Искусственный спутник Земли

Зигель Феликс Юрьевич

^{Рис. 7. Основатель астронавтики Константин Эдуардович Циолковский (1857–1935).}

Циолковский был одним из основателей астронавтики. Он впервые поставил задачу межпланетных перелетов на реальную техническую основу. В многочисленных трудах Циолковский доказал, что полеты на небесные тела — это не утопическая фантазия, а техническая проблема, которая рано или поздно будет решена человечеством.

«Человечество не останется вечно на Земле, — писал Циолковский, — но в погоне за светом

и пространством оно сначала робко проникнет за границы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство».

Ракета — вот тот двигатель, который по идее Циолковского позволит человеку стать «гражданином вселенной». На чем же основано это смелое утверждение, почему именно ракета станет первым космическим кораблем?

В праздничные дни, когда множество разноцветных ракет взлетают в небо под оглушительные раскаты артиллерийского салюта, миллионы глаз наблюдают движение, не требующее для себя никакой внешней опоры. Ракета подобна непрерывно стреляющей винтовке. Как винтовка, выбрасывая пулю, ударяет бойца в плечо, так и ракета движется за счет отдачи, «реакции». Роль пули в этом случае выполняют газы, вылетающие из ракеты, а вместо плеча бойца есть воздух, сопротивляющийся реактивному движению ракеты.

^{Рис. 8. Принцип действия ракеты.}

Подчеркиваем, что воздух мешает полету ракеты. Ракета вовсе не «отталкивается газами от воздуха». Она движется только за счет внутренних сил — сил отдачи. Кстати сказать, «отталкиваться газами от воздуха» примерно так же трудно, как «грести жидким веслом».

Полет ракеты есть проявление одного из законов природы — закона сохранения количества движения. Известно, что для характеристики различных механических движений физики употребляют величину, равную произведению массы тела m на его скорость ?. Эта величина m? и называется количеством движения.

Для взаимодействующих тел, на которые внешние силы не действуют^[5], верен закон:

общее (суммарное) количество движения тел системы остается постоянным.

Действие этого закона можно наблюдать повсюду.

Вот, например, в стоящий на биллиарде шар ударяется другой шар. Первый начинает двигаться вперед, а второй остается на месте. Это означает, что количество движения первого шара перешло ко второму, но общее количество движения двух шаров осталось неизменным.

А вот другой пример, более близкий к межпланетным перелетам. Из пушки с массой М вылетает со скоростью ? снаряд, масса которого m. Найдем, с какой скоростью u (вследствие отдачи) откатится при выстреле орудие.

По закону сохранения количества движения, общее количество движения системы «снаряд–пушка» остается постоянным. До выстрела оно равнялось нулю — и пушка и снаряд находились в покое. После выстрела общее, «суммарное», количество движения равно m?+Мu.

Отсюда следует, что m?+Mu=0, т. е. искомая скорость

.

Знак минус показывает, что скорость отдачи (отката орудия) направлена в сторону, противоположную движения снаряда.

Рассмотренная задача применима в известной степени и к ракетам. Газы, вылетающие из ракеты, уносят с собой некоторое количество движения и поэтому ракета получает такое же количество движения, но направленное в противоположную сторону.

Однако полет ракеты более сложен, чем движение снаряда. Масса последнего остается постоянной,

у ракеты же, непрерывно выбрасывающей из себя газы, масса меняется. Это осложняет расчеты, и по приведенной выше формуле вычислить конечную скорость ракеты (т. е. скорость, которую она приобретает, израсходовав все свое топливо) нельзя.

Теория полета ракеты в межпланетном пространстве была разработана К. Э. Циолковским. Им, в частности, выведена формула, которую можно считать основной формулой астронавтики.

Предположим, что первоначальная масса ракеты (вместе с топливом) М₀, ее масса без топлива М, скорость вытекания газов из ракеты c, а конечная скорость, которую приобретает ракета, ?. Тогда, как доказал Циолковский, перечисленные величины связаны следующей формулой:

где е есть иррациональное число, приближенно равное 2,718.

Разберемся прежде всего в том, от каких причин зависит конечная скорость ракеты ? и от чего она не зависит.

Формула Циолковского утверждает, что в среде без тяжести конечная скорость ракеты зависит только от отношения первоначальной массы ракеты к конечной (

)и от скорости вытекания газов с. Значит, ни размеры ракеты, ни порядок или продолжительность действия ракетного двигателя на конечную скорость ракеты не влияют. По словам Циолковского: «Происходит ли горение равномерно или нет, длится ли оно секунды или тысячелетия — это все равно: даже перерывы ничего не значат».

И огромная ракета, весящая тысячи тонн, и маленькая ракета весом в сотни граммов могут приобрести одинаковые скорости, лишь бы у них было одинаково отношение

и обе ракеты работали бы на одинаковом топливе (т. е. если у них скорость с была бы одинакова).

Ракетный двигатель действует и в безвоздушном пространстве, а потому, как уже отмечалось, воздух для полета ракеты не нужен. Однако для того, чтобы ракета стала межпланетным кораблем, ей необходимо развить «скорость отрыва от Земли», равную 11,2

. Тогда, набрав эту скорость, ракета полетит дальше уже без затраты топлива — как брошенный камень или выстреленный снаряд. Следовательно, разогнавшись до нужной скорости, ракета затем бoльшую часть полета совершит «на холостом ходу», с выключенным двигателем. Только таким путем при современных видах топлива и можно достичь небесных тел.

На рисунке 9 изображена схема межпланетного корабля по проекту Циолковского. Это — огромная ракета, в передней части которой помещаются пассажиры, приборы, аппараты для дыхания, запасы продовольствия. Остальная часть ракеты занята топливными баками и ракетным двигателем.

^{Рис. 9. Схема космической ракеты Циолковского.}

Циолковский предлагал использовать в качестве топлива жидкие вещества, занимающие сравнительно небольшой объем. В его проекте жидкий углеводород, игравший роль горючего, соединялся с окислителем — жидким кислородом. Возникающая при сжигании смеси двух веществ раскаленная газовая струя вытекает с большой скоростью из сопла ракеты и создает тем самым нужную реактивную тягу.