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.