Всё о космических путешествиях за 60 минут - Пол Парсонс

Некоторые образцы этого оружия были захвачены англичанами и стали источником вдохновения для программы военных ракетных исследований в Королевском арсенале в Вулидже, которую возглавлял изобретатель и политик Уильям Контрив. Позаимствовав индийскую технологию, он построил ряд ракет, состоявших из железных цилиндров со стабилизаторами из длинных реек, – очень похожих на современные фейерверки (хотя и намного больших по размеру). Самые большие ракеты Конгрива весили сотни килограммов, в длину достигали 9 метров и имели радиус действия более 3 км. Каждая из них снабжалась поражающим снарядом, который, однако, часто выпадал во время полета.

Конгрив успешно продемонстрировал свои первые ракеты в сентябре 1805 года. Тем не менее они были довольно неточными. Британский инженер Уильям Хейл позднее решил эту проблему. Он снял рейки и изменил направление выпускных патрубков таким образом, чтобы ракета во время полета вращалась – так же, как вращается винтовочная пуля, чтобы предотвратить отклонение от курса.

Потенциал этих смертоносных орудий для космических полетов казался неясным до начала XX века, когда его открыл русский гений Константин Циолковский.

Константин Циолковский (1857–1935)

Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857 года в Рязанской губернии на западе Российской империи. Из-за проблем со слухом, вызванных перенесенной скарлатиной, учился он в основном на дому. Это позволило будущему ученому углубляться в темы, которые интересовали его больше всего, и уже в подростковом возрасте он начал размышлять о возможности космических путешествий. Позже Циолковский стал зарабатывать преподаванием, а свободное время посвящал собственным исследованиям и написанию множества научных работ. С 1890-х годов он начал разрабатывать теорию ракетостроения, применяя известные физические законы, чтобы определять поведение ракеты в полете. Он опубликовал свои выводы в работе 1903 года под названием «Исследование мировых пространств реактивными приборами», которая послужила источником вдохновения для инженеров, впоследствии сделавших ракеты для путешествий реальностью. Циолковский провел большую часть своей взрослой жизни в отшельничестве, живя в бревенчатом доме недалеко от Калуги, в 150 км к юго-западу от Москвы. Он умер в Калуге 19 сентября 1935 года от рака желудка.

Действие и противодействие

Циолковский превратил ракетостроение в науку, управляемую строгой математикой, позволяющей точно предсказывать и изучать поведение ракеты. Именно исследование Циолковского превратило ракеты из грубого оружия в транспортное средство, которое в конечном итоге доставит людей в космос.

Возможно, величайшим вкладом Циолковского стала так называемая формула Циолковского, которую он опубликовал в 1903 году. По этой формуле рассчитывается скорость, которую ракета может достичь, с учетом ее изначальной массы (с полным баком топлива), ее «пустой» массы (без топлива) и скорости выхлопной струи, выбрасываемой двигателем. Общее увеличение скорости, создаваемое сжиганием всего топлива ракеты, известно как Δv, где v – скорость, а Δ является математическим обозначением изменения. Это характеристическая скорость ракеты.

У меня есть своя жизненная позиция. Я здесь, чтобы выполнить работу, и я знаю, что у меня есть возможность сделать ее, и именно на этом я концентрируюсь.

Анни Изли, ученый NASA (2001)

Циолковский вывел свою формулу из работы сэра Исаака Ньютона, великого британского физика. Он сформулировал три емких закона, описывающих поведение движущегося объекта. В первом говорится, что объект будет поддерживать состояние покоя или равномерного движения, если на него не действует никакая сила. Второй гласит, что если на объект с массой т действует сила F, то он будет набирать скорость с ускорением а, так что F = та. Но больше всего Циолковского интересовал третий закон Ньютона. В нем утверждается, что сила действия равна по величине и противоположна по направлению силе противодействия. Сядьте на стул, и он окажет сопротивление, чтобы вы не упали на пол.

По этой причине винтовка бьет стрелка в плечо во время выстрела: одна сила толкает пулю вперед, тогда как равная и противоположная сила толкает оружие назад. Второй закон Ньютона объясняет, почему, несмотря на то что на пулю действует та же сила, она летит с большой скоростью, а гораздо более тяжелое оружие движется относительно медленно. Так же выхлопные газы из ракеты, имея малую массу, выходят из двигателя на очень высокой скорости, в результате чего ракета, обладая относительно большой массой, постепенно набирает скорость, двигаясь в противоположном направлении.

Поставь их друг на друга

Формула Циолковского гласит, что максимальная скорость, достигаемая ракетой, увеличивается вместе со скоростью ее выхлопных газов. Например, ракета, у которой 90 % ее стартовой массы приходится на топливо, может набрать Av, в 2,3 раза превышающую скорость выхлопных газов. Это означает, что если выхлопные газы движутся со скоростью 2500 м/с (или 9000 км/ч – такая скорость достигается некоторыми современными ракетами), то конечная скорость ракеты составит 5750 м/с – что эквивалентно 20 700 км/ч.

Кажется впечатляющим, и этого хватит, чтобы доставить вас выше линии Кармана. Однако такой скорости недостаточно, чтобы добраться до околоземной орбиты – не говоря уже о более дальних точках назначения. Согласно закону всемирного тяготения вращение вокруг Земли требует подъема на высоту не менее нескольких сотен километров над поверхностью планеты. С учетом гравитации для этого необходима скорость 7800 м/с (28 080 км/ч).

Если сверху большой ракеты установлена маленькая и если большая ракета отбрасывается, а малая запускается, то их скорости складываются.

Герман Оберт (1967)

Пытаясь придумать, как решить эту проблему, Циолковский задался вопросом: что, если полезная нагрузка ракеты – 10 % от стартовой массы – окажется другой, меньшей, ракетой? Когда первая ракета заканчивает гореть, она отбрасывается, и меньшая ракета, которая теперь движется со скоростью 5750 м/с (20 700 км/ч), запускает собственные двигатели. Когда и они исчерпывают свое топливо, набираются дополнительные 5750 м/с, так что конечная скорость вырастает до 11 500 м/с (41 400 км/ч). Добавление ступеней увеличивает ее еще больше. Эта идея известна как «многоступенчатость». Циолковский доказал, что многоступенчатая ракета способна доставить в космос больший груз, чем одноступенчатая, при одинаковой стартовой массе.

Недостатком такого подхода является то, что масса полезной нагрузки уменьшается. Ракета, состоящая из п ступеней, полезная нагрузка каждой из которых составляет 10 % от полной массы ступени, может иметь полезную нагрузку, равную 0,1" от общей массы ракеты. Для двухступенчатой ракеты это 0,01, для трехступенчатой – 0,001 и так далее. Это означает, что полезная нагрузка трехступенчатой ракеты с общей стартовой массой 50 000 кг составит всего 50 кг.

Таким образом, запуск достаточно массивного груза в космос требует действительно огромных многоступенчатых ракет. Многоступенчатость была использована NASA в лунной программе «Аполлон» в 1960-х годах. Запущенная в ее рамках трехступенчатая «Сатурн-5» по-прежнему остается самой большой из когда-либо существовавших ракет. Это