Легко представляю себе недоумение читателя: если дело обстоит так, то почему ружья и пушки заряжают порохом, а не керосином, не кусочками дерева? На этот вопрос надо ответить, что если бы керосин или дерево горели столь же быстро, как порох, то, конечно, огнестрельное оружие следовало бы заряжать керосином или деревом. Для винтовки или пушки быстрота сгорания заряда имеет первостепенное значение. Нетрудно сообразить почему. Ведь пуля или снаряд скользят в стволе ружья или в канале пушки ничтожный промежуток времени, несколько сотых долей секунды. В течение этого краткого промежутка заряд должен передать пуле (или снаряду) возможно больше энергии, потому что после выхода снаряда из канала давление пороховых газов не влияет больше на ее скорость. Теперь понятно, что медленно горящий керосин успел бы передать пуле лишь незначительную долю из своего богатого источника энергии – гораздо меньше, чем сгорающий быстро, в тысячную долю секунды, порох передает из своего скудного запаса.
Совсем иные условия имеем мы в ракете. В то время как для огнестрельного оружия быстрота горения очень важна, для ракеты она не только не нужна, но, напротив, даже вредна. Если мы желаем со временем превратить ракету в корабль для межпланетных перелетов, то должны добиться медленного и плавного нарастания ее скорости, иначе пассажиры ракетного корабля будут раздавлены при отправлении в путь. А постепенное нарастание скорости ракеты возможно лишь при медленном горении ее заряда.
После сказанного не остается сомнений, какому роду веществ нужно отдать предпочтение при выборе заряда для будущего ракетного корабля. Ракета должна порвать свою давнюю связь с порохом и перестроиться на промышленное горючее. В состав заряда будущей ракеты должны входить, во-первых, какая-нибудь горючая жидкость (потому что для твердых горючих понадобилось бы слишком сложное устройство, а для газообразных – чрезмерно большой собственный вес баллона) и, во-вторых, кислород или такое химическое соединение, которое способно его выделить. Окислитель должен также быть в жидком состоянии для удобного подведения его в камеру сгорания; всего лучше будет пользоваться сжиженным кислородом, но можно пустить в дело и такие жидкости, как азотная кислота[27] или другие соединения азота с кислородом.
Читатель, быть может, желал бы знать, как велика для различных горючих веществ та идеальная скорость вытекания продуктов их горения, о которой упоминалось выше. Приведем поэтому несколько относящихся сюда чисел, сопоставляя их с соответствующими числами для веществ взрывчатых.
Таблица, естественно, внушает мысль, что выгоднейшим горючим для ракетного корабля является жидкий водород. Однако это не совсем так. Не говоря уже о том, что сжиженный водород имеет чрезвычайно низкую температуру и, кроме того, весьма дорог, он отличается еще чрезвычайной легкостью. Он в 14 раз легче воды; это значит, что килограмм его занимает в объеме 14 л. Для вмещения определенного весового количества такой жидкости требуется непомерно большой резервуар. Ракетный корабль с водородом в качестве горючего окажется поэтому очень тяжел и объемист; значит, помимо того, что ему придется нести большой мертвый груз, он будет обладать небольшой «поперечной нагрузкой», то есть будет малоспособен преодолевать сопротивление атмосферы. По этим соображениям надо при проектировании жидкостных ракет отказаться от водорода и иметь в виду другие рода жидкого горючего с жидким окислителем[28].
Вопросы, так или иначе связанные с горючим для ракет, далеко не исчерпаны тем, что было сказано в этой главе. Кто будет иметь дело с сооружением крупных ракет, тому придется столкнуться с длинным рядом технических трудностей. Ему нужно будет подумать о подаче горючего и окислителя, об устройстве камеры сгорания, о нагревании ее стенок и об их искусственном охлаждении, о подготовке смеси для сгорания, о форме баков для горючего и окислителя, о сопле, о системе зажигания и управления и т. п. Моя книга не ставит себе задачей рассмотрение техники сооружения ракет; в ней выясняется только физическая сторона дела, освещаются лишь вопросы принципиальные. Интересующиеся техническими подробностями должны будут обратиться к другим сочинениям, из которых я особенно рекомендовал бы весьма содержательную, несмотря на небольшой объем, книжечку советского изобретателя жидкостной ракеты инженера М.К. Тихонравова «Ракетная техника» (1935; с. 77), а также книгу инженера С.П. Королева «Ракетный полет в стратосфере» (1934; с. 110) и Г. Лангемака и В. Глушко «Ракеты» (1935; с. 120).
Глава 13Механика полета ракеты
Мы подошли к другой стороне механики ракеты: к вопросу о том, от каких обстоятельств зависит окончательная скорость ракеты и – что не менее важно уяснить себе – от каких обстоятельств она не зависит. Теоретический вывод этих соотношений дан в конце книги. Здесь приводим лишь окончательный результат.
Математический анализ устанавливает, что вереде без тяжести (для простоты пока отвлекаемся от тяжести) окончательная скорость, приобретаемая ракетой после горения, зависит только от двух обстоятельств:
1) от той скорости, с какой вытекают из ее сопла газообразные продукты горения;
2) от отношения первоначальной массы ракеты к ее окончательной массе, то есть отношения массы ракеты до горения к массе ее после горения.
Если первоначальную массу ракеты вместе с запасом горючего обозначим через Мt, а конечную массу, когда заряд выгорит, – через Мk, то скорость, приобретаемая ракетой к концу горения, зависит от величины дроби:
Ни от каких других причин окончательная скорость ракеты в среде без тяжести не зависит. Это – замечательный результат. Оказывается, что продолжительность и порядок горения нисколько не влияют на величину приобретаемой ракетой скорости: «Происходит ли горение равномерно или нет, длится ли оно секунды или тысячелетия – это все равно; даже перерывы ничего не значат» (Циолковский). Второй поучительный вывод тот, что скорость ракеты не обусловливается вовсе, как можно было бы ожидать, абсолютным количеством сожженных веществ; она зависит лишь от отношения массы этих веществ к массе незаряженной (вернее, разряженной) ракеты. Маленькая ракета, заряженная несколькими граммами горючего, может приобрести такую же окончательную скорость, как и исполинская ракета с зарядом в сотни или тысячи тонн, если только окончательная масса ракеты в обоих случаях составляет одинаковую долю первоначальной.
Читатель должен также отрешиться от распространенного представления о ракете как об аппарате, отталкивающемся от воздуха. Это странное ходячее мнение потому так живуче, что для поверхностного суждения кажется естественным и бесспорным. Хотя правильный взгляд на механизм полета ракеты установился уже в эпоху Ньютона, заблуждение это владеет большинством умов еще и в наши дни, мешая правильно разбираться в вопросах ракетного летания.
Уместно остановиться здесь и на другом заблуждении более тонкого характера. Против возможности межпланетных перелетов выдвигается нередко следующий довод. На земном шаре не существует такого горючего, энергия которого, превращенная в механическую работу, была бы достаточна для переноса его самого хотя бы на Луну. Килограмм наиболее энергоемкого горючего – смеси водорода с кислородом – развивает не более 2900 × 427, то есть 1 240 000 кгм. Между тем, чтобы удалить 1 кг вещества с земной поверхности на расстояние до Луны, требуется совершить работу свыше 6 000 000 кгм. Отсюда делают поспешный вывод, что горючее, которое не может даже самого себя унести на Луну, тем более бессильно доставить туда еще какой-нибудь груз. Значит, межпланетные путешествия – несбыточная мечта; все стремления ее осуществить обречены на полную неудачу.
Рассуждения подобного рода, хотя и высказываются зачастую сведущими в других отношениях авторами, свидетельствуют о полном незнакомстве с условиями работы ракеты. Забывают, что ракета вовсе не несет с собой запаса горючего на протяжении всего пути. Она сжигает и отбрасывает свое горючее еще вблизи Земли, в первые несколько минут полета; весь же остальной путь ракета летит за счет энергии, запасенной в течение этих немногих минут горения. Кроме того, надо помнить, что межпланетная ракета расходует массу горючего, значительно превосходящую массу полезного груза ракеты.
Обратимся теперь к языку математических формул, чтобы отчетливее охватить условия движения ракеты. Обозначим, как прежде, начальную массу ракеты, то есть массу ее вместе с зарядом, через Mt; массу ракеты после израсходования заряда, то есть ее конечную массу, буквою Мk. Скорость, с какою продукты сгорания удаляются от летящей ракеты, обозначим буквою с. Наконец, скорость, приобретаемую самой ракетой по израсходованию запаса горючего (в количестве Мt – Мk), обозначим через υ
Между этими четырьмя величинами Mt, Мk, с и υ существует зависимость, впервые установленная К.Э. Циолковским; мы вправе называть ее «формула Циолковского». А именно: для всякой ракеты, летящей в пустоте и в среде без тяжести, справедливо следующее равенство (уравнение ракеты):
Значение букв, входящих в уравнение ракеты, нам известно. Что же касается числа 2,72, то знакомые с математикой, конечно, узнают в нем основание натуральных логарифмов (е = 2,71828…).
Рассмотрим несколько следствий из этого уравнения[29].
Прежде всего мы видим, что ракета может двигаться во много раз быстрее продуктов сгорания – в противоположность пушечному снаряду, который не может мчаться быстрее, чем толкающие его пороховые газы. Действительно, если мы желаем, чтобы ракета двигалась в 10 раз быстрее вытекающих из нее газов, то есть чтобы отношение