Раз известно, какую скорость нужно сообщить межпланетному кораблю, и найден двигатель для него, то не должно быть ничего трудного в том, чтобы рассчитать межпланетный корабль – определить нужный запас топлива, общий вес корабля, траекторию полета. Однако первые же попытки Циолковского решить сначала более простые задачи – например, определить, как далеко залетит какая-нибудь ракета или как высоко она поднимется, – натолкнулись на несколько неожиданное препятствие. Оказалось, что подобных задач до Циолковского еще никто не решал. Выяснилось также, что это не такие уж простые задачи.

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 вес этой ракеты уменьшается с 13 до 4 тонн. Катастрофическое «похудение»...

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 ученым, 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 во всей теории ракет и, значит, в теории межпланетного полета. Во всем мире эту формулу, так называемую формулу ракеты, знают как закон Циолковского, как формулу Циолковского.

Формула Циолковского позволяет ответить на очень важный вопрос – о том, 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 очень хорошим значением скорости истечения является величина в 2500 метров в секунду.

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 толива 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 метрам 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.

Однако создать такую ракету практически невозможно. Да и вообще увеличение относительного запаса топлива на ракете наталкивается в настоящее время на все большие конструктивные трудности. Вероятно, величина относительного запаса топлива около 90 процентов является практически достижимым пределом. Очевидно, решить задачу межпланетного полета путем увеличения относительного запаса топлива вряд ли удастся. Наилучшие сорта топлива, которые могут быть созданы в будущем, даже при наибольших возможных значениях относительного запаса топлива на ракете, могут обеспечить скорость полета, не превышающую примерно 9 километров в секунду. И это даже без учета различных потерь.

И все же изобретательский гений Циолковского подсказал ему замечательное решение этой задачи. Высказанная им впервые в мире идея составных ракет, или, как говорил Циолковский, «ракетных поездов», заключается в том, чтобы уже в полете освобождаться от тех частей ракеты, которые стали ненужными. Как всякая выдающаяся идея, это предложение Циолковского сочетает в себе исключительную простоту с необычайной плодотворностью результата.
 

Схема "ракетного поезда" К. Э. Циолковского.

По идее Циолковского, ракета в этом случае должна состоять из ряда самостоятельных, автономных отсеков, то-есть, по существу, из ряда связанных друг с другом отдельных ракет. Представьте себе такую цепочку ракет, напоминающую обычный поезд, состоящий из железнодорожных вагонов, только установленный вертикально.

Этот ракетный поезд должен лететь следующим образом. При взлете работает двигатель самой задней ракеты*, который уносит весь поезд на большую высоту и сообщает ему значительную скорость. Когда все топливо на этой ракете будет израсходовано, она автоматически отделяется от поезда и падает на землю или опускается на парашюте. В то же мгновение включается двигатель следующей, второй ракеты, который продолжает увеличивать скорость всего поезда, пока и здесь не кончится топливо. После этого она также отделяется от поезда. Тогда запускается двигатель следующей ракеты и т. д.
 

Таким образом, этот поезд является очень своеобразным и сильно отличается от обычных поездов. Он постепенно «тает» в полете, так что в таком поезде все пассажиры должны находиться в самом переднем «вагоне», иначе они рискуют не добраться до цели... Легко видеть, что скорость самой последней, передней ракеты получается в этом случае большей, чем была бы скорость всего поезда при выработке такого же количества топлива. Ведь в этом случае не приходится тащить с собой мертвый груз в виде отработавших и ставших бесполезными ракет.

"Тающий" поезд: вверху – железнодорожный; внизу – ракетный.

Выгода получается тем большей, чем больше число ступеней ракеты (расчет может определить наивыгоднейшее число ступеней). Так, например, чтобы ракета с полезной нагрузкой 5 килограммов приобрела скорость отрыва, она может быть пятиступенчатой и ее взлетный вес должен равняться тогда 375 тоннам. Если же увеличить число ступеней ракеты до 10, то общий вес поезда при взлете уменьшится в 6 с лишним раз и составит только 60 тонн.

Однако создание ракетных поездов с очень большим числом ступеней дает, как это установил еще Циолковский, малый выигрыш и вместе с тем наталкивается на серьезные конструктивные трудности. Достаточно указать, например, что поезд, составленный из 5 ракет, обеспечил бы в 5 раз большую скорость, чем одна ракета, но зато полезный груз при этом уменьшился бы в 10 тысяч раз и на каждую тонну веса исходной ступени пришлось бы всего... 10 граммов полезного веса.

Можно считать, что практически будет вряд ли целесообразно строить ракетные поезда с числом ступеней больше 5–7. В своей работе «Космические ракетные поезда», выпущенной в 1929 году, Циолковский подробно рассмотрел различные возможные типы поездов.

Идея создания составных ракет, предложенная Циолковским, нашла уже широкое применение в боевых ракетах. В частности, в минувшую войну довольно широко применялись двухступенчатые ракеты. Кстати сказать, именно с помощью двухступенчатой ракеты были достигнуты рекордные для современной реактивной техники значения высоты и скорости полета ракет, о чем будет подробно рассказано в главе 10. Применялись в войну и более сложные составные ракеты – например, боевая пороховая ракета, имевшая четыре ступени.

Дальнейшее развитие идеи Циолковского о составных ракетах осуществлено советским инженером Ф. А. Цандером. Очевидно, если бы можно было использовать ненужные, отбрасываемые части конструкции ракеты в качестве топлива для жидкостного ракетного двигателя, то конечная скорость ракеты при этом увеличилась бы. Именно это и является содержанием предложения Цандера. Он разработал ряд проектов межпланетных многоступенчатых ракет, в которых металлические части конструкции, становящиеся ненужными в полете – опустошившиеся баки, крылья и проч., расплавляются и подаются в камеру сгорания жидкостного ракетного двигателя. Цандеру принадлежит, как указывалось в предыдущей главе, и сама идея использования ряда металлов – алюминия и других – в качестве топлива для жидкостных ракетных двигателей. Он же провел и опыты по сжиганию такого металлического горючего.

Разрабатывая ракетодинамику, Циолковский не ограничился простейшим случаем полета в свободном пространстве. Им были рассмотрены многие другие важнейшие задачи теории межпланетного полета и получены формулы, лежащие в основе астронавтики. Постепенно усложняя задачу, Циолковский рассмотрел полет ракеты в поле тяжести, то-есть в таком пространстве, где действует сила тяготения. Им было исследовано влияние сопротивления воздуха, то-есть рассмотрен полет ракеты в земной атмосфере, как это бывает при взлете и посадке межпланетного корабля. Циолковский установил наивыгоднейшие методы взлета межпланетного корабля, рассчитал запас топлива, необходимый для совершения различных межпланетных полетов. Эти и другие ценные результаты исследований теории межпланетного полета, полученные Циолковским, заложили прочную теоретическую основу астронавтики.

На какие же перспективы развития реактивной техники может рассчитывать астронавтика, строя свои планы постепенного завоевания безграничных далей мирового пространства?