Чтение онлайн

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.

Ракета Циолковского — управляемый космический корабль. Регулируя скорость вытекания газов, можно изменять скорость полета ракеты. Если же в струе выходящих газов установить плоские рули из графита, то отражение этими рулями газовой струи приведет к изменению направления полета ракеты.

Таково устройство ракеты Циолковского. Способен ли, однако, такой космический корабль развить нужную скорость? Артиллерийский снаряд не может лететь быстрее, чем расширяются газы в стволе орудия. Иначе ведет себя ракета.

Теоретически говоря, ее скорость может быть сколь угодно большой. Увеличивая неограниченно отношение

и принимая скорость с постоянной, мы можем сделать скорость ? любой. Так, например, считая с равной 4 , мы, при отношении =100, получим, по формуле Циолковского, ? примерно равным 8,5 , а увеличив отношение до 10 000, найдем, что ? возросло до 36,8 .

Практически же дело обстоит сложнее. В приведенных примерах вес ракеты без топлива составляет 0,01 или даже 0,0001 долю ее веса с топливом. Это означает, что полезному грузу, в частности пассажирам, в таком космическом корабле будет отведена лишь ничтожная его часть.

Если вспомнить, что в цистерне с керосином ее содержимое всего только в 13 раз тяжелее тары и даже в пчелиной ячейке тонкая восковая оболочка в 60 раз легче меда, то нереальность приведенных примеров становится очевидной.

В современных ракетных двигателях скорости истечения газовых струй достигают 2500 метров в секунду. Если принять, что с=2500

, то для достижения «скорости отрыва» необходимо, чтобы отношение для космического корабля было равным 90, т. е. чтобы на долю пассажиров пришлась всего 1/90 часть веса ракеты. Ясно, что и такой корабль неосуществим.

Есть ли выход из этих затруднений, достижимы ли вообще космические скорости?

Одно из возможных решений — увеличение скорости вытекания газов из ракеты (с). Для этого необходимо увеличить теплотворную способность топлива, его калорийность, т. е. количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 кг топлива.

В настоящее время в реактивных двигателях в качестве горючего употребляются почти исключительно углеводороды и спирты, а в качестве окислителя используется кислород воздуха. Однако скорости истечения в таких двигателях еще сравнительно невелики. Так, например, в двигателях реактивных самолетов, работающих на бензине, скорость истечения продуктов горения не превышает 700–800

. Даже если в качестве окислителя применять жидкий кислород, то и тогда скорость истечения не превысит 2500 . Это — рекорд, который пока достигнут в данном вопросе.

В недалеком будущем удастся, по-видимому, использовать более калорийные топлива и тем самым получить большие скорости истечения.

Очень калорийным горючим является жидкий водород. При сжигании в кислороде он может обеспечить скорость истечения до 3,75

. К сожалению, водород обладает большим недостатком — его удельный вес очень мал. Так как жидкий водород в 15 раз легче воды, то для размещения этого топлива на космическом корабле потребуются огромные топливные баки, что сильно утяжелит ракету и, следовательно, затруднит ее полет. Вот почему жидкий водород вряд ли будет использован при межпланетных перелетах.