Циолковский начал интересоваться проблемой межпланетного полета и, в связи с ней, реактивным движением еще в конце прошлого века. В архиве ученого обнаружена не опубликованная им статья «Свободное пространство», написанная в 1883 году. В этой статье рассматриваются принципы реактивного полета в мировом пространстве.

В 1896 году Циолковский начал писать свою повесть «Вне Земли», в которой в качестве межпланетного корабля описывается ракета.

В 1903 году появилась первая печатная работа Циолковского о ракетах как средстве осуществления межпланетных полетов. Это была статья «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованная в журнале «Научное обозрение» № 5 за 1903 год. Появление этой статьи означало официальное рождение новой науки – ракетной астронавтики. При дальнейших многократных переизданиях статьи, начиная с 1924 года, она получила название «Ракета в космическое пространство».

В этой своей классической работе Циолковский наряду с разработкой теории межпланетных полетов изложил проект межпланетного корабля с изобретенным им реактивным двигателем нового типа. Именно этому двигателю суждено решить проблему космического полета, ибо только он счастливо сочетает в себе все противоречивые требования, предъявляемые к двигателю межпланетных кораблей. Это так называемый жидкостный ракетный двигатель. Одного этого изобретения было бы достаточно для того, чтобы обессмертить имя Циолковского. Жидкостный ракетный двигатель, как и пороховой, не нуждается в воздухе для своей работы и, следовательно, может работать и в безвоздушном пространстве даже с большим успехом, чем в атмосфере. Вместе с тем он обладает гораздо большей продолжительностью работы, чем пороховой, ибо он работает, как показывает и само название этого двигателя, не на твердом, а на жидком топливе, которое можно постепенно подавать из баков в камеру сгорания. Именно в этой высказанной Циолковским идее использования в ракетном двигателе жидкого топлива и заключается замечательная суть его изобретения. Эта идея широко используется не только в жидкостных ракетных двигателях, но и в воздушно-реактивных двигателях, о чем было рассказано в предыдущей главе.

Схема межпланетного корабля Л. Э. Циолковского  с жидкостным ракетным двигателем.

Однако топливо для жидкостных ракетных двигателей представляет собой не одну какую-нибудь жидкость, как, например, бензин для поршневых и керосин для турбореактивных двигателей, а обычно состоит из двух различных жидкостей. Каждая из этих жидкостей хранится в особом баке или отсеке корабля, как это показано на схеме Циолковского, и только обе вместе они составляют топливо. Одна из этих жидкостей – это так называемое горючее. Как видите, в данном случае горючее и топливо – это не одно и то же; горючее – это только часть топлива.

Роль горючего и в этом случае такова же, как всегда, – при его сгорании должно выделяться тепло, необходимое для работы жидкостного ракетного двигателя. В качестве горючих применяются обычные нефтяные горючие – бензин, керосин, а также спирт, анилин и другие вещества (на схеме корабля Циолковского на отсеке с горючим написано «углеводород»).

Легко сообразить, какая жидкость должна заполнять второй бак на ракете с жидкостным ракетным двигателем. Ведь для сгорания горючего необходим кислород. Где же взять его, если нельзя заимствовать из окружающей атмосферы? Очевидно, во втором баке должна находиться жидкость, содержащая в себе в достаточном количестве кислород, или так называемый окислитель. В качестве окислителя применяются такие жидкости, как крепкая азотная кислота, перекись водорода высокой концентрации и другие вещества. Широко применяется также предложенный Циолковским чистый кислород, только, конечно, не газообразный (его вошло бы в бак очень мало, да и бак пришлось бы делать очень прочным), а жидкий. Для сжижения, как известно, кислород приходится охлаждать до температуры минус 183°.

Обе части топлива – горючее и окислитель – подаются под высоким давлением в камеру сгорания двигателя. Это давление, достигающее десятков атмосфер, может создаваться, например, каким-либо газом, вытекающим в баки с топливом из баллона высокого давления, где он содержится. Подача топлива может осуществляться также с помощью специальных насосов, как это показано на схеме Циолковского.

В камере сгорания происходит встреча составных частей топлива, заканчивающаяся химической реакцией сгорания. При этом выделяется большое количество тепла, так что температура в камере сгорания оказывается очень высокой. Это наибольшая температура, когда-либо достигавшаяся в двигателях, – она превышает в некоторых случаях 3000°. Раскаленные газы, продукты этого сгорания, вытекают из двигателя через сопло наружу с огромной скоростью, достигающей 2,5 километра в секунду и даже больше.

Естественно, что сила реакции струи вытекающих газов, представляющая собой реактивную тягу двигателя, оказывается очень большой: ведь эта сила прямо пропорциональна скорости истечения газов из двигателя. Реактивная тяга и должна сообщить межпланетному кораблю необходимую большую скорость.

За полвека, прошедшие с момента изобретения Циолковским жидкостного ракетного двигателя, он прошел большой путь развития. Первые десятилетия характеризовались в этом отношении главным образом настойчивым трудом отдельных изобретателей-энтузиастов, их скромными попытками построить жидкостный ракетный двигатель и использовать его для полета ракеты. В настоящее время созданы уже многие проверенные, надежные конструкции таких двигателей. Они устанавливаются на различных самолетах и ракетах, используются для самых разнообразных целей. Над этой проблемой работают научно-исследовательские институты и конструкторские коллективы. Вырастает новая отрасль промышленности по производству жидкостных ракетных двигателей и летательных аппаратов с ними.

Как и в других отраслях реактивной техники, не только первое слово, но и дальнейшие заслуги в развитии жидкостных ракетных двигателей принадлежат во многом нашей стране.

Несколько позже Циолковского и независимо от него начал работать над проблемой межпланетных полетов и, в этой связи, реактивной техникой талантливый исследователь и изобретатель-самоучка Ю. В. Кондратюк. Наряду с теорией межпланетных полетов, которую рассматривал в своих работах Кондратюк, он высказал ряд оригинальных мыслей в отношении совершенствования жидкостных ракетных двигателей. В частности, им было высказано независимо от Циолковского, первым выдвинувшим эту идею, предложение об использовании в качестве окислителя вместо кислорода – озона, что является перспективным и в настоящее время.

Много сделал для развития жидкостных ракетных двигателей последователь и продолжатель идей Циолковского – Ф. А. Цандер. Это был первый инженер в нашей стране, который посвятил себя работе в области межпланетного полета и ракетной техники. Цандеру принадлежит ряд идей, способствующих успешному решению задачи межпланетного полета. Он осуществил исследования многих вопросов развития и совершенствования двигателей для межпланетных кораблей.

Еще в 1920 году, когда наша страна только выходила из пламени гражданской войны и перед ней стояли тяжелые задачи восстановления разрушенного войной народного хозяйства, Цандер выступал на Московской конференции изобретателей с докладом о проекте своего межпланетного корабля и двигателя для него. Владимир Ильич Ленин обещал тогда изобретателю поддержку в его дальнейшей работе. Это явилось ярким свидетельством того повседневного внимания, которым окружено в нашей стране смелое творчество и дерзание в науке.
 

В 1930 году Цандер построил свой первый жидкостный ракетный двигатель, работавший на бензине и газообразном воздухе. Этот двигатель представлял собой, по существу, только модель другого, большего двигателя, работавшего на бензине и жидком кислороде, который был построен Цандером в 1932 году. Он проходил испытания уже после преждевременной смерти Цандера в 1933 году. Это был один из первых жидкостных ракетных двигателей в мире.

Жидкостный ракетный двигатель Ф. А. Цандера  на испытательном стенде (1933 год).

Цандер высказал мысль об использовании некоторых металлов в качестве горючего для жидкостных ракетных двигателей (независимо от Цандера эта мысль была высказана также Кондратюком). Это позволяет, в частности, сжигать части конструкции самого межпланетного корабля, становящиеся ненужными в процессе полета: опустошившиеся баки и т. п. Цандер разработал также методику расчета жидкостных ракетных двигателей.
 

Взлет ракеты М. К. Тихонравова с жидкостным ракетным двигателем (1933 год).

17 августа 1933 года состоялся первый полет ракеты М. К. Тихонравова, имевшей жидкостный ракетный двигатель. Вслед за этим первым полетом были совершены и многие другие. 1940 год был ознаменован крупнейшим успехом в развитии жидкостных ракетных двигателей. В этом году был совершен первый полет человека на самолете с жидкостным ракетным двигателем. 28 февраля 1940 года с одного из подмосковных аэродромов взлетел самолет, на буксире у которого находился планер с жидкостным ракетным двигателем. В воздухе летчик В. П. Федоров, пилотировавший планер, перевел его на самостоятельный полет и включил двигатель. Так был совершен первый в мире полет человека на самолете с жидкостным ракетным двигателем. Началась новая страница в развитии реактивной техники. Через два с небольшим года, 15 мая 1942 года, капитан Г. Я. Бахчиванджи совершил первый полет на специально спроектированном конструктором В. Ф. Болховитиновым самолете с жидкостным ракетным двигателем. Жидкостные ракетные двигатели применяются в настоящее время в авиации в различных целях. В ряде случаев они используются для облегчения взлета тяжелых самолетов. Иногда эти двигатели устанавливаются на самолетах в дополнение к основному двигателю другого типа, например турбореактивному, с целью увеличения скорости полета в нужный момент – при наборе высоты, в воздушном бою и т. д.

1

Устанавливаются жидкостные ракетные двигатели на самолетах и в качестве основного и единственного двигателя. Самолеты с этими двигателями предназначаются обычно для исследовательских целей – изучения особенностей полета на очень больших, сверхзвуковых скоростях. С их помощью удается достигать наибольших, доступных пока, скоростей полета. Имеются и военные самолеты с такими двигателями – так называемые истребители обороны или истребители-перехватчики, задачей которых является борьба с бомбардировщиками врага.

Исследовательский сверхзвуковой самолет с жидкостным ракетным двигателем.

Однако самолеты с жидкостным ракетным двигателем обладают и одним очень серьезным недостатком по сравнению с другими самолетами – они могут находиться в полете гораздо меньшее время. Это объясняется тем, что жидкостные ракетные двигатели обладают исключительной «прожорливостью» – они расходуют в 15–20 раз больше топлива, чем турбореактивные двигатели такой же тяги. Вот почему при непрерывной работе жидкостного ракетного двигателя на полной мощности запаса топлива на истребителе-перехватчике хватает лишь на 3–5 минут! Чередуя разгон самолета при работающем двигателе с последующим планированием, когда двигатель выключен, летчик такого самолета может довести общую продолжительность полета до 20–30 минут. Этого только-только хватает для того, чтобы взлететь, навязать бой противнику в районе своего аэродрома и сесть с пустыми баками. Поэтому жидкостные ракетные двигатели применяются пока только на единственном типе военных самолетов – истребителях-перехватчиках.

Главное использование жидкостных ракетных двигателей связано, однако, в настоящее время не с авиацией, а с различного рода ракетами. Это и тяжелые снаряды противовоздушной обороны, и ракетные авиабомбы, и снаряды дальнего действия, и стратосферные ракеты.

Применение тяжелых ракет с жидкостным ракетным двигателем с каждым днем все расширяется, и некоторые из таких ракет начинают уже сильно походить на небольшие межпланетные корабли, как их обычно рисуют в книжках...
 

Устройство тяжелого дальнобойного снаряда-ракеты с жидкостным ракетным двигателем.

Вот одна из таких ракет, применявшаяся в минувшую войну в качестве тяжелого дальнобойного реактивного снаряда (см. стр. 62). Боевая головка этого снаряда заключала в себе 3/4 тонны взрывчатого вещества, и снаряд пролетал расстояние около 300 километров. Конечно, ни одна самая тяжелая и дальнобойная пушка такими тяжелыми снарядами и так далеко не стреляла. На этом снаряде был установлен мощный жидкостный ракетный двигатель. Ракета эта имела длину около 14 метров, диаметр – 1,7 метра, а сзади, по хвостовому оперению, – даже 3,6 метра. Поневоле поражаешься размерам этой ракеты, когда сравниваешь ее с фигурами стоящих рядом людей. Ну, и вес ракеты тоже внушительный – примерно 13 тонн, так что вес «полезной нагрузки» – взрывчатки – составляет только небольшую часть, несколько процентов от общего веса ракеты. Двигатель установлен в «корме» ракеты, как это будет, очевидно, и на межпланетном корабле. Этот двигатель работает на топливе, состоящем из двух жидкостей. Вот почему на этой ракете, в ее средней части, установлены два гигантских бака. В переднем баке находится горючее, которым в данном случае служит этиловый, то-есть винный, спирт (крепкий, не менее 75°). Задний бак служит для хранения окислителя – чистого жидкого кислорода, как это и предлагал в свое время Циолковский. Запас топлива на ракете равен примерно 9 тоннам. Вот что составляет большую часть, примерно 2/3, общего веса ракеты. Из этих 9 тонн около 4 тонн – спирт, остальное – жидкий кислород.

Для выстрела, то-есть запуска, ракета устанавливается в вертикальном положении, в котором она поддерживается с помощью специального легкого станка-люльки. Почти как межпланетный корабль, приготовившийся к прыжку в мировое пространство! В таком положении заполняются топливом гигантские баки ракеты – ракета заправляется. Для этой цели служат мощные автозаправщики, но какими игрушечными они кажутся рядом с устремленной ввысь ракетой!
 

Но вот заправка кончена, ракету можно запускать. Открываются топливные краны, спирт и кислород начинают поступать в камеру сгорания двигателя. Там происходит воспламенение топлива, и образовавшиеся в результате сгорания раскаленные газы с большой скоростью начинают вытекать из двигателя через сопло в атмосферу. Сила реакции струи вытекающих из двигателя газов направлена вверх; она стремится поднять ракету, оторвать ее от земли.

Подготовка ракеты к запуску. На заднем плане видна ракета в момент взлета.

Сделать это, правда, не так просто, ведь ракета весит 13 тонн! Однако, оказывается, при нормальной своей работе двигатель ракеты развивает тягу, вдвое превосходящую вес ракеты, – тягу в 25–26 тонн. Это тяга современных мощных паровозов, водящих за собой тяжеловесные поезда. И вот с такой огромной силой газы, вырывающиеся из ракеты вниз, толкают ее вверх. На этот режим полной тяги двигатель выходит только через несколько секунд после его запуска (вначале устанавливается так называемый предварительный режим – с тягой 8 тонн). Быстро увеличиваясь, тяга выравнивается с весом ракеты, потом становится больше этого веса – ракета вздрагивает, медленно, как бы нехотя, отрывается от земли, а затем все быстрее и быстрее взмывает кверху, очень скоро исчезая из глаз наблюдателя.

Весь дальнейший полет этой ракеты осуществляется автоматически. Он управляется приборами, стоящими на самой же ракете, в специальном приборном отсеке, за боевой головкой. Повлиять на полет ракеты с земли после того, как она уже взлетела, невозможно. Ракета взлетает, а потом, подчиняясь команде приборов, установленных на ней, мчится к цели, находящейся на расстоянии 300 километров от места взлета.

Траектория и скорость полета ракеты.

Первые 10–11 секунд после старта ракета летит прямо вверх, в небо. Затем приборы управления полетом ракеты отклоняют ее рули, расположенные сзади. Вследствие этого ракета перестает подниматься вертикально и начинает полет по сложной криволинейной траектории, впрочем близкой к дуге круга. Летя таким образом, ракета достигает весьма большой высоты – примерно 40 километров. На этой высоте двигатель ракеты выключается, останавливается. Оказывается, что к этому моменту он успевает выработать все топливо, запасенное на ракете, – все 9 тонн. Оба гигантских бака – и спиртовой и кислородный – оказываются к этому моменту практически пустыми.

Через сколько же времени это происходит после взлета ракеты? Оказывается, всего только через минуту. За эту одну-единственную минуту ракета уносится на высоту 40 километров, а ее двигатель одним, поистине гигантским, глотком проглатывает 9 тонн топлива.

Однако это топливо двигатель расходует не напрасно, ибо но развивает в полете действительно колоссальную мощность.

Если судить по энергии вытекающей из двигателя струи газов, то его мощность достигает почти 400 тысяч лошадиных сил. Еще больше полезная мощность, соответствующая работе продвижения ракеты в окружающей среде. Эта мощность непрерывно увеличивается с ростом скорости полета, так как она равна произведению тяги на скорость. Перед остановкой двигателя ракета летит со скоростью около 5500 километров в час или 1,5 километра в секунду. При этом полезная мощность превышает полмиллиона лошадиных сил, приближаясь к мощности Днепрогэса.

После остановки двигателя ракета продолжает свой полет за счет накопленной ранее скорости, как снаряд, вылетевший из ствола артиллерийского орудия. Правда, такую пушку в данном случае надо было бы поместить на высоте 40 километров. Летя таким образом, ракета забирается еще выше и достигает максимальной высоты – примерно 100 километров.

Траектория артиллерийского снаряда.

Но и 100 километров – это совсем не предел, достигнутый современной реактивной техникой, как не предел и достигнутая скорость полета в 1,5 километра в секунду. Использование идей Циолковского позволило добиться уже значительно больших успехов в том штурме мирового пространства, который ведет реактивная техника.

Какие же это идеи?