Теория космонавтики

Путь к звездам

Пророк космической эры

Первый выход летательного аппарата за пределы земной атмосферы, первый полет человека в космос, запуск первого искусственного спутника Земли. Все это началось задолго до того, как инженеры XX века приступили к сборке первой космической ракеты. Все это возникло в виде идей в фантастическом разуме одного невероятного человека, философа, ученого, изобретателя, родившегося в Российской империи на изломе XIX столетия. Звали его Константин Эдуардович Циолковский.

Он предвидел ракеты, орбитальные станции и выход в открытый космос задолго до того, как они стали реальностью. Но ни одно творение рук человеческих, как известно, не появляется в реальности, прежде не возникнув в чьей-то голове. Циолковский стал основоположником теоретической космонавтики, открыв человечеству дорогу к звездам.

В небо… и выше!

Циолковский не мог похвастаться красными дипломами ведущих университетов страны, своим образованием он всегда занимался сам. Однако отсутствие формального образования ничуть не сказалось на эффективности его научной деятельности. Циолковский разработал кинетическую теорию газов спустя десятилетия после того, как она стала известна широкой общественности, но сделал это совершенно самостоятельно, что лишний раз доказывает гениальность его ума.

Основные работы Константина Циолковского в технической сфере посвящены трем направлениям: созданию цельнометаллического дирижабля, оптимизированных самолетов и поездов, а также ракет для межпланетных путешествий.

Во времена Циолковского слово «дирижабль» еще не вошло в широкое употребление в русском языке, так что в научных статьях они фигурируют под термином «аэростаты».

И тем не менее дирижабли и Константин Циолковский – это целая история безграничной любви человека к своему делу. Больше 50 лет изучения, 40 научных работ и несколько экспериментальных моделей. Ученый считал, что аэростаты в перспективе смогут заменить собой весь железнодорожный транспорт Советского Союза, облегчив сообщение между самыми дальними его точками. Перед смертью Циолковский отправил телеграмму правительству СССР, которую закончил словами:

«Уверен, знаю – советские дирижабли будут лучшими в мире».

Дирижабли конца XIX века проектировались из прорезиненной ткани, которая быстро изнашивалась, так что срок их службы был небольшим. Другим недостатком была взрывоопасность. Из-за проницаемости ткани водород, которым наполняли аэростаты, быстро улетучивался, а внутрь проникал воздух, что приводило к образованию гремучего газа, смеси водорода с кислородом. Одна маленькая искра, и летучий корабль просто взрывался.

Циолковский пытался решить эти проблемы. В 1890 году он через Дмитрия Менделеева отправил работу «О возможности построения металлического аэростата» в Императорское Русское Техническое Общество. Общество отказало ученому в субсидии с формулировкой:

«Аэростат обречен навеки силою вещей остаться игрушкой ветров».

Но Циолковский не сдался и построил аэродинамическую трубу. Он сам подготовил модели оболочки аэростата и крылья толстого профиля. Дирижабли Циолковского гарантировали пожарную безопасность, были гораздо больше и мощнее своих предшественников, их можно было эксплуатировать много раз, а производство требовало меньше времени и денег. И хотя они так и не были построены, это запустило мысли великого ученого по пути воздухоплавания, а дальше было больше.

Самолет и паровоз

В одном из романов русского фантаста Александра Беляева есть описание аппарата, летящего с огромной скоростью в стратосфере, названного «стратопланом».

«Эта машина летела с бешеной скоростью. Три металлические сигары соединены боками, снабжены хвостовым оперением и покрыты одним крылом – таков внешний вид стратоплана… …пассажиры и пилоты помещаются в левом боковом корпусе, в правом – горючее, а в среднем – воздушный винт, сжиматель воздуха, двигатель… …самолет движется силой воздушного винта и отдачею продуктов горения».

Этот аппарат был придуман не кем иным, как Константином Циолковским на излете XIX века и описан в его трудах «К вопросу о летании посредством крыльев» (1890-1891 годы), «Аэростат, или птицеподобная летательная машина» (1894 год).

Ученый предполагал, что его устройство будет летать в высоких слоях атмосферы, потому что разреженный воздух сможет обеспечить большую скорость. Это принцип, применяемый во всей современной авиации для экономии топлива и оптимизации скоростного полета. Стратоплан должен был состоять из трех корпусов-фюзеляжей, соединенных одним крылом. Два – по краям - герметичны, как фюзеляж современного самолета, и предназначены для людей и горючего. Средний имеет два отверстия переменной площади, которые сужаются с ускорением самолета. Такая конструкция позволяет стратоплану взлетать даже с поверхности озер или морей, превращая его в гидроплан.

У современных самолетов фюзеляж всегда обтекаем, а шасси выдвигаются из-под корпуса перед самой посадкой. Эти идеи тоже были предложены Циолковским, но его революционные идеи настолько опережали время, что реализовать их при его жизни попросту не успели.

В 1928 году ученый опубликовал статью «Сопротивление воздуха и скорый поезд», в котором предложил «сверхэкспресс» – вагон с плоским основанием, без колес, который скользит по ровной площади полотна-пути и способен развивать скорость в 1000 км/ч. Принцип его движения стал основой современных транспортных средств на воздушной подушке, первое из которых появилось лишь 26 лет спустя. Казалось бы, как новый поезд был связан с мечтой Циолковского о полетах? Но кажущийся мятущимся гением Циолковский оказался на деле невероятно расчетливым стратегом. Все это время у него в голове был четкий план. На примере сверхэкспресса ученый в первом приближении разработал теорию полета объектов на сверхзвуковых скоростях, а уже оттуда перешел к своему величайшему труду…

Запредельный полет

В 1903 году Циолковский опубликовал «Исследование мировых пространств реактивными приборами», где впервые высказал мысль о том, что аппаратом для космических перелетов должна стать именно ракета. Он сразу предложил и первый проект ракеты дальнего действия с продолговатым металлическим корпусом и реактивным двигателем.

Идея дозаправки ракет прямо во время полета переливанием топлива от ракет-спонсоров, позже использованная в практической космонавтике, тоже принадлежала Циолковскому. Но все не так просто.

Это было совсем не похоже на дозаправку в воздухе, которую демонстрируют во время смотров авиации современные военные самолеты. Циолковский рассматривал два типа соединения ступеней для многоступенчатой ракеты.

Первый из них, названный параллельным, описывался так. Стартуют, например, восемь ракет. Четыре из них, сжигая половину топлива, переливают остаток другим четырем и отсоединяются, облегчая взлетающую конструкцию. Оставшиеся четыре ракеты делятся на два и два по тому же принципу. В итоге путь продолжает только одна. Этот вариант Циолковский назвал «эскадрильей ракет».

В качестве альтернативы был предложен последовательный способ соединения или, как называл его сам ученый, «ракетный поезд»: ракеты соединяются последовательно, одна за другой, но в начале полета топливо тратит только первая (нижняя). Когда топливо в ней кончается, она отделяется и падает на Землю. За работу принимается следующая, и так по очереди. Конечно, это было не похоже на поезд в прямом смысле слова, ведь ступени не тянули за собой всю конструкцию, а, наоборот, толкали перед собой. Как бы то ни было, этот принцип получил широчайшую практику в космических полетах всего мира.

Думал Циолковский и о «космическом лифте», кабина которого двигалась бы со скоростью 11 километров в секунду. Башня высотой 35 000 километров должна была буквально «выталкивать» корабли в атмосферу. Разумеется, такой лифт оставался лишь теоретической разработкой. Ни один из материалов, известных во времена Циолковского, не смог бы выдержать и сотой доли такой нагрузки.

Циолковский предложил способ старта ракет «с эстакады по наклону», который позже был применен на практике в военной артиллерии, а конкретнее – в системах залпового огня «Катюша», «Град», «Смерч». Космические же ракеты по плану Циолковского взлетали по оптимальной траектории – ровно вверх.

Общий план по освоению космоса Циолковского содержал 16 пунктов или «ступеней развития и преобразования аэропланного дела». Первые из них заложили основы реактивных двигателей ракет и самолетов, искусственных спутников, орбитальных станций и космических скафандров, которые, как известно, уже воплощены в реальность в наши дни.

Последующие рассказывали о существовании человека в космосе. Циолковский предполагал, что оранжереи и сады на других планетах и орбитальных станциях, а внутри космических кораблей – колонии малорослых растений решат проблему питания и переработки углекислого газа и, как следствие, позволят неограниченно создавать необходимый запас воздуха вдали от земной почвы и атмосферы. Ученый разработал технологию компактной «упаковки» основы для будущих космических садов и методы их перевозки на космолетах будущего. 

Последние этапы плана Циолковского предполагали покорение космического пространства, расселение человека на другие планеты. Если придерживаться данной стратегии, то уже в ближайшем будущем нам предстоит создать космические поселения вокруг Земли, колонии в поясах астероидов и на небольших небесных телах, где будут опробованы и доведены до совершенства все средства автономной жизни человека в космосе. Со временем, считал русский гений, человечество умножится сотни тысяч раз больше того, что было в начале XX века, становясь населением не планеты, но всей Солнечной системы. Циолковский верил, что даже спустя миллионы лет, после того как погаснет наше Солнце, люди отправятся к другим звездам, осваивая все новые и новые безграничные пространства космоса. Он предполагал, что грядущие поколения будут жить в «эфирных городах» – жилищно-производственных комплексах, по сути, космических ковчегах, которые можно сразу использовать как транспортное средство.

Единое, безграничное, вечное

Научные идеи Циолковского часто рассматриваются отдельно от его философских взглядов, но родились они в большинстве своем на почве «космической философии». Так сам ученый называл философское направление, которым занимался.

Он верил в идею единства человека и Вселенной и считал, что колонизация космоса приведет человечество к совершенству и бессмертию, что именно человек возьмет на себя ответственность за совершенствование всех миров, которые найдет. Зачастую его работам, действительно, не хватает академической строгости, они больше похожи на интуитивные предположения и идеи писателей-фантастов. Циолковский-философ, возможно, представляет для современного человека больший практический интерес, чем Циолковский-ученый, но его влияние на развитие науки неоспоримо. Он научил этот мир мечтать о покорении космоса, а это, в свою очередь, породило цепную реакцию научно-инженерной мысли, которая уже сегодня привела к реальным результатам, порой кажущимся фантастическими.

Будучи еще школьником, великий советский конструктор ракетно-космической техники Валентин Глушко в 1923 году написал Циолковскому с просьбой отправить ему копии всех его сочинений. Циолковский ответил, прислал копии и много лет вел активную переписку с юным дарованием. Через 50 лет Глушко построил «Энергию» – советскую ракету-носитель сверхтяжелого класса. Еще один поклонник идей Циолковского – отец русского ракетостроения и космонавтики Сергей Королев – в итоге спроектировал «Восток», на котором в космос отправился Юрий Гагарин.

«Судьба изобретателя – всегда опережать то время и те возможности, в которых он живет», – писал Циолковский.

Фантазии и мечты Циолковского о едином человечестве, покоряющем космические просторы, и сейчас могут показаться утопическими. Тем более трудно было поверить в их осуществимость сто с лишним лет назад. Но вот ведь какой занимательный факт: от начала прошлого столетия и до наших дней почему-то не иссякает поток ученых, инженеров и конструкторов, которые с огнем в глазах и в сердцах воплощают идеи нашего великого соотечественника.

Человечество уже сегодня находится в самом центре великого плана Циолковского по освоению космического пространства, хотя, возможно, не все и не всегда это осознают. Мы, люди, всегда были беспокойным видом, всегда стремились за горизонт, все дальше и все выше, к порогу неизведанного. «Меня вечно томит жажда познать отдаленное…» - эти слова писателя Германа Мелвилла процитировал в своем знаменитом выступлении один из величайших астрофизиков XX века Карл Саган, добавив, что «долгие лета и умеренные зимы, обильный урожай не длятся вечно. И своей жизнью мы может быть обязаны тем немногим беспокойным умам, которых неумолимо влечет к неизведанным землям и новым мирам». Константин Циолковский был совершенным воплощением этого взгляда на жизнь и будущее нашего вида.