11,2
. Тогда, набрав эту скорость, ракета полетит дальше уже без затраты топлива — как брошенный камень или выстреленный снаряд. Следовательно, разогнавшись до нужной скорости, ракета затем бóльшую часть полета совершит «на холостом ходу», с выключенным двигателем. Только таким путем при современных видах топлива и можно достичь небесных тел.
На рисунке 9 изображена схема межпланетного корабля по проекту Циолковского. Это — огромная ракета, в передней части которой помещаются пассажиры, приборы, аппараты для дыхания, запасы продовольствия. Остальная часть ракеты занята топливными баками и ракетным двигателем.
Рис. 9. Схема космической ракеты Циолковского.
Циолковский предлагал использовать в качестве топлива жидкие вещества, занимающие сравнительно небольшой объем. В его проекте жидкий углеводород, игравший роль горючего, соединялся с окислителем — жидким кислородом. Возникающая при сжигании смеси двух веществ раскаленная газовая струя вытекает с большой скоростью из сопла ракеты и создает тем самым нужную реактивную тягу.
Ракета Циолковского — управляемый космический корабль. Регулируя скорость вытекания газов, можно изменять скорость полета ракеты. Если же в струе выходящих газов установить плоские рули из графита, то отражение этими рулями газовой струи приведет к изменению направления полета ракеты.
Таково устройство ракеты Циолковского. Способен ли, однако, такой космический корабль развить нужную скорость? Артиллерийский снаряд не может лететь быстрее, чем расширяются газы в стволе орудия. Иначе ведет себя ракета.
Теоретически говоря, ее скорость может быть сколь угодно большой. Увеличивая неограниченно отношение
и принимая скорость
с постоянной, мы можем сделать скорость
υ любой. Так, например, считая
с равной 4
, мы, при отношении
=100, получим, по формуле Циолковского,
υ примерно равным 8,5
, а увеличив отношение
до 10 000, найдем, что
υ возросло до 36,8
.
Практически же дело обстоит сложнее. В приведенных примерах вес ракеты без топлива составляет 0,01 или даже 0,0001 долю ее веса с топливом. Это означает, что полезному грузу, в частности пассажирам, в таком космическом корабле будет отведена лишь ничтожная его часть.
Если вспомнить, что в цистерне с керосином ее содержимое всего только в 13 раз тяжелее тары и даже в пчелиной ячейке тонкая восковая оболочка в 60 раз легче меда, то нереальность приведенных примеров становится очевидной.
В современных ракетных двигателях скорости истечения газовых струй достигают 2500 метров в секунду. Если принять, что с=2500
, то для достижения «скорости отрыва» необходимо, чтобы отношение
для космического корабля было равным 90, т. е. чтобы на долю пассажиров пришлась всего 1/90 часть веса ракеты. Ясно, что и такой корабль неосуществим.
Есть ли выход из этих затруднений, достижимы ли вообще космические скорости?
Одно из возможных решений — увеличение скорости вытекания газов из ракеты (с). Для этого необходимо увеличить теплотворную способность топлива, его калорийность, т. е. количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 кг топлива.
В настоящее время в реактивных двигателях в качестве горючего употребляются почти исключительно углеводороды и спирты, а в качестве окислителя используется кислород воздуха. Однако скорости истечения в таких двигателях еще сравнительно невелики. Так, например, в двигателях реактивных самолетов, работающих на бензине, скорость истечения продуктов горения не превышает 700–800
. Даже если в качестве окислителя применять жидкий кислород, то и тогда скорость истечения не превысит 2500
. Это — рекорд, который пока достигнут в данном вопросе.
В недалеком будущем удастся, по-видимому, использовать более калорийные топлива и тем самым получить большие скорости истечения.
Очень калорийным горючим является жидкий водород. При сжигании в кислороде он может обеспечить скорость истечения до 3,75
. К сожалению, водород обладает большим недостатком — его удельный вес очень мал. Так как жидкий водород в 15 раз легче воды, то для размещения этого топлива на космическом корабле потребуются огромные топливные баки, что сильно утяжелит ракету и, следовательно, затруднит ее полет. Вот почему жидкий водород вряд ли будет использован при межпланетных перелетах.
Гораздо выгоднее в этом отношении некоторые химические соединения водорода. Многого можно ожидать от металлических горючих, например, порошков алюминия, магния и других. При соединении с кислородом они выделяют весьма большие количества теплоты.
Есть окислитель еще более активный, чем даже сам кислород, — это фтор, химический элемент из так называемой группы галогенов. Любопытно, что фтор легко окисляет все вещества, включая кислород!
Фтор очень ядовит — в этом одно из препятствий к его использованию в межпланетных кораблях. И все-таки надо полагать, что фтористые соединения, в частности фтористый кислород, будут использованы как окислители. Найдет себе применение и озон, по своим окислительным свойствам также превосходящий кислород.
Подсчеты показывают, что применение наилучших из возможных химических топлив способно удвоить существующие скорости истечения, доведя их до 4–4,5
. Таков предел возможностей химического топлива.
Будем считать, что с=4,5
. Тогда по формуле Циолковского легко получить, что для скорости отрыва отношение
должно быть близко к 12. Как видите, выигрыш получился значительный, хотя конструктивные затруднения по существу сохранились.
В дальнейшем мы рассмотрим некоторые принципиально новые возможности решения проблемы, например, использование атомной энергии для реактивных двигателей, а сейчас остановимся на одном замечательном изобретении Циолковского, которое позволяет иным путем приблизиться к космическим скоростям.
Речь пойдет о так называемых составных ракетах.
Когда в прошлом полярные исследователи стремились достичь полюса, они применяли метод, несколько напоминающий идею составных ракет. В путь отправлялась большая группа путешественников, везущая с собой значительные запасы продовольствия. На определенных расстояниях друг от друга организовывались склады с таким количеством продовольствия, которое было необходимо для обратного возвращения. С каждой стоянки часть экспедиции возвращалась назад и лишь оставшаяся в конце концов небольшая группа исследователей штурмовала полюс. Так, например, были организованы антарктические экспедиции Амундсена и Роберта Скотта.
Представим себе теперь составную ракету Циолковского, состоящую из двух или нескольких звеньев, т. е. ракет, как бы вложенных друг в друга (рис. 10).
Рис. 10. Составная трехступенчатая ракета.
Рассмотрим, как летит двухступенчатая ракета.
При взлете с Земли
