Мечты бывают разные. Одни, ни на чем не основанные, называют «воздушными замками»; другие – в принципе выполнимые, но только не сейчас, а по мере развития конструкторской и технологической базы, считают взглядом в будущее. О таких мечтах говорят, что их носителями являются люди, опередившие своё время.

К числу таких мечтателей относятся трое учёных, стоящих у истоков идеи освоения космического пространства с помощью ракет, энтузиастов, работавших независимо друг от друга в трёх разных странах: в России – Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935) , в Германии – Герман Оберт (1894 –1989), в США – Роберт Хатчингс Годдард (1882–1945).

Современная цивилизация немыслима без освоения космического пространства. С помощью искусственных спутников Земли (ИСЗ) обеспечивается всемирная радиосвязь и передача множества программ телевидения, метеорологические наблюдения и разведка недр Земли, спасение терпящих бедствие кораблей и высокоточная радионавигация, т.е. определение координат местонахождения различных объектов на суше, в океане и воздухе.

С помощью космических аппаратов были исследованы планеты и кометы Солнечной системы и осуществлена высадка человека на Луну. В настоящее время рассматриваются варианты полёта человека на Марс с помощью космических аппаратов.

Но отправной точкой, стартом всех этих реализованных в разное время проектов явилась идея о возможности полётов в космосе с помощью реактивных двигателей. В России первым эту идею высказал и обосновал учёный и изобретатель Константин Эдуардович Циолковский.

Вот что говорил о К.Э. Циолковском на собрании, посвящённом 90-летию со дня его рождения, главный конструктор ракет в СССР академик С.П. Королёв в сентябре 1947 г.: «.… К. Э. Циолковский — учёный-экспериментатор, самоучка по образованию, неустанными трудами самостоятельно поднявшийся до необычайных высот науки и научного предвидения.
Он изобретатель, утвердивший приоритет нашей Родины рядом выдающихся изобретений и технических предложений в области воздухоплавания, авиации и особенно в области ракетной техники, имеющей сейчас столь актуальное значение.
Он учёный и исследователь, смело прокладывающий пути в новое, ещё неизведанное в науке, и тут же, как истый учёный, блестяще научно обосновывающий свои открытия.
И, наконец, Циолковский был горячим патриотом нашей Советской Родины, неутомимым тружеником и пламенным энтузиастом науки, которой он целиком посвятил и отдал свою жизнь».

Константин Эдуардович занимался не только научной стороной проблемы конструирования ракет для межпланетных путешествий и теорией их полёта, но и вопросами создания цельнометаллического дирижабля и самолёта с высокими аэродинамическими характеристиками.

Он издал также несколько работ по философии и политике, так определяя свою позицию: «Я – чистейший материалист. Ничего не признаю, кроме материи. В физике, химии, биологии я вижу одну механику. Весь космос– только бесконечный и сложный механизм.
Сложность его так велика, что граничит с произволом, неожиданностью и случайностью, она даёт иллюзию свободной воли сознательных существ».

Много внимания в своих печатных трудах Константин Эдуардович уделял и социальным вопросам, размышляя о несовершенном устройстве жизни на Земле, о том горе, которое человечество само по недомыслию и недоразумению привносит в свою жизнь.

Вот что он писал по этому поводу в изданной им на свои скромные средства маленькой брошюре «Горе и гений»: «Жизнь невозможна без страданий. Но много горя более или менее устранимо. Почему мы терпим материальную нужду, не пользуемся комфортом, когда богатства и силы природы неисчерпаемы? Почему на старости лет мы остаёмся без крова и умираем от лишений? Зачем отец семейства надрывается один для прокормления своего многочисленного семейства? Почему, умирая, множество людей оставляют свои семьи беспомощными? Почему всю жизнь мы должны дрожать за судьбу близких? Почему всякого человека, не исключая богатых, сильных и властных, подстерегают бедность, горести и всякие несчастия? Избави, Боже, нас винить за это кого–нибудь, кроме нашего неразумия, кроме скудости мира наших идей. Если бы были отысканы гении, то самые ужасные несчастия и горести, которые даже кажутся нам сейчас неизбежными, были бы устранены…».

После долгих размышлений Циолковский пришёл к мысли, что не «красота спасёт мир» – эта формула была ему хорошо известна, а «гении преобразуют мир». Под гениями он понимал не только умных и одарённых людей, но и тех, кто наделён добродетелями и совестливостью.

Обращаясь к жизни великих учёных, Эдуард Константинович решил, что от гениев исходит нравственный свет, что их идеи помогут людям построить справедливое общество. Выискивать гениев, которые найдут способы облегчить жизнь людей, – так представлял Циолковский путь, который приведёт к всеобщему счастью на Земле.

Сила интеллекта Циолковского заключалась в том, что он свои мечты и философские искания всегда подкреплял техническими разработками. Считая, что «техника делает человека сильнее тигра, быстрее лани», он стал великим изобретателем.

Ракета нужна была Циолковскому для великой, вселенской цели.

Во-первых, полагал учёный, возможна вероятность гибели всего живого на Земле по причине её столкновения с крупным астероидом или в силу иных грозных и разрушительных явлений космического свойства. Если же с помощью ракет будут созданы кольцевые поселения в Солнечной системе, то удастся сберечь «семя человеческое» от тотального уничтожения и продолжить существование во Вселенной людей и всего живого.

Во-вторых, через столетия неизбежна проблема всё большего разрыва между непрерывно увеличивающейся численностью людей на нашей планете и возможностью их прокормить в условиях ограниченного жизненного пространства. Расселение человечества во Вселенной позволит решить и эту жгучую проблему, которая, по мнению учёного, неминуемо возникнет через 1000 или более лет.

И поэтому главным делом научного творчества Циолковского явилось исследование законов движения ракет и освоение с их помощью космического пространства. В своей важнейшей по влиянию на дальнейший ход развития техногенной цивилизации работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованной в 1903 г. в 5-м номере журнала «Научное обозрение» (стр. 43-75), он, опираясь на законы теоретической механики, обосновал возможность осуществления полётов вне пределов атмосферы, вокруг Земли, к Луне, планетам Солнечной системы и далёким неведомым мирам, с помощью «грандиозной и особенным образом устроенной ракеты».

Размышляя над теорией реактивного движения, Циолковский в «Резюме работы 1903 г.» поместил схему общего вида реактивной ракеты (см. рис.1)

Вот текст К.Э. Циолковского, поясняющий работу ракеты: «Большая часть внутренности снаряда занята двумя веществами в жидком состоянии: водородом и кислородом. Обе жидкости разделены перегородкой и соединяются между собой мало-помалу. Остальная часть камеры, меньшей вместимости, предназначена для помещения наблюдателя и разного рода аппаратов, необходимых для сохранения его жизни, для научных наблюдений и для управления ракетой.
Водород и кислород, смешиваясь в узкой части постепенно расширяющейся трубы, соединяются химически и образуют водяной пар при страшно высокой температуре. Он имеет огромную упругость и вырывается из широкого отверстия трубы с ужасающей скоростью по направлению трубы или продольной оси камеры. Простейшим способом управления ракетой служит поворачивание конца раструба или руля перед ним».

Далее в статье приводились соответствующие расчёты, показывающие возможность доведения скорости ракеты до величины, достаточной для преодоления ею притяжения Земли и даже Солнца. Заканчивалась статья такими словами: «Мы могли бы рассмотреть ещё очень многое….. мы могли бы начертать космические первые движения ракеты в небесном пространстве».

В своих дальнейших работах Циолковский продолжил исследования по космическим полётам будущего, выдвинул и обосновал идею их осуществления с помощью многоступенчатых ракет.

Таким же энтузиастом в деле освоения космоса с помощью ракет был и немецкий учёный Герман Оберт, опубликовавший в 1923 г. в Мюнхене книгу «Ракета для межпланетного пространства», выдержавшую много изданий на разных языках (на русском языке книга Г. Оберта под названием «Пути осуществления космических полётов» опубликована в 1948 г.).

С помощью уравнений классической механики автор книги обосновал возможность полёта в космос за пределы земной атмосферы с помощью ракет, в том числе и двухступенчатой, подробное устройство которой привёл в своей книге (рис.2).

Автор утверждал, что подобную ракету можно построить уже при существующем уровне техники и отправить её для исследования мирового пространства.

К. Циолковский и Г. Оберт были заочно знакомы и обменивались письмами. Они оба прожили нелёгкую жизнь, свято веря в возможность реализации своих идей, печатая статьи и книги и проводя многочисленные эксперименты.

Немецкий конструктор первых ракет военного назначения «Фау-2» Вернер фон Браун (1912-1977), считавший Оберта своим учителем, привлёк его к своей работе сначала в Германии, во время Второй мировой войны, а затем в США при разработке ракеты-носителя «Сатурн», с помощью которой корабль «Аполлон» достиг Луны.

Фон Браун постоянно подчёркивал, что основные принципы построения и конструктивные особенности его ракет были взяты им из книги Оберта.

Согласно высказыванию академика Б.В. Раушенбаха: «Среди пионеров ракетной техники и космонавтики Герман Оберт занимает особое положение. Он входит в шестёрку тех учёных и инженеров, в чьих работах впервые и наиболее полно были определены пути осуществления древнейшей мечты человечества – выхода человека в космическое пространство. Однако он единственный дожил до появления больших околоземных орбитальных станций и полётов людей на Луну».

В 1982 г. на Конгрессе, посвящённом запуску первого искусственного спутника Земли, Герман Оберт выступил с речью, в которой, в частности, сказал: «Человечество находится в большой опасности, раздробляя свои силы в международном соперничестве, но мы в состоянии указать ему на цели, которые выходят за пределы государственных границ и делают желательной совместную работу всех народов. Такой целью является космонавтика – как путь из земной ограниченности в бесконечность Вселенной, ведь космическая технология может предложить путь решения больших проблем, которые встанут в будущем перед человечеством». (Раушенбах Б.В. Герман Оберт. – М.:Наука,1994).

После окончания Конгресса Г. Оберт посетил музей космонавтики в г. Калуга, где в свои последние годы творил К.Э. Циолковский.

Сам Г. Оберт так оценивал свою роль в космонавтике: «…Моя заслуга состоит в том, что я теоретически обосновал возможность полёта человека на ракете…

То, что, в противоположность авиации, бывшей прыжком в неизвестное, где техника пилотирования отрабатывалась со многими жертвами, полёты на ракете оказались менее трагичными, объясняется тем, что основные опасности были предсказаны и найдены способы их устранения. Практическая космонавтика стала лишь подтверждением теории. И в этом заключается мой главный вклад в освоение Космоса».

В США одним из первых энтузиастов в вопросах космического полёта с помощью ракеты явился физик Роберт Хатчингс Годдард, опубликовавший в январе 1920 г. в Вашингтоне монографию «Метод достижения предельных высот», в которой, помимо теории, приведены и результаты экспериментов по пороховым ракетам.

Кроме того в 1926 г. Годдард сконструировал и запустил первую ракету на жидком топливе и разработал первое автоматическое рулевое управление полётом ракеты.

А теперь обратимся к теоретической части работ учёных и постараемся ответить на вопрос: почему летит ракета, схематическое устройство которой приведено на рис.3.

Принцип работы ракеты состоит в том, что газы, образующиеся в результате интенсивного сгорания горючего, например, керосина, в специальной камере с высокой скоростью через сопло вырываются наружу. Таким образом, ракета представляет собой тело, от которого с высокой скоростью отделяются частицы – продукты сгорания топлива. Подобная система переменной массы при отсутствии приложения к ней внешних сил и постоянстве относительной скорости отделяющихся от неё частиц подчиняется закону сохранения количества движения тела переменной массы:

где V – скорость движения тела переменной массы, т.е. ракеты; V_G – относительная скорость истечения продуктов сгорания на выходе ракеты; m– масса ракеты, уменьшающаяся в процессе полёта за счёт сгорания топлива от стартовой, начальной массы m₀ до конечной mК .

Данный закон в теоретической механике выводится из законов Ньютона. Само же количество движения или импульс силы определяется как вектор:

Преобразуем уравнение (1) к виду:

После интегрирования получим формулу, определяющую изменение скорости ракеты в зависимости от её массы:

где V₀ – начальная скорость ракеты, m0 – исходная масса ракеты, заправленной топливом (рис. 3).

Величина

m_K – неизменная часть массы ракеты, т.е. её конструкции и полезного груза; m_T – первоначальная масса топлива.

Согласно (3) полёт ракеты с возрастающей скоростью основан на отбрасывании ею с большой скоростью части собственной массы (рабочего тела) за счёт сгорания топлива, уменьшающего в процессе полета со значения m_T до 0.

При этом ракета рассматривается как твёрдое тело переменной массы, двигающееся в свободном пространстве.

При начальной скорости V₀=0 и постоянстве скорости истечения из ракеты газов V_G из (3) получим:

Формулу (5), приведённую в пионерской статье К.Э. Циолковского, называют часто по его имени.

В конце работы двигателя, когда всё топливо израсходовано и m = m_K формула (5) с учётом (4) принимает вид:

Именно эта формула и была приведена в статье К.Э. Циолковского

График функции (5) при V_G=4 км/с построен на рис.4, где x= m₀/m . Из данного графика, в частности, следует, что если к концу полёта за счет сгорания топлива масса ракеты уменьшится в 11 раз, то её скорость достигнет 9,6 км/с, а при уменьшении массы в 51 раз – скорость составит 15,7 км/с.

При прямолинейном движении ракеты, V₀=0 и расходовании топлива по линейному закону m(t)=m₀ – kt из (5) получим для изменения скорости:

где k [т/c] – скорость расходования топлива.

Для ускорения движения ракеты из (6) имеем:

Графики функций (7) и (8) при m0=100 т, k=1,8 т/с, V₀=0 и V_G=4 км/с построены на рис.5.

Не всегда удаётся получить требуемую конечную скорость ракеты V_К с целью выведения на орбиту требуемого полезного груза G . Для преодоления данного барьера применяют двухи трёхступенчатые ракеты, на что указывали и Циолковский, и Оберт.

В многоступенчатых ракетах по мере выгорания топлива отслужившие части ракеты отбрасываются, что существенно облегчает ракету и позволяет в конечном итоге достигнуть необходимой скорости – первой или даже второй космической.

При вертикальном подъёме ракеты её скорость будет зависеть и от ускорения свободного падения тела и определяться выражением:

Следует заметить, что нами на основании закона сохранения количества движения тела переменной массы (1) рассмотрена модель полёта ракеты первого приближения. В реальных условиях расчёта траектории полёта ракеты учитываются такие дополнительные факторы, как влияние на неё сил притяжения Земли и Луны, противодействие воздушной среды, конфигурация самой ракеты и много других причин. Но, подчеркнем ещё раз, главное, что определяет полет ракеты, выражено уравнением (1).

Идея К.Э. Циолковского, Германа Оберта и Роберта Годдарда об использовании ракет для осуществления космических полётов впервые была воплощена 4 октября 1957 г. в день выведения с территории СССР на околоземную орбиту первого в мире искусственного спутника Земли (ИСЗ) с помощью трёхступенчатой ракеты, главным конструктором которой был Сергей Павлович Королёв (1906-1965).

Жизнь большинства учёных и инженеров, стоявших у истоков ракетостроения, была сложной и тяжёлой. Но первым в ряду испытавших все невзгоды и несправедливость жизни стоит именно С.П. Королёв.

После окончания института молодой Сергей Королёв занимался конструированием планёров и лёгких самолетов. Но с 1932 г. он переключился на исследования, связанные с реактивным движением.

Первая созданная под его руководством ракета успешно стартовала в августе 1933 г. С этого момента целью его жизни, как позже писал сам Сергей Павлович, становится создание сначала реактивных самолетов, а затем и ракет. Но интенсивная и успешная работа энтузиаста в области ракетостроения была прервана арестом в 1937 г., когда в нашей стране были брошены в тюрьму десятки тысяч ни в чем не повинных учёных и инженеров. В их числе оказался и С.П. Королёв. Он был сослан на Колыму на золотые прииски, где каторжный труд оканчивался неминуемой смертью заключённых.

В конце 1939 г. заключённый Королёв был вызван в Москву на пересмотр его дела. С золотого прииска, где он работал, до Магадана было 600 км тяжелейшей дороги, и Королёв опоздал на последний пароход, ушедший во Владивосток. По трагическому стечению обстоятельств, пароход этот утонул, и вся его команда и пассажиры погибли. В буквальном смысле слова чудо спасло жизнь будущего главного конструктора мощных ракет и космических кораблей.

Пересмотр дела окончился не в пользу Королёва, и он ещё долгие шесть лет находился в заключении. Правда, на этот раз трудился не на золотых приисках, а в специальном конструкторском бюро, где занимался работой, связанной с созданием реактивных двигателей.

В 1947 г. освобождённый из заключения С.П.Королев возглавил в СССР работы по созданию мощных межконтинентальных ракет, с помощью которых началось освоение космического пространства.

Ракеты в большинстве случаев не используются изолированно, а входят в состав больших комплексов, выполняя в них определённую роль. В составе этих комплексов различают три вида управления ракетой: автономное, радиоуправление и самонаведение.

При автономном управлении задаётся траектория движения со стартовой позиции до конечного пункта. В этом случае цель управления сводится к минимизации фактической траектории движения ракеты от заданной, что осуществляется по программе, введённой в память центрального компьютера ракеты, управляющего её движением и выдающего команды на двигатели и рулевые машины.

При радиоуправлении ракета находится под постоянным радионаблюдением наземного командно-измерительного комплекса, формирующего для ракеты команды, передаваемые по радиоканалу на её борт, следуя которым она движется по вычисленной на Земле траектории.

При самонаведении ракета самостоятельно в зависимости от поставленной цели формирует и реализует необходимые команды управления.

Самым крупным типом ракеты является баллистическая ракета дальнего действия, имеющая несколько ступеней с силой тяги двигателя первой ступени, достигающей 5000 кН и более. На рис.6 показана баллистическая ракета: в процессе сборки (а), на стартовой позиции (б) и полёте (в).

Назначение баллистической ракеты состоит в выведении на околоземные орбиты спутников различного назначения – для радиосвязи, радиотелевизионных, радионавигационных, метеорологических, для астрономических наблюдений, картографирования, исследования недр Земли, военного назначения. Также ракеты выводят на околосолнечные орбиты исследовательские космические аппараты.

В.И. Каганов, доктор технических наук, профессор МИРЭА