образования, он был полон самых радужных надежд. Но никто и не думал обращать внимание на молодого провинциала, всеми силами стремившегося к сокровищнице знаний. Тяжелое материальное положение, глухота и практическая неприспособленность к жизни меньше всего способствовали выявлению его талантов и способностей».

Из дома Циолковский получал 10—15 рублей в месяц. Питался одним черным хлебом, не имел даже картошки и чаю. Зато покупал книги, реторты, ртуть, серную кислоту и прочее для различнейших опытов и самодельных приборов. «Я помню, — пишет Циолковский в своей биографии, — что, кроме воды и черного хлеба, у меня тогда ничего не было. Каждые три дня я ходил в булочную и покупал там на 9 копеек хлеба. Таким образом, я проживал в месяц 90 копеек...» «Все же я был счастлив своими идеями, и черный хлеб меня нисколько не огорчал».

Кроме проведения опытов по физике и химии, Циолковский много читал; он тщательно изучал курсы начальной и высшей математики, аналитической геометрии, высшей алгебры. Часто, разбирая какую-нибудь теорему, Циолковский старался сам найти доказательство. Это ему больше нравилось, хотя и удавалось не всегда. В эти годы зарождается у Циолковского мысль о завоевании человеком мировых пространств. Был момент, когда ему показалось, что можно подняться в космическое пространство, используя свойства центробежной силы.

Механизм придуманного Циолковским прибора состоял из закрытой камеры или ящика, в котором вибрировали два повернутых вверх маятника с массивными шарами на концах. Шары двигались по дугам окружностей, а центробежная сила шаров должна была, по мысли юноши, поднимать кабину и нести ее в межпланетное пространство.

«Я был так взволнован, даже потрясен, что не спал всю ночь — бродил по Москве — и все думал о великих следствиях моего открытия. Но уже к утру я убедился в ложности моего изобретения. Разочарование было так же сильно, как и очарование. Эта ночь оставила след на всю мою жизнь; через 30 лет я еще вижу иногда во сне, что поднимаюсь к звездам на моей машине и чувствую такой же восторг, как в ту незапамятную ночь».

Необходимо отметить, что к занятиям по высшей математике, механике, физике, химии Циолковский пришел под влиянием своих изобретательских предложений. Так, изучение аэродинамики он начал для обоснования аэродинамического расчета дирижабля; органическую химию Циолковский подробно штудировал в поисках наиболее калорийных топлив для реактивных двигателей, а его исследования по астрономическим вопросам обусловлены постоянным вниманием к межпланетным путешествиям. В одной из своих работ он пишет, что «мысль о сообщении с мировым пространством не оставляла меня никогда. Она побудила меня также заниматься высшей математикой». Таким образом, на общеинженерный цикл дисциплин (математика, механика, физика, химия) К. Э. Циолковский смотрел как на необходимый инструмент ученого при конкретных исследованиях технических проблем.

Вот некоторые из вопросов, которые особенно занимали молодого Циолковского:
«Нельзя ли практически воспользоваться энергией движения Земли? Тогда же я нашел ответ: — Нельзя.
Нельзя ли устроить поезд вокруг экватора, в котором не было бы тяжести от центробежной силы? Ответил сам себе отрицательно: нельзя. Этому помешает сопротивление воздуха и многое другое.
Нельзя ли строить металлические аэростаты, не пропускающие газа и вечно носящиеся в воздухе? Ответил: можно.
Нельзя ли эксплуатировать в паровых машинах высокого давления мятый пар? Ответил также, что можно».

Обращает внимание крайняя независимость и самостоятельность юноши. Он сам составлял программу своих теоретических занятий и необходимых опытов. Работая систематически в библиотеке, он широко пользовался известными в XIX веке учебниками по механике, физике, химии и математике, написанными выдающимися русскими учеными — деятелями высшей школы. Так, после изучения курса физики средней школы Циолковский тщательно проработал курс наблюдательной физики профессора Петербургского университета Ф. Ф. Петрушевского, а по химии он тщательно конспектировал знаменитую книгу профессора Д. И. Менделеева «Основы химии». Учился Циолковский совершенно самостоятельно. «Учителей у меня не было. Меня можно считать самоучкой чистой крови», — писал Константин Эдуардович профессору Н. А. Рынину в 1926 году.

Странный вид имел он в эту пору своей жизни. Константин Эдуардович вспоминает: «Благодаря главным образом кислотам я тогда ходил в штанах с желтыми пятнами и дырами. Мальчики на улице замечали мне — что это, мыши что ли изъели ваши брюки? — Затем носил длинные волосы, просто оттого, что некогда было их стричь». «Что я читал в Москве и чем увлекался? — пишет в автобиографии Циолковский. — Прежде всего точными науками. ...Известный публицист Писарев заставлял меня дрожать от радости и счастья... Из беллетристических произведений наибольшее впечатление производили на меня романы и рассказы Тургенева, в особенности его «Отцы и дети».

Учась в Москве, Циолковский вел переписку с отцом, «был счастлив своими мечтами и никогда не жаловался». Он брал в публичных библиотеках книги и журналы. В автобиографии Циолковский пишет: «Помню механику Вейсбаха и Брашмана, ньютоновские «Принципы» и другие. Из журналов за все годы перечитал: «Современник», «Дело», «Отечественные записки». Эти журналы имели на меня громадное влияние».

Кто-то из знакомых семьи Циолковских, будучи в Москве, встретил Константина на улице и был поражен его худобой и утомленным видом. Константин Эдуардович вспоминает: «Отец пригласил меня «под благовидным предлогом» приехать к семье». «Дома обрадовались, только изумились моей черноте. Очень просто — я «съел» весь свой жир».

Результатом постоянного недоедания было сильное физическое истощение и расстройство зрения. Именно с этих пор Циолковский начал носить очки.

Три года прожил Циолковский в Москве, а затем, вернувшись домой к отцу, стал давать частные уроки по математике и физике плохоуспевающим гимназистам. Несомненные педагогические способности и хорошие отзывы об этих частных уроках решили вопрос о выборе профессии. Осенью 1879 года Константин Эдуардович сдал экстерном экзамен на звание учителя народного училища, а месяца через четыре он был назначен на должность учителя арифметики и геометрии в Боровское уездное училище Калужской губернии.

По рекомендации жителей Боровска Циолковский «попал на хлеба к одному вдовцу с дочерью, жившему на окраине города» Е. Н. Соколову. Ему сдали две комнаты и стол из супа и каши. Дочь Соколова Варя была ровесницей Циолковского — моложе его всего на два месяца. Ее характер, трудолюбие пришлись по душе Константину Эдуардовичу, и вскоре Циолковский на ней женился. В автобиографии он пишет: «Венчаться мы ходили за 4 версты пешком, не наряжались. В церковь никого не пускали. Вернулись — и никто о нашем браке ничего не знал... Помню, в день венчания купил у соседа токарный станок и резал стекло для электрических машин. Все же про свадьбу как-то пронюхали музыканты. Насилу их выпроводили. Напился только венчавший поп. И то угощал его не я, а хозяин».

В своей квартире в Боровске Циолковский устроил маленькую лабораторию. У него в доме сверкали электрические молнии, гремели громы, звонили колокольчики, загорались огни, вертелись колеса и блистали иллюминации. Константин Эдуардович «... предлагал желающим попробовать ложкой невидимого варенья. Соблазнявшиеся угощением получали электрический удар. Посетители любовались и дивились на электрического осьминога, который хватал всякого своими лапами за нос или за палец, и тогда у попавшего к нему в «лапы» волосы становились дыбом и выскакивали искры из любой части тела».

В 1881 году 24-летний Циолковский самостоятельно разработал основы кинетической теории газов. Работу он послал в Петербургское физико-химическое общество, где она получила одобрение видных членов общества, в том числе и гениального русского химика Менделеева. Однако важные открытия, сделанные Циолковским в глухом провинциальном городке, не представили новости для науки; аналогичные открытия были сделаны несколько раньше в Германии. За вторую научную работу, названную «Механика животного организма», Циолковского единогласно избирают членом физико-химического общества. Эту моральную поддержку своим первым научным исследованиям Циолковский вспоминал с благодарностью всю свою жизнь. В предисловии ко второму изданию своей работы «Простое учение о воздушном корабле и его построении» Константин Эдуардович писал: «Содержание этих работ несколько запоздало, т. е. я сделал самостоятельно открытия, уже сделанные ранее другими. Тем не менее общество отнеслось ко мне с большим вниманием, чем поддержало мои силы. Может быть, оно и забыло меня, но я не забыл гг. Боргмана, Менделеева, Фан-дер-Флита, Петрушевского, Бобылева и в особенности Сеченова».

В 1883 году Константин Эдуардович написал в форме научного дневника работу «Свободное пространство», в которой он подверг систематическому изучению ряд задач классической механики в пространстве без действия силы тяжести и сил сопротивления. В этом случае основные характеристики движения тел определяются только силами взаимодействия между телами данной механической системы и особое значение для количественных выводов приобретают законы сохранения основных кинетических величин: количества движения, момента количества движения и кинетической энергии.

Циолковский дает многочисленные примеры и красочные описания явлений в пространстве без действия внешних сил. Вот некоторые из его записей:

24 февраля 1883 года...— «В свободном пространстве наблюдаемое тело не давит на опору и обратно. Поэтому, если бы в свободном пространстве нужны были жилища, то, как бы они ни были велики, они не могли сами собой разрушиться от своей непрочности. Целые горы и дворцы, произвольной формы и величины, могли бы держаться без всякой поддержки и связи с опорою. Если я встану на острие у поверхности Земли, то оно проколет мою ногу; если же это случится в свободном пространстве, то мое тело не будет давить на иглу и там я могу стоять на острие штыка так же спокойно, как на ровном полу.
На земле в руках я не удержу 4 пуда, а в свободном пространстве тысяча пудов нисколько не отяготит мою руку или мой мизинец.

...В свободном пространстве нет ни верха, ни низа... Там нельзя сказать: я поднимаюсь, я опускаюсь, я выше, вы ниже; ...там маятник не качается и часы не ходят. Но время можно отлично узнавать посредством карманных часов или, вообще, посредством часов, у которых маятник качается не силой тяжести, а упругостью стальной пружины».

Движение тел в свободном пространстве может происходить только за счет обмена количествами движения между отдельными телами. Здесь будет справедлива теорема теоретической механики о сохранении количества движения.

В самом деле, если механическая система находится под воздействием только внутренних сил, тогда теорема об изменении количества движения системы дает:2015-06-09 12-18-46 Скриншот экрана,откуда следует: 2015-06-09 12-19-35 Скриншот экрана (1), где 2015-06-09 12-20-37 Скриншот экрана —начальное количество движения системы. Формула (1) выражает закон сохранения количества движения.

Если в начальном положении скорости всех точек (тел) системы были равны нулю, тогда 2015-06-09 12-21-57 Скриншот экрана и, следовательно, в любой момент движения такой системы ее количество движения также будет равно нулю.

Представим себе, что в свободном пространстве имеется всего два тела: человек, вес которого на Земле равен 80 кГ, и камень весом 1 кГ. Пусть в начальный момент времени скорости человека и камня равны нулю. Если затем человек бросит камень, сообщив ему, например, скорость 16 м/сек, то он сам начнет двигаться в противоположную сторону. Из закона сохранения количества, движения (1) в проекции на прямую, по которой движутся человек и камень, мы получим:

2015-06-09 12-23-56 Скриншот экрана

откуда

2015-06-09 12-25-54 Скриншот экрана(2)
где р — вес на Земле камня, а Р — вес человека. Из формулы (2) следует, что величина скорости человека будет равна 1/5 м/сек, или 20 см/сек.

Рассмотрение этого примера показывает нам, что для перемещения в свободном пространстве наиболее естественным является способ отбрасывания кусков материи, т. е. реактивный способ сообщения движения. Если частицы вещества отбрасывать непрерывно, то мы получим простейшую ракету. Это осознал и Циолковский. Вот его запись от 28 марта 1883 года: «...Положим, что дана бочка, наполненная сильно сжатым газом. Если отвернуть один из ее тончайших кранов, то газ непрерывной струей устремится из бочки, причем упругость газа, отталкивающая его частицы в пространство, будет также непрерывно отталкивать и бочку. Результатом этого будет непрерывное изменение движения бочки.

...Посредством достаточного количества кранов (шести) можно так управлять отбрасыванием газа, что движение бочки или полого шара будет совершенно зависеть от желания управляющего кранами, т. е. бочка может описать какую угодно кривую и по какому угодно закону скоростей... Вообще, равномерное движение по кривой или прямолинейное неравномерное движение сопряжено в свободном пространстве с непрерывною потерею вещества».

В этих записях Циолковского еще нет количественных зависимостей, все рассуждения и утверждения носят чисто качественный характер. Основой всех этих заключений являются известные в теоретической механике законы сохранения количества движения и момента количества движения для механических систем, находящихся под действием только внутренних сил (сил взаимодействия). Но совершенно очевидно, что реактивный способ сообщения движения привлекал внимание Константина Эдуардовича на самых первых ступенях его самостоятельной научной деятельности.

Позднее (в 1897 году) эти качественные суждения будут облечены Циолковским в строгую математическую форму и числовые расчеты дадут точную инженерную оценку преимуществ ракеты.

Начало самостоятельной научной работы протекало у Циолковского в очень своеобразных условиях. С точки зрения какого-нибудь правоверного доктринера от науки, заниматься научным творчеством Циолковскому вообще было невозможно. В самом деле, представьте себе тихий провинциальный городок Боровск в восьмидесятых годах прошлого века, расположенный вдали от магистральных дорог страны. Ни библиотеки, ни научных журналов, ни лабораторий. Он учитель городского двухклассного училища, программы которого по физике и математике касаются только самых элементарных истин. Интересы коллег не поднимаются выше обсуждений чисто методических вопросов. Газеты приходят с недельным опозданием. И Циолковский делает почти невероятное! Пользуясь отдельными замечаниями о новых вопросах науки в учебниках, собственным запасом наблюдений в Москве, развивая последовательно принятую им методику самостоятельных доказательств и исследований уже известного, он начинает чувствовать новые насущные проблемы научно-технического прогресса. Возникшую идею Циолковский не может проверить по изданной литературе — ее в Боровске просто нет — он ведет все исследование от начала до логического конца самостоятельно, в полной уверенности, что родившаяся у него идея нова и никем не обследована. В случае удачи работа оформляется и отправляется на суд официальной науки в столицу.

«Сначала я делал открытия давно известные, потом не так давно, а затем и совсем новые», — пишет Циолковский в своей автобиографии. Совпадение найденных результатов с открытиями других ученых лишь убеждало его в собственных силах, собственном таланте.

Циолковский имел прекрасную память, сохранившуюся до самых последних дней его жизни. В зрелом возрасте он не любил делать большие выписки из работ других авторов. Уловив основную мысль какой-нибудь работы или ознакомившись с постановкой какой-либо интересной задачи, он предпочитал собственные доказательства, проводимые независимо и самостоятельно. Такой способ освоения добытых наукой данных требовал колоссального количества умственной энергии, но Циолковский предпочитал его другим.

Уже в первых работах Константина Эдуардовича виден самобытный, оригинальный ум. Он умеет выбирать темы для размышлений и находить решения, Открывающие новые пути в науке. Характерна для него ясная и отчетливая постановка научно-технических проблем. Для популяризации своих идей он обычно использует красочные примеры, убедительно раскрывающие суть дела. Для доказательств используются самые простые математические средства. Полученные результаты и следствия из них подвергаются тщательному анализу. Циолковский умел видеть за теоретическими расчетами подлинную горячую жизнь техники, борьбу заскорузлых, отмирающих академических школ с новыми идеями. Он умел настойчиво и последовательно добиваться победы нового в труднейших условиях творческого труда. Его крайняя самостоятельность и оригинальность в научных исканиях граничат иногда с пренебрежением к общепринятым нормам. Однако он тщательно разбирает все критические замечания оппонентов по достигнутым им результатам и умеет аргументированно отстаивать свои научные убеждения. Циолковский глубоко принципиален в своих творческих исканиях, а его умение самостоятельно работать над научными проблемами — великолепный пример для всех начинающих. Его первые шаги в науке, сделанные в труднейших условиях, — это шаги большого мастера, революционного новатора, зачинателя новых направлений и в науке и в технике.

Константин Эдуардович Циолковский — основоположник теории полета ракет

Мы — современники величайшей научно-технической революции. Овладение процессами преобразования внутриядерной энергии, создание межконтинентальных и космических ракет, освоение серийного производства сверхзвуковых реактивных самолетов, разнообразные, порой прямо фантастические возможности быстродействующих электронных вычислительных машин, успехи радиолокации и телеуправления невероятно ускорили научно-технический прогресс. Пробуждены и организованы такие силы промышленности и науки, о которых даже не могли мечтать в предшествующие периоды истории человеческого общества.

В основе величайших научных открытий, революционное значение которых человечество начинает осознавать во всей широте и многогранности только в последние 20—30 лет, лежат в сущности простые явления природы, которые доступны пониманию каждого культурного человека. Главное содержание сделанных научно-технических открытий теперь уже проверено жизнью, практикой, и в этом состоит колоссальное могущество этих областей науки и техники и неограниченные возможности дальнейших усовершенствований, открытий и изобретений.

В изысканиях основных научно-технических фактов и законов, развитие применений которых в наши дни обогащает все новые отрасли науки и техники, объединялись усилия и творческие таланты ученых, инженеров и изобретателей многих стран.

Этот очерк посвящен рассказу о жизни, научной и изобретательской работе знаменитого деятеля русской науки Константина Эдуардовича Циолковского, основоположника современной теории полета ракет (ракетодинамики).

Константин Эдуардович Циолковский (1857—1935)

Константин Эдуардович Циолковский (1857—1935)

Три научно-технические проблемы стояли в центре творческих исканий Константина Эдуардовича: цельнометаллический дирижабль, аэроплан и ракета для межпланетных сообщений. Наиболее выдающиеся и прогрессивные открытия сделаны Циолковским в теории реактивного движения. Его эскизы реактивных летательных аппаратов, созданные методы изучения динамики полета ракет и исследования возможностей межпланетных путешествий получили широкую известность и мировое признание. Печатью оригинальности, самобытности и блестящего таланта отмечены эти открытия Константина Эдуардовича.

При изучении творческой биографии Циолковского поражает великая и всепоглощающая страсть исследователя, которая поддерживала Константина Эдуардовича в самые тяжелые моменты его жизни.  Он писал: «Жизнь несла мне много горестей и только душа, кипящая радостным миром идей, помогла мне их перенести».

Работы Циолковского по ракетодинамике написаны с широким русским размахом и необычайным взлетом фантазии. Его первые оригинальные расчеты, относящиеся к движению ракет были сделаны в конце XIX столетия и опубликованы в 1903 году. Он первый понял и строго доказал преимущества реактивных двигателей для больших скоростей полета. Из математических расчетов Циолковского следует что для достижении заатмосферных высот и осуществления космических путешествий ракета является самым многообещающим техническим решением.

В задачах теории реактивного движении, рассмотренных Циолковским, выводы логически безупречны и обоснованы подробными вычислениями. «Без вычислений я никогда не обходился. Они направляли мою мысль и мечту», — писал в одной из своих статей по ракетодинамике  Константин Эдуардович.

Великий человек, владея объективными методами науки, предвидит дальнейшее научно-техническое развитие общества. Плодотворные идеи Циолковского реализуются на наших глазах в виде разнообразных конструкций ракет дальнего действия, космических ракет, реактивных управляемых снарядов для противовоздушной обороны и все более совершенных реактивных сверхзвуковых самолетов.

4 октября 1957 года человечество вступило в новую эру — эру экспериментального изучения космического пространства при помощи реактивных летательных аппаратов. В этот день был выведен на эллиптическую орбиту первый в мире советский искусственный спутник Земли. Впервые в истории человечества была достигнута первая космическая скорость полета, равная 8000 м/сек. Вместе со спутником вышла на орбиту последняя ступень межконтинентальной баллистической ракеты, которая была использована в качестве ракеты-носителя,

2 января 1959 года советская наука и техника одержали новую замечательную победу: в СССР был осуществлен первый космический полет. В этом полете последняя ступень ракеты-носителя с многочисленными научными приборами достигла второй космической скорости, равной 11 200 м/сек, прошла вблизи Луны и стала спутником Солнца,  т. е. новой малой планетой солнечной системы.

Вторая советская космическая ракета, успешный пуск которой был осуществлен 12 сентября 1959 года, положила начало эпохе межпланетных сообщений. Последняя ступень ракеты-носителя прошла расстояние от Земли до Луны по траектории, близкой к расчетной, и 14 сентября в 0 ч. 02 мин 24 сек по московскому времени достигла поверхности Луны — прилунилась.

Весь мир называет теперь контейнер второй космической ракеты, достигший Луны, первым советским лунником.

В ознаменование этой выдающейся победы советской науки и техники на поверхность Луны был доставлен вымпел с изображением герба Советского Союза и надписью «Союз Советских Социалистических Республик. Сентябрь, 1959 год».

Третья советская космическая ракета, стартовавшая утром 4 октября 1959 года в день двухлетнего юбилея запуска первого в мире советского искусственного спутника Земли, вывела на облетную траекторию, охватывавшую Землю и Луну, автоматическую межпланетную станцию. На этой станции были помещены многочисленные научные приборы, при помощи которых осуществлялись научные исследования космического пространства в окрестностях Земли и Луны.  При первом облете Луны было произведено фотографирование обратной стороны Луны, невидимой с Земли. (Луна при своем движении вокруг Земли обращена к Земле всегда одной и той же стороной, и поэтому фотографирование невидимой с Земли стороны Луны можно выполнить только с межпланетного корабля.)

Успешные полеты советских искусственных спутников Земли и космических кораблей позволили нашей стране начать 12 апреля 1961 года космические полеты человека. Первооткрывателем космических трасс был летчик-космонавт Герой Советского Союза Юрий Алексеевич Гагарин. На управляемом космическом корабле «Восток-1» он совершил облет земного шара (первое в мире кругосветное путешествие) за 89,1 мин и благополучно приземлился в заданном программой районе. К середине 1963 года в Советском Союзе прошли успешные полеты уже шести пилотируемых космических кораблей, причем шестой пилотируемый корабль «Восток-6» впервые в мире управлялся женщиной-космонавтом Героем Советского Союза Терешковой Валентиной Владимировной.

Основные данные о шести первых полетах советских космонавтов (удаление от поверхности Земли, продолжительность полета, число оборотов вокруг Земли и т.д.)

Основные данные о шести первых полетах советских космонавтов (удаление от поверхности Земли, продолжительность полета, число оборотов вокруг Земли и т.д.)

Мы можем гордиться этими замечательными достижениями советских людей, достижениями советской науки и техники.

Н. С. Хрущев, приветствуя советских космонавтов в связи с осуществлением первого в мире группового полета летчиками-героями Николаевым А. Г. и Поповичем П. Р., сказал: «Советских людей особенно радует, что именно нашему Советскому государству, нашему народу выпала честь совершить такой исторический подвиг. Нашему народу удалось подготовить страну в промышленном, научно-техническом, культурном отношении и главное — подготовить ученых, конструкторов, инженеров, рабочих, которые смогли создать такие совершенные космические корабли, на которых стало возможным осуществить беспримерные полеты. Наша страна воспитала нового человека. Он мастерски владеет новейшими достижениями науки, умело управляет космическими кораблями и совершает подвиги, которые восхищают все человечество».

Советская научно-техническая мысль стоит теперь во главе мирового прогресса в области ракетной техники. Современные достижения советских ракетостроителей неотделимы от истории развития нашей страны, борьбы нашего народа за создание материально-технической базы коммунизма, истории научно-технического прогресса в России и СССР.

Ракетная техника в России прошла поучительный путь развития. Еще в первой половине XIX века трудами выдающихся военных инженеров А. Д. Засядко и К. И. Константинова были созданы боевые пороховые ракеты с реактивными двигателями на черном дымном порохе. Эти ракеты производились в ракетных заведениях тысячами и применялись в частях русской армии в течение всего XIX века.

В трагических условиях тюремного каземата, за несколько дней перед казнью, народоволец, талантливый химик Н. И. Кибальчич предложил в 1881 году устройство реактивного корабля, движущегося при помощи пороховых ракет.

В конце XIX и начале XX века исследованиями Константина Эдуардовича Циолковского и Ивана Всеволодовича Мещерского были заложены основы новых наук — ракетодинамики и механики переменной массы. Динамика прямолинейных движений ракет дальнего действия с жидкостным реактивным двигателем была детально разработана Циолковским. Мещерский в своих основных трудах, опубликованных в 1897 и 1904 годах, дал основные уравнения динамики точки переменной массы.

Большое значение для развития ракетной техники имеют работы Ф. А. Цандера, Ю. В. Кондратюка, В. П. Ветчинкина и других, опубликованные в 1924—1955 годах в различных советских научно-технических сборниках и журналах. Историю развития ракетной техники изложил профессор Н. А. Рынин в своем девятитомном энциклопедическом труде «Межпланетные сообщения».

Современное ракетостроение достигло больших успехов в освоении серийного производства мощных ракет и реактивных двигателей, специальных горючих и окислителей, конструировании и производстве высокоточных приборов стабилизации и управления полетом, создании новых материалов и пластмасс.

Реактивные двигатели широко используются в современной авиации. Благодаря их применению стали возможны сверхзвуковые скорости полета и полеты на очень больших высотах.

Советские конструкторы первыми в мире создали реактивные самолеты с жидкостными реактивными двигателями. Советские пилоты первыми в мире не только освоили полеты на реактивных самолетах, но и выполнили фигуры высшего пилотажа и мастерски освоили групповой пилотаж. Максимальные скорости современных советских реактивных истребителей значительно превосходят скорость звука.

Вторая половина XX века является эпохой бурного развития ракетной техники. Наша страна имеет ракеты всех классов и назначений. Мы первыми создали, успешно испытали и наладили серийное производство межконтинентальных ракет. В нашей стране начиная с 1950 года ракеты используются для исследований верхних слоев атмосферы. Метеорологические ракеты, созданные в СССР, запускались в течение Международного геофизического года в различных районах страны, а также в Арктике и Антарктике. В Советском Союзе успешно осуществлены первые в мире космические полеты человека.

В наши дни при оценке путей дальнейшего развития ракетостроения полезно рассмотреть научно-технические изыскания пионеров ракетной техники. Они заложили своими трудами надежные основы прогресса этого направления технического развития для науки и промышленности всех стран.

Работы К. Э. Циолковского по ракетодинамике и теории межпланетных сообщений были первыми серьезными изысканиями в мировой научно-технической литературе. В этих исследованиях математические формулы и расчеты не затеняют глубоких и ясных идей, сформулированных оригинально и четко. Более полувека прошло со дня опубликования первых статей Циолковского по теории реактивного движения. Строгий и беспощадный судья — время лишь выявляет и подчеркивает грандиозность замыслов, своеобразие творчества и высокую мудрость проникновения в сущность новых закономерностей явлений природы, которые свойственны этим произведениям Константина Эдуардовича Циолковского. Его труды помогают осуществлять новые дерзания  науки и техники. Наша Родина может гордиться своим знаменитым ученым, зачинателем новых направлений в науке и промышленности.