|
К. Циолковский
РАКЕТНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ПОЕЗДА.
1. Под ракетным поездом я подразумеваю соединение нескольких одинаковых реактивных приборов, двигающихся сначала до дороге, потом в воздухе, потом в пустоте вне атмосферы, наконец, где нибудь между планетами или солнцами.
2. Но только часть этого поезда уносится в небесное пространство, остальные, не имея достаточной скорости, возвращаются на землю.
3. Одинокой ракете, чтобы достигнуть космической скорости, надо делать большой запас горючего. Так, для достижения первой космической скорости, т.-е. 8 кило в секунду, вес горючего должен быть по крайней мере в 4 раза больше веса ракеты со всем ее остальным содержимым. Это затрудняет устройство реактивных приборов.
Поезд же дает возможность или достигать больших космических скоростей, или ограничиться сравнительно небольшим запасом составных частей взрывания.
4. Мы будем сначала решать задачу в самом простейшем виде. Предполагаем устройство всех ракет совершенно одинаковым. Запасы горючего и сила взрывания также. На деле, конечно, должны быть некоторые уклонения. Так, ракеты, двигающиеся по дороге, будут проще, двигающиеся только в атмосфере не имеют надобности снабжаться приспособлениями для продолжительного существования людей в эфирном пространстве.
5. Взрыв начинается с передней ракеты, чтобы весь поезд подвергался натяжению, а не сжатию, с которым легче бороться. Кроме того это способствует и устойчивости поезда во время взрывания. При этом можно составить более длинный поезд, а следовательно, и большую скорость при том же запасе горючего в каждом ракетном вагоне.
6. Чем короче вагоны, тем больше может быть их число при том же запасе прочности, а чем больше их число, тем окончательная скорость последнего заднего вагона будет больше. Это заставляет стремиться нас делать отдельные снаряды возможно короче. Но диаметр ракетного прибора не может быть меньше одного метра. Значит длина ракетного вагона не может быть менее 10 метров. При меньшей продолговатости сопротивление воздуха окажется чересчур значительным. Для ракет, возвращающихся на землю, это может быть достаточным, но для космического вагона надо не менее 3 метров в диаметре и 30 метров в длину. Отсюда вывод: последний космический вагон надо делать обширнее.
7. Устройство космической ракеты очень сложно и будет непрерывно еще усложняться. Мы не имеем цели сейчас входить во все подробности. Тут цель другая: показать выгоды поезда, в отношении окончательной скорости, в сравнении с одиноким реактивным прибором. Возможно, что маленькая ракета, по достижении эфирного пространства, будет развертываться в большую. Но мы все это оставим и примем размеры ракеты в 3 и 30 метров.
8. Поперечник ракеты составляет три метра, длина ее 30 метров, толщина стенок – 2 мм. (к концам толще). Плотность их материала – 8. Площадь среднего сечения 7 кв. м., поверхность 180 кв.м., об'ем 105 кв. м. Ракета может вместить 105 тонн воды. Отсек оболочки в 1 м весит везде одинаково, так как к концам она толще, именно 0,15 тонны. Столько же полагаем на людей, баки, трубы, машины и другие приспособления : всего 0,3 тонны на метр длины. Значит вся оболочка ракеты будет весить 4½ тонны. Столько же внутреннее содержание, всего 9 тонн. Из этого веса на людей довольно тонны.
9. Запас взрывчатых веществ положим на 1 метр отсека, 0,9 тонны, а на всю ракету 27 тонн, т.-е. в три раза больше, чем весит ракета со всем содержимым. (Соответствующая скорость для одной ракеты, при употреблении нефти, равна 5520 м.). Этот запас в одной ракете займет (при плотности его в единицу) 27 куб. м., т.-е. около четвертой доли всего об‘ема ракеты. На людей и машины останется 78 куб. м. Если возьмем 10 человек, то каждому достанется около 8 куб. метр., или куб. комната с ребром в 2 метра. Кислорода такого об'ема, при двух атмо сферах давления, хватит на дыхание 160 человек в течение 24 часов, или 10 человек в течение 16 дней: конечно, при удалении продуктов дыхания.
Мы хотим показать, что даже такой большой запас горючего не обременителен для ракеты.
10. Взрывание натягивает поезд и вот почему толщина стенок в узких местах ракеты больше: сопротивление разрыву каждого сечения ракеты должно быть одинаково.
11. Оболочка ракеты, при запасе прочности в 5, выдержит сверхдавление в 4 атмосферы. Но так как оно и в пустоте не более двух атм., то запас прочности будет 10.
12. Так как всем ракетам может предстоять планирование, даже последний космической — при ее возвращении на Землю, то каждая ракета имеет такое устройство.
Одиночная надутая оболочка, имеющая, по необходимости форму точеного на токарном станке тела (тела вращения), планировать будет слабо. Надо соединить, напр., три таких поверхности. Надутые воздухом или кислородом, примерно до двух атмосфер они представят собою весьма прочную балку.
13. Крылья мы не можем предложить вследствие значительного их веса.
14. Каждая ракета должна иметь рули: направления, высоты и противодействия вращению. Они должны действовать яе только в воздухе, но и в пустоте.
15. Рули находятся в задней части каждой ракеты. Их две пары. За ними сейчас следуют взрывные трубы. Направление их косвенное, немного в бок. Иначе вырывающиеся газы будут давить на заднюю ракету.
Число взрывных труб не менее четырех. Их выходные концы расположены по окружности ракеты, на равных расстояниях друг от друга. Взрывание происходит толчками, как отдельные холостые выстрелы. Эти толчки могли бы повредить ракете. Поэтому полезно число труб делать гораздо более четырех. Выстрелы будут чаще и могут быть распределены так, что давление на ракету от взрывов будет довольно равномерно.
Каждая пара рулей находится в одной плоскости (параллельной длинной оси ракеты), но отклонение их от нее может быть неодинаково. Тогда ракета начнет вращаться. Из этого видно, что любая пара может, в этом случае, служить для устранения вращения ракеты. Каждая пара, кроме того, служит для управления направлением снаряда в данной плоскости. В общем получается желаемое направление в пространстве и отсутствие вращения. Поток взрывающихся газов направляется на эти рули. Понятно, после этого, что они служат не только в воздухе, но и в пустоте.
16. Маленькие кварцевые окна дают несколько солнечных пятен внутри ракеты, нужных при управлении. Другие большие окна закрыты снаружи ставнями. Потом, в разреженной атмосфере или в пустоте, их открывают.
17. Носовая часть занята людьми. Далее следует машинное отделение (насосы и двигатели для них), наконец, кормовая часть занята взрывными трубами и окружающими их баками с нефтью. Последние окружены баками с свободно испаряющимся жидким и холодным кислородом.
18. Дело происходит, приблизительно, так. Поезд, положим, из пяти ракет скользит по дороге в несколько сот верст длиною, поднимаясь на 4–8 верст от уровня океана. Когда передняя ракета почти сожжет свое горючее, она отцепляется от четырех задних. Эти продолжают двигаться с разбегу (по инерции), передняя же уходит от задних вследствие продолжающегося, хотя и ослабленного взрывания. Управляющий ею направляет ее в сторону и она понемногу спускается на землю, не мешая движению оставшихся сцепленными четырех ракет.
Когда путь очищен, начинает свое взрывание вторая ракета (теперь передняя). С ней происходит то же, что и с первой: она отцепляется от задних трех и сначала обгоняет их, но потом, не имея достаточной скорости, поневоле возвращается на планету.
Также и все другие ракеты, кроме последней. Она не только выходит за пределы атмосферы, но и приобретает космическую скорость. Вследствие этого она или кружится около Земли, как ее спутник, или улетает далее – к планетам н даже иным солнцам.
19. Для одинокой ракеты мы имеем формулу (см. мое исследование 26 года. Форм. 38):
где дано отношение окончательной скорости ракеты (Скр1) к скорости отброса (Ско), в зависимости от отношения полной массы отброса (Мо1) или горючего к массе ракеты со всем содержимым, кроме составных частей взрыва. Знак (Le) означает натуральный логарифм.
20. Эту формулу можно применить и к сложной ракете, т.-е. к поезду из реактивных приборов. (Скр1) будет означать прибавочную скорость (Скп) каждого поезда от взрывания вещества. в одной ракете. Относительная скорость отброса (Ско) всегда останется одна и та же. Масса отброса (Мо1) – также. Но масса ракеты (Мр1) не есть масса одной ракеты, а целого поезда, без массы взрывного материала (Mо1) передней ракеты, которая действует на весь поезд со всем его еще нетронутым
горючим.
21. Поэтому мы должны заменить в формуле 19 массу ракеты (Мр1) массою поезда (Мп) по формуле:
где (Чр) означает число ракет. Очевидно, что это выражение относится не только к полному поезду, состоящему из определенного числа ракет (Чр1) но ко всякому другому частному поезду (после убыли нескольких передних ракет), состоящему только из меньшего их числа (Чр).
22. Теперь, вместо 19 формулы получим:
23. Для первого поезда, состоящего из наибольшего числа (Чр1) ракет, получим:
24. Для второго поезда, в котором одной ракетой меньше, найдем:
25. Также и для остальных. Вообще же для поезда порядка (X) будет:
26. Напр., для последнего поезда Х = Чр1. Подставив, получим формулу 19 для одинокой ракеты.
27. Скорость первого поезда выражается формулой 23, полная скорость второго суммою скорости первого поезда и прибавочной скорости второго. Вообще полная скорость поезда порядка (X) выражается суммою прибавочных скоростей (25) первых (X) поездов. Полная скорость последней задней ракеты будет равна сумме прибавочных скоростей всех поездов, от самого сложного до последнего, состоящего из одной ракеты (порядка Чр1).
28. Из общей формулы (25) мы видим, что прибавочные скорости поездов тем больше, чем меньше осталось ракет. Наименьшая прибавочная скорость – у полного поезда, наибольшая – у последнего, когда Х = Чр1, т. е. когда в нем осталась только одна ракета. Прибавочные скорости возрастают весьма медленно и поэтому очень большое число ракет дает мало выгоды, т. е. немного увеличивает полную скорость последней ракеты.
Все же возрастание космической скорости было бы беспредельным, если бы не ограниченная крепость материала, из которого сделаны ракеты.
29. Вычисления можно упростить, если считать поезда с конца, в обратном порядке, т. е. последний поезд из одинокой ракеты считать за первый, предпоследний – за второй и т. д. Тогда порядковое число будет (У) и мы получим:
У + Х = Цр1 + 1
30. Выключая с помощию этого уравнения (X) из уравнения 25, получим:
Этим мы доказали, что при счете поездов с конца прибавочная скорость не зависит от полного числа ракет (Чр1) в поезде, а только от обратного их порядка (у).
|
