И Циолковский изобрел ракетный двигатель, работающий не на твердом, а на жидком топливе. Без реактивного двигателя, работающего на жидком топливе, невозможно было бы существование всей современной реактивной авиации, давно уже вышедшей на простор сверхзвуковых скоростей. Кто не видел стремительных реактивных самолетов, молнией проносящихся от горизонта к горизонту или расчерчивающих голубое небо белыми расплывающимися кривыми! Эра реактивной авиации была предсказана Циолковским за много лет до появления первого реактивного самолета.
Но и реактивные двигатели самолетов не пригодны для осуществления межпланетного полета. Ведь они нуждаются в воздухе для своей работы, а воздуха нет в мировом пространстве. Очевидно, для космического корабля нужен был двигатель, который работал бы на жидком топливе и вместе с тем не нуждался в воздухе.
Такой двигатель — его называют жидкостным ракетным — изобрел Циолковский.
Этот двигатель прошел за три четверти века большой путь развития.
Первые четыре-пять десятилетий идеи Циолковского медленно и с трудом пробивали дорогу. Зато потом, начиная с середины нашего века, жидкостные ракетные двигатели стали стремительно развиваться. Все чаще устанавливались они на ракетах — высотных, дальних, метеорологических, на самолетах-истребителях, на управляемых снарядах. Все дальше, выше и быстрее стали летать самолеты и ракеты с этими двигателями. Были достигнуты высоты в сотни и тысячи километров, скорость полета в несколько километров в секунду, дальность — во много тысяч километров! Жидкостный ракетный двигатель стал надежным и совершенным. Однако создание этого двигателя еще не решало всей задачи межпланетного полета до конца (хотя от него и зависит главное). Каким должен быть сам межпланетный корабль, способный совершить полет на Луну или планеты солнечной системы? И на этот вопрос Циолковский дал исчерпывающий ответ.
Циолковский знал, что для преодоления земного тяготения, стоящего преградой на пути всякого межпланетного полета, кораблю должна быть сообщена огромная скорость, не меньше так называемой скорости отрыва, которая равна 11,2 километра в секунду, или 40 000 километров в час. Сколько же топлива нужно израсходовать, чтобы корабль приобрел такую невиданную скорость? Без ответа на этот вопрос нельзя спроектировать никакого межпланетного корабля. Если бы масса корабля оставалась в полете все время одной и той же, не составляло бы никакого труда решить данную задачу. Но масса межпланетного корабля, как и всякой ракеты, не остается постоянной в полете, она непрерывно и быстро уменьшается. Ведь па межпланетном корабле при взлете запас топлива составляет большую часть массы корабля — масса самого корабля и его полезной нагрузки по сравнению с топливом очень невелика. Почти все топливо расходуется за короткие минуты разгона корабля при взлете. Как же можно считать массу корабля постоянной!
До Циолковского наука о движении — механика — еще не умела рассчитывать движение тел с сильно изменяющейся массой. Механику тел переменной массы нужно было создавать заново — без нее нельзя было рассчитать полет ракет над Землей и полет космических кораблей в межпланетном пространстве. Честь создания этого нового важнейшего раздела механики принадлежит Циолковскому. Интересно, что почти одновременно с Циолковским и независимо от него над этой же проблемой работал другой известный русский ученый — И. В. Мещерский.
Разработка механики тел переменной массы, являющейся теоретической основой науки о движении ракет — ракетодинамики, а также астронавтики, — одна из величайших заслуг Циолковского.
Во всем мире знают установленный им закон движения ракеты, так называемую формулу Циолковского.
Формула эта выглядит так:
где V — обозначает конечную скорость ракеты; W — скорость истечения газов из сопла двигателя; Мm — массу топлива; Мk — массу корпуса, механизмов, полезного груза ракеты.
Формула эта позволяет подсчитать, сколько топлива нужно взять, чтобы получить необходимую скорость.
Мало того, формула прямо указывает, какими путями должна идти ракетная техника. Чтобы увеличить скорость ракеты V, необходимо либо увеличить W — скорость истечения газов, либо увеличить
— отношение массы ракеты при взлете к массе ракеты без топлива, иначе говоря, увеличить долю топлива в общем взлетном весе ракеты.
Идя по первому пути, конструкторы ракетных двигателей настойчиво боролись за увеличение скорости истечения, находя все новые виды топлива для двигателей, совершенствуя их охлаждение. Уже двадцать лет назад скорость истечения газов из лучших жидкостных ракетных двигателей составляла 2500 и более метров в секунду. Сейчас эта скорость увеличена до 4000 и даже 4500 метров в секунду.
Второй путь совершенствования ракетной техники — увеличение относительного запаса топлива на ракете. Чем большая часть взлетного веса ракеты приходится на долю топлива, тем больше конечная скорость ракеты. Можно построить ракету, где вес топлива в 3–4 раза превышает вес самой ракеты. Но для космических рейсов нужно, чтобы топливо весило в десятки и сотни раз больше, чем сама ракета.
И снова Циолковский указал на замечательную возможность преодолеть эту, казалось бы, непреодолимую трудность. Он предложил использовать составные ракеты, или ракетные «поезда». Межпланетный ракетный «поезд» составляется из нескольких связанных между собой ракет, причем ракеты, в которых все топливо выработано, отделяются от «поезда» и падают на Землю. В результате может быть достигнута очень большая конечная скорость. Идея Циолковского нашла широкое применение в ракетной технике. Развил эту идею советский ученый Ф. А. Цандер. Он предложил не сбрасывать на Землю опустошенные ракеты-ступени «поезда», а расплавлять их в специальных котлах и сжигать расплавленный металл в ракетных двигателях корабля. Естественно, что такое превращение вредного «балласта» в драгоценное топливо способно значительно увеличить скорость корабля. Цандер провел и первые опыты по сжиганию металлического «горючего» в жидкостных ракетных двигателях.
Ракетные «поезда» — составные ракеты — применяют уже давно. В частности, с помощью составных ракет в межпланетное пространство были заброшены искусственные спутники (о них речь ниже).
Но даже ракетные космические «поезда» не могут разорвать цепи земного тяготения и доставить людей на планеты или хотя бы на Луну. И опять-таки Циолковский высказал еще одну гениальную идею, которая долгие годы казалась утопической, а в наши дни уже реализована и с каждым годом будет приобретать все большее значение. Речь идет о создании искусственных спутников Земли и использовании их в качестве промежуточных топливозаправочных станций в мировом пространстве. Первые искусственные спутники, правда пока автоматические, без людей, уже начали свой бесконечный полет вокруг Земли. Они оказывают немалую службу науке. Но и теперь эти скромные спутники еще очень далеки от того, чтобы стать межпланетными транзитными вокзалами. Заправка топливом в мировом пространстве все еще связана с огромными трудностями. Эта проблема еще не решена. Но пройдут годы, и десятки и сотни искусственных спутников различной формы и назначения будут «крейсировать» в межпланетном пространстве, обращаясь на разных высотах вокруг Земли, Луны, а потом и вокруг Венеры, Марса, Солнца. С их помощью станет возможным посещение многих отдаленных уголков солнечной системы.
