Путешествие к далеким мирам

Известно, что законы движения различных тел изучает наука о движении — механика, созданная Ньютоном. Естественно, что в поисках нужного ему решения Циолковский обратился за помощью к механике. Однако в то время эта наука оказалась бессильной помочь Циолковскому.

До Циолковского механика имела дело всегда с телом определенной массы. И это всех устраивало, ибо на практике только такие случаи и встречались. Трудно было себе представить, например, задачу о падении какого-нибудь камня, который бы в полете «худел», теряя массу.

Но перед Циолковским стояли, увы, именно такие задачи. Масса ракеты в полете сильно изменяется, так как часть массы ей приходится отбрасывать в виде продуктов сгорания топлива. Поэтому ракета, пока работает ее двигатель, не похожа на обычные снаряды. Это какой-то особый, быстро «тающий» в полете снаряд. Вспомните, например, ракету, описанную в предыдущей главе. За одну минуту полета с работающим двигателем ее вес уменьшается с 13 до 4 тонн. Поистине катастрофическое «похудание»…

Чтобы научиться рассчитывать полет ракет, нужно было сначала разработать новую главу механики — механику тел переменной массы. Без этого нельзя было создать и науку о движении ракет — ракетодинамику.

Честь решения этих задач принадлежит Циолковскому. И в этом — одна из наибольших его заслуг перед человечеством, перед наукой. Разработанная Циолковским механика тел переменной массы позволяет решать множество важных технических задач; она лежит и в основе теории межпланетного полета.

Интересно, что практически одновременно с Циолковским и независимо от него разработкой механики тел переменной массы занимался крупный русский ученый — профессор И. В. Мещерский, которому принадлежит решение ряда важных проблем в этой области.

И в наши дни ведущая роль в разработке вопросов ракетодинамики принадлежит советским учёным, ученикам Циолковского и Мещерского.

Чтобы изучить законы движения ракет, Циолковский рассмотрел простейший случай полета ракеты — полет ее в таком пространстве, в котором нет сопротивления воздуха и отсутствует сила тяжести. Циолковский назвал это условное пространство свободным. В таких примерно условиях будет находиться межпланетный корабль при полете в межзвездном мировом пространстве — воздуха там нет, а силой тяжести в первом приближении можно пренебречь, если корабль не находится непосредственно вблизи тяжелых небесных тел.

Главная задача, которая стояла перед Циолковским, заключалась в том, чтобы научиться определять конечную скорость ракеты, то есть ту скорость, которую ракета приобретает, когда ее двигатель останавливается из-за выработки всего топлива.

Решение этой задачи было получено впервые Циолковским и опубликовано им в 1903 году. Полученная Циолковским формула, позволяющая определить конечную скорость ракеты, имеет важнейшее значение в теории ракет и, значит, в теории межпланетного полета. Во всем мире эту формулу, так называемую формулу ракеты, знают как закон Циолковского, как формулу Циолковского.[20]

Формула Циолковского позволяет ответить на очень важный вопрос — от чего, в конце концов, зависит конечная скорость ракеты. Оказывается, эта скорость не зависит ни от того, мала ракета или велика, ни от того, сколько килограммов или тонн топлива запасено на ракете, ни от того, наконец, сколько времени работает двигатель ракеты. Она зависит только от двух условий: с какой скоростью газы вытекают из сопла ракеты и каков относительный запас топлива на ракете, то есть какая часть общего веса ракеты при взлете приходится на долю топлива.

Конечная скорость ракеты будет тем больше, чем больше скорость истечения газов и чем больше относительный запас топлива.

Для современных жидкостных ракетных двигателей скорость истечения равна примерно 2500 метрам в секунду, редко превышая эту величину.

Чему же равняется величина относительного запаса топлива для современных ракет?

Для тяжелой ракеты, описанной в предыдущей главе, вес топлива при взлете составляет 9 тонн при общем весе 13 тонн. Следовательно, в этом случае относительный запас топлива равен 9:13, или примерно 0,7. Формула Циолковского показывает, что увеличение относительного запаса топлива на этой ракете с 0,7 до 0,8 увеличило бы скорость ее полета в свободном пространстве на 34 процента, а дальнейшее увеличение с 0,8 до 0,9 — на 43 процента. Если бы можно было построить ракету с относительным запасом топлива 0,9, то скорость полета ракеты, по формуле Циолковского, равнялась бы 5750 метров в секунду. Для того чтобы достичь скорости отрыва, то есть примерно 11 километров в секунду, вес запаса топлива на ракете должен составлять 99 процентов от взлетного веса ракеты. Вес самой ракеты двигателя, полезной нагрузки должен в этом случае составлять только 1 процент от взлетного веса ракеты.