Сначала опыты производились самым примитивным путем и при помощи очень грубых приборов, построенных изобретателем. Аэродинамические весы Циолковского для определения законов сопротивления воздуха движущимся телам представляли собой рычаг, вращающийся на вертикальной оси. На одном конце рычага он укреплял испытываемую модель — скажем, шар или куб, на другом — пластинку, которая служила мерилом сопротивления воздуха, или, как говорят, эталоном. Подбирая пластинки такого размера, чтобы рычаг не вращался при ветре, исследователь уравновешивал давление воздуха на модель и на эталон, а затем делал свои заключения.
«Опыты производились отчасти в комнате, отчасти на крыше, — вспоминал Циолковский. — Помню, как я был радостно взволнован, когда коэффициент сопротивления при сильном ветре оказался мал: я чуть кубарем не скатился с крыши и земли под собой не чувствовал».
При всем несовершенстве своих приборов Циолковский все-таки установил ряд интересных положений. Так, он нашел, что с увеличением продолговатости тела его сопротивление сначала, уменьшается, а затем возрастает под влиянием трения воздуха о поверхность тела. Затем он дал формулу для определения коэффициента трения воздуха в зависимости от скорости движения, определил коэффициент сопротивления ряда моделей аэростатов.
Опубликованные в специальной работе результаты опытов сводили на нет голословное утверждение Федорова о невозможности управлять воздушным кораблем. Не довольствуясь этим, Циолковский продолжал страстно пропагандировать свои идеи. Он выпустил книгу об управляемом аэростате.
В то же время Циолковский ищет и реального способа передвижения по воздуху. Твердо веруя в свой дирижабль, он на некоторое время увлекается идеей аэроплана.
В 1895 году он публикует замечательное сочинение «Аэроплан, или птицеподобная летательная машина», где дает чертежи и расчет самолета, удивительно приближающегося к современному типу. А через три года, в 1898 году, Циолковский выводит формулы теории ракетного движения и, таким образом, располагает, хотя бы и в плане теоретическом, возможностью решить вопрос о наиболее реальном средстве для межпланетных сообщений.
Через пять лет, в знаменитой статье «Исследование мировых пространств», Циолковский окончательно решает вопрос в пользу ракеты.
Этой проблемой Циолковский занимался неустанно все последнее десятилетие XIX века, и это были годы необычайного расцвета его творческой жизни. В середине этого десятилетия он получил место учителя в Калуге. Здесь и оставался до конца своей жизни необыкновенный ученый, изобретатель и исследователь.
В маленьком домике на краю города калужский учитель совершенствует методику своих аэродинамических опытов и убеждается, что для повышения точности исследования необходимо иметь регулярное течение воздушных струй, искусственный ветер. Так совершенно самостоятельно он приходит — вероятно, первым в мире — к идее «аэродинамической трубы». Такие трубы, или, как он называл сам их, «воздуходувки», Циолковский начал строить у себя в Калуге с 1897 года. Искусственный ветер в них создавался при помощи вентилятора. Вентилятор приводился в движение падающим грузом — изобретатель для осуществления своих грандиозных задач не располагал даже мотором. Испытываемая модель помещалась перед устьем трубы на поплавке, погруженном в воду. Давление ветра на модель измерялось при помощи простой нитки, привязанной к модели и перекинутой через блок; к другому концу нитки подвешивались грузы.
При помощи своих «воздуходувок» Циолковский сделал ряд ценнейших выводов о влиянии на сопротивление тел их диаметра, длины, формы и скорости.
Сейчас мы испытываем в таких же аэродинамических трубах не только модели. В больших трубах Центрального аэрогидродинамического института имени Жуковского помещаются большие самолеты. Наши расчеты несравненно точнее, а выводы глубже, чем у Циолковского. Тем более достойны удивления терпение, настойчивость и изобретательность Циолковского, который в своей, с современной точки зрения, несовершенной трубе получил все же хорошие результаты.
Одновременно Циолковский предложил гидростатический метод испытания моделей дирижаблей, основанный на том, что вода, налитая в модель оболочки, распирает ее изнутри так же, как легкий газ. Этот остроумный метод, придуманный Циолковским, теперь несколько усовершенствован и применяется при испытании. Модель вешают «вверх ногами» и наливают водой. Вода изображает при этом подъемную силу газа, с тем, конечно, отличием, что в то время, как подъемная сила газа в натуральном дирижабле тянет его кверху, вода тянет модель книзу. Это дает возможность осуществить чрезвычайно простым способом такое распределение нагрузок, которое позволяет исследовать на модели то, что произойдет с воздушным кораблем: определить деформации, предсказать, где нужно ввести изменение в ту или иную конструкцию, — одним словом, предвидеть целый ряд свойств и особенностей корабля, которые не поддаются расчету.
Чем больше Циолковский делал для осуществления своих замечательных идей, тем глубже, неизбежнее и неотвратимее становилось его одиночество, трагическое расхождение с окружающей средой, с гнетущей действительностью глухой провинции царской России.
Дом в Калуге, где жил К. Э. Циолковский.
Высокий, худой, с острой седеющей бородкой, Циолковский напоминал Дон-Кихота не менее, чем своей беспримерной преданностью идее, высмеиваемой всеми вокруг. Он не воспользовался своими первыми скромными успехами ради будущих. Но если проекты дирижабля и аэроплана рождали только недоверие, то исследования мировых пространств ракетными приборами были отнесены уже к области чистейшей фантастики. Когда-то подававший надежды молодой исследователь ни в ком более не вызывал интереса. Время от времени он печатал статьи, но уже не добавлял ничего нового к своим прежним выводам: непризнание ею угнетало. Все более и более становился он в глазах окружающих провинциальным неудачником, одержимым манией величия. В тогдашней России находилось очень мало людей, которые могли оценить идеи гениального человека.
Непризнание было в условиях капитализма неизбежным уделом всякой научной и технической идеи, опередившей свое время. Капитал нуждался только в том, что сегодня, сейчас могло принести максимальную прибыль. Проект космического корабля и сверхскоростного реактивного двигателя — пророческое предвидение калужского учителя Циолковского, так же как идея подземной газификации угля, выдвинутая великим Менделеевым, обречены были долго оставаться под спудом.
Циолковский жил одиноко, отрезанный от людей глухотой. Его образ жизни принимали за презрение к людям. Ученики его любили, но даже дети не удерживались от искушения подшутить над глухотой учителя. Он казался им смешным, этот долговязый, худой, стареющий человек, шагающий по пустым улицам провинциального города от дома до почты с пачкой брошюр, рассылаемых во все концы мира.
А между тем аэроплан, или птицеподобная летательная машина, уже парил в воздухе.
Наступил день, когда француз Сантос-Дюмен обогнул на дирижабле Эйфелеву башню. Циолковский ответил молчанием, он не начал спора о своем приоритете. Лишь двадцать лет спустя появились первые работы Эсно-Пельтри во Франции, Оберта в Германии и Годдарда в Америке по теории космической ракеты. Циолковский просмотрел присланную ему Я. И. Перельманом книгу Оберта и скромно написал в ответ:
«У Оберта много сходства с моим „Вне Земли“: скафандры, сложная ракета, привязка на цепочку людей и предметов, черное небо, немерцающие звезды, зеркала в мировом пространстве, световая сигнализация, база вне Земли, путешествие с нее дальше, огибание Луны; даже масса ракеты, поднимающей людей, — 300 тонн, как у меня, изучение Луны и Земли и много другого».
Работы Циолковского были доступны всякому, кто проявлял к ним интерес. Может быть, поэтому братья Райт, Цеппелин, Эсно-Пельтри, Годдард не ссылались в публикациях на своего калужского предшественника. Циолковский не только опередил западных ученых, но его работа 1903 года может быть по справедливости названа классической.
В настоящее время Циолковский уже во всем мире признается патриархом ракетного летания, и приоритет его в этом деле настолько ясен, что уже никем не может оспариваться.
«Ракета» — слово итальянское, означает оно: трубка. Обыкновенная и всем давно известная ракета и есть трубка, сделанная из картона и набитая порохом. При поджоге ракеты спрессованная масса ее заряда не взрывается сразу, а горит постепенно с открытого конца.
Сжатые в трубке ракеты газообразные продукты сгорания стремятся расшириться. Под огромным давлением они вырываются наружу с нижнего ее конца. Ракета по закону механики испытывает отдачу. И это заставляет ракету двигаться вперед с большой скоростью.
Таким образом, ракету движет давление газа, заключенного в ней самой. Возможность полета ракеты не определяется внешней средой. Сопротивление воздуха, например, только мешает скорости ракеты, и в безвоздушном пространстве она будет двигаться быстрее. Это соображение было положено в основу утверждения Циолковского о возможности полета в безвоздушном, межпланетном пространстве.
Произведенные в последние годы опыты с ракетным движением доказали безусловную правильность теоретических соображений Циолковского.
Заслуга Циолковского как пионера ракетного и вообще реактивного движения состоит в том, что он разработал основы этого движения, дал не только расчет полета ракеты, но и расчет расхода горючего, определил коэффициент полезного действия реактивного двигателя. Он показал, что все работы в области ракетной техники окажутся бесплодными, если не создать надежного реактивного двигателя и не подобрать для него наивысшего топлива.
Вопреки существовавшему всеобщему убеждению, что для ракеты лучшим, да, пожалуй, и единственным, видом горючего является порох, Циолковский первый указал, что выгоднее брать жидкие горючие смеси: бензин и жидкий кислород или жидкие водород и кислород.