Космические пророчества докосмической эры

КОСМИЧЕСКИЕ ПРОРОЧЕСТВА ДОКОСМИЧЕСКОЙ ЭРЫ («Школьный Вестник» №4 за 2023 год)

4 ноября 1957 года информационные агентства всего мира облетело сенсационное сообщение: в СССР был запущен первый в мире искусственный спутник Земли. Это событие ознаменовало начало космической эры. Советский Союз стал космической державой. Вместе с развитием космических наук и явлений, связанных с изучением космоса, в наш обиход вошло много слов и понятий: космонавт, спутник, ракета, орбита, космодром, стыковка. И стало казаться, что все эти слова для русского языка совершенно новые. А между тем это совсем не так.
Слово «ракета» появилось в русском языке при Петре I, большом любителе фейерверков. Оно было заимствовано из немецкого языка, а в немецкий, пришло от итальянского «rоссhеttа», что означает «веретено». Действительно, форма ракеты похожа на веретено, она такая же длинная, обтекаемая, с острым носом. Сейчас веретено можно увидеть только в музее, мало кто держал его в руках, зато все знают, как выглядит ракета. И теперь на вопрос «как выглядит веретено?» можно смело отвечать: «как маленькая ракета».
Время появления первой ракеты неизвестно. Считается, что первые ракеты получились случайно. В I веке н. э. в Китае из селитры, серы и угольной пыли изобрели порох. Во время религиозных праздников в костры бросали бамбуковые трубки, наполненные порохом. Большинство из них взрывались, образуя фейерверки. Но некоторые трубки не взрывались, а вылетали из костра и мчались в небо благодаря газу, образовавшемуся от сгорания «начинки». Кто-то догадался, что трубку с горящим порохом можно запустить из лука. Это открытие сделало неизвестного лучника создателем первой в мире ракеты.
Почему и как летают ракеты, английский физик Исаак Ньютон объяснил только во второй половине XVII века, открыв три важнейших закона классической механики. Вряд ли великий учёный подозревал, что его открытия заложат основы будущей ракетной техники.
А в XX веке школьный учитель физики Константин Эдуардович Циолковский придумал ракетам новую профессию. Он мечтал о том, как человек полетит в космос. Циолковский умер задолго до того, как это случилось, но его всё равно называют отцом космонавтики.
В 1903 году Циолковский опубликовал свой классический труд «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в котором впервые была научно обоснована возможность осуществления космических полётов при помощи ракеты и даны основные расчётные формулы её полёта. В этой же работе было уделено большое внимание вопросу о поисках наилучшего топлива для космической ракеты. До конца XIX века находили применение лишь реактивные двигатели на твёрдом топливе — пороховые ракеты. Однако Циолковский показал, что для ракет дальнего действия наиболее эффективным явится двигатель, работающий на жидком топливе с окислителем, и дал принципиальную схему такого двигателя.
Космос — это безвоздушное пространство, вакуум. Самолёт при взлёте опирается на воздух. А ракете, чтобы взлететь, воздух не нужен. Её поднимает реактивная сила. Реактивный двигатель устроен очень просто. В нём есть специальная камера, в которой сгорает топливо. При сгорании оно превращается в раскалённый газ. Из камеры есть только один выход — сопло, его направляют назад, в сторону, противоположную движению ракеты. Раскалённому газу тесно в маленькой камере, и он с огромной скоростью вырывается через сопло, со страшной силой отталкивается от ракеты и толкает её вперёд.
Мы привыкли думать, что космическая эра в истории человечества началась 4 октября 1957 года. Однако это не совсем так. С середины XIX по первую половину XX века в научной и научно-популярной печати весьма активно обсуждались проекты космических кораблей для межпланетных перелётов. Среди космических проектов докосмической эры встречались не только совершенно фантастические, но и вполне обоснованные с научной точки зрения. Задумывались о разработке стратегии завоевания космического пространства с помощью реактивного двигателя и в России.
С середины XIX века многие изобретатели выдвигали самые необыкновенные проекты использования силы реактивной отдачи в транспортных системах. Но в их ряду революционер Николай Кибальчич стоит особняком. Во-первых, он — человек ярчайшей судьбы. Во-вторых, он сформулировал новый и не встречавшийся в других проектах ракетодинамический принцип создания подъёмной силы, исключавшей воздух как опорную среду.
До Кибальчича авторы проектов реактивных летательных аппаратов как в России, так и в других странах предлагали использовать принцип реактивного движения лишь для осуществления перемещения аэростата либо аэроплана в горизонтальном направлении, то есть для приведения летательного аппарата в движение. Подъёмная же сила во всех без исключения проектах должна была создаваться либо за счёт газа легче воздуха, либо за счёт обтекания несущих поверхностей (крыльев) потоком воздуха. Совершенно на ином принципе был основан летательный аппарат Кибальчича, для полёта которого атмосфера не только не была необходима, но даже вредна, так как создавала дополнительное сопротивление.
Николай Кибальчич был одним из шести членов партии «Народная воля», обвинённых в убийстве царя Александра II, произошедшем 1 марта 1881 года. Суд, состоявшийся с 7 по 9 апреля 1881 года в Петербурге, завершился вынесением смертного приговора всем шести обвиняемым. Организатором группы был Александр Желябов, который во время суда не упускал ни малейшей возможности выступить с обличительной политической речью. Человеком, бросившим бомбу в царя, был Николай Рысаков; участие же Кибальчича выразилось в том, что он изготовил бомбы и обучил Рысакова и других ими пользоваться.
Кибальчич был арестован 29 марта 1881 года. Когда в один из первых дней апреля адвокат вошёл в камеру Кибальчича, он ожидал встретить фанатичного революционера или отчаянного преступника, а увидел перед собой хорошо одетого, спокойного молодого человека, погружённого в глубокое раздумье. Кибальчич думал не о своей судьбе, он был занят изобретением некоего летательного аппарата. И первые же слова, с которыми обратился он к защитнику, были просьбой добиться разрешения писать в камере.
Итогом этих раздумий стала записка, ныне известная под названием «Проект воздухоплавательного прибора». В письме министру внутренних дел Лорис-Меликову, отправленном за три дня до казни, Кибальчич настойчиво просил: «По распоряжению вашего сиятельства мой проект воздухоплавательного аппарата передан на рассмотрение технического комитета. Не можете ли ваше сиятельство сделать распоряжение о дозволении мне иметь свидание с кем-либо из членов комитета по поводу этого проекта».
Начальник Департамента государственной полиции наложил на записку Кибальчича следующую резолюцию: «Приобщить к делу 1 марта. Давать это на рассмотрение учёных теперь едва ли будет своевременно и может вызвать только неуместные толки». Записку положили в архив Департамента полиции, откуда она была извлечена и обнародована лишь через 36 лет — в августе 1917 года.
Предложенный Кибальчичем «воздухоплавательный прибор» имел вид платформы с отверстием в центре. Над этим отверстием устанавливалась цилиндрическая «взрывная камера», в которую должны были подаваться «свечки» из прессованного пороха. Для зажигания пороховой свечки, а также для замены их без перерыва в горении Кибальчич предлагал сконструировать особые «автоматические механизмы».
Машина сначала должна была набрать высоту, а потом перейти на горизонтальный полёт, для чего «взрывную камеру» следовало наклонять в вертикальной плоскости. Скорость предполагалось регулировать размерами пороховых «свечек» или их количеством. Устойчивость аппарата при полёте обеспечивалась продуманным размещением центра тяжести и «регуляторами движения в виде крыльев».
Мягкая посадка «воздухоплавательного прибора» должна была осуществляться простой заменой более мощных пороховых «свечек» на менее мощные.
Летательный аппарат Кибальчича принципиально был пригоден и для полётов в безвоздушном пространстве. Сам автор об этом не говорил. Он ставил перед собой более скромную задачу, что явствует из названия проекта. Никто из изобретателей ракетных транспортных систем того времени не смотрел на своё изобретение как на средство, позволяющее покинуть пределы земной атмосферы — то была тема для фантастов. И всё же первый проект ракетного космического корабля был уже не за горами.
В марте 1918 года проект «Воздухоплавательного прибора» Кибальчича фактически «переоткрыл» Николай Алексеевич Рынин — профессор Института инженеров путей сообщения, активный пропагандист воздухоплавания, а в дальнейшем видный теоретик космонавтики. Редакция журнала «Былое» отправила ему копию записки Кибальчича, извлечённую из архива Департамента полиции, и попросила дать развёрнутый отзыв. Рынин прямо увязывал «воздухоплавательный прибор» с идеей межпланетных полётов, ставя Кибальчича в один ряд с Циолковским и другими основоположниками теоретической космонавтики.
Почти одновременно с Кибальчичем, но совершенно независимо от него и, по всей вероятности, даже не зная о его проекте, над проблемой реактивного полёта начал работать другой русский учёный-изобретатель — Сергей Сергеевич Неждановский.
Вопросами воздухоплавания Неждановский начал заниматься в конце 1870-х годов, а в июле 1880 года он впервые пришёл к мысли о возможности устройства реактивного летательного аппарата, о чём свидетельствует относящаяся к этому времени запись в его рабочей тетради: «Летательный аппарат возможен при употреблении взрывчатого вещества; продукты его горения извергаются через прибор вроде инжектора».
В конце 1880 года Неждановский делает уже некоторые вычисления, относящиеся к ракетному летательному аппарату, приводимому в движение за счёт реакции пороховых газов. Рассчитав два варианта двигателя (при давлении пороховых газов, равном 150 и 200 атмосфер), Неждановский пришёл к следующему выводу: «Думаю, что можно и не мешает устроить летательный аппарат. Он может носить человека по воздуху по крайней мере в продолжение 5 минут. Раструб, выпуская воздух с наивыгоднейшей скоростью, доставит экономию в горючем материале и увеличит время и продолжение полёта».
В отличие от большинства изобретателей, занимавшихся до него решением проблемы реактивного полёта, Неждановский почти совершенно не занимался разработкой конструкции летательных аппаратов, уделяя основное внимание проблеме создания двигателя и поиску оптимального топлива для него. Особого внимания заслуживает предложение Неждановского применять в качестве источника энергии взрывчатую смесь, состоящую из двух жидкостей — горючего и окислителя. Это уже похоже на принцип работы жидкостного ракетного двигателя, обеспечившего первый полёт человека в космос в 1961 году.
Из всех ранних проектов космических кораблей, опубликованных в дореволюционной России, один имеет особое значение. Он принадлежит изобретателю Александру Петровичу Фёдорову. О его жизни мало что известно, но его труд «Новый принцип воздухоплавания, исключающий атмосферу как опорную среду» стал тем малым камешком, который породил лавину.
В этой работе, опубликованной в Петербурге в 1896 году, изобретатель отмечал, что все предложенные до него проекты летательных аппаратов были так или иначе основаны на применении атмосферы в качестве опорной среды, и указывал, что его проект «идёт вразрез с установившимся основным положением к разрешению задачи и пытается поставить эту последнюю на новый путь». Он заблуждался на этот счёт, но это простительно, ведь работы Кибальчича и Неждановского на тот момент ещё не были опубликованы.
В проекте Фёдорова летательный аппарат приводился в движение при помощи системы труб — одна в другой. Сжатый газ через боковые патрубки поступает в кольцеобразную полость, образуемую стенками внешней и внутренней трубы, наполняет её, затем через отверстие внутренней трубы выходит наружу. При этом давление газа на верхнюю (закрытую) часть внешней трубы ничем не уравновешивается.
«Стало быть, — писал Фёдоров, — наша труба, как и ракета в полёте или рывке при отдаче, получит стремление двигаться по своей оси, иначе говоря, к трубе будет приложена сила, направление которой всегда, при всяком положении трубы, будет совпадать с продольной осью последней и идти от открытого конца к закрытому».
Далее он указывал: «Если мы составим систему таких труб, в которой: 1) одни из них стоят вертикально, выпускными отверстиями вниз, 2) другие лежат горизонтально по продольной оси системы и 3) спиралями, обвивающими вертикальную ось системы, то первая группа даст нам подъём, вторая — поступательное движение, а третья — вращение вокруг вертикальной оси, иначе сказать, заменит нам руль; следовательно, наша система будет обладать всеми данными для свободного полёта».
Значение работы Александра Фёдорова не исчерпывается содержащимися в ней идеями. Она сыграла огромную роль в истории космической техники, послужив исходным пунктом для рассуждений Циолковского. Вот как он сам рассказывает об этом: «В 1896 году я выписал книжку А. П. Фёдорова „Новый принцип воздухоплавания”. Мне показалась она неясной (так как расчётов никаких не дано). А в таких случаях я принимаюсь за вычисления самостоятельно — с азов. Вот начало моих теоретических изысканий о возможности применения реактивных приборов к космическим путешествиям».
Значение работы Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами» трудно переоценить. Однако в первом десятилетии XX века эта книга осталась незамеченной как в России, так и за границей. Вторично она была напечатана (в значительно расширенном виде) в 1911 — 1912 годах в журнале «Вестник воздухоплавания».
В этой расширенной работе Циолковский впервые высказал мысль об использовании энергии распада атомов: «Думают, что радий, разлагаясь непрерывно на более элементарную материю, выделяет из себя частицы разных масс, двигающиеся с поразительной, невообразимой скоростью, недалёкой от скорости света. Поэтому, если бы можно было достаточно ускорить разложение радия или других радиоактивных тел, каковы вероятно все тела, то употребление его могло бы давать, при одинаковых прочих условиях, такую скорость реактивного прибора, при которой достижение ближайшего солнца (звезды) сократится до 10 — 40 лет».
Одновременно он выдвинул идею создания электроракетных двигателей, указав, что «с помощью электричества можно будет со временем придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам».
В дальнейших работах Циолковский более подробно развивает и совершенствует свои проекты, не оставляя мысли о полётах в межпланетном пространстве. Вот как он описывает космическую ракету в 1914 году:
«Левая задняя кормовая половина ракеты состоит из двух камер, разделённых перегородкой.
Первая камера содержит жидкий свободно испаряющийся кислород. Он имеет очень низкую температуру и окружает часть взрывной трубы и другие детали, подверженные высокой температуре.
Другое отделение содержит углеводороды в жидком виде. Две трубы доставляют взрывной трубе взрывчатые материалы. От устья взрывной трубы отходят две ветки с быстро мчащимися газами, которые увлекают и вталкивают жидкие элементы взрывания в устье, подобно инжектору или пароструйному насосу».
Система управления ракетой осуществляется с помощью «газовых рулей» и выглядит следующим образом: «Рули направления и поворота подобны аэропланным. Помещены они снаружи против выходного конца взрывной трубы. Они действуют в воздухе и в пустоте. Их уклонение, а вместе с тем и уклонение ракеты происходят от давления стремительно мчащихся газов».
Любопытно описание старта и полёта этой ракеты, приведённое Циолковским в работе «Космический корабль» (1924 год):
«Опишем ощущения путешественников, отправляющихся в космической ракете для блуждания кругом Земли, подобно её Луне, также — наблюдения провожающих. Предполагается, что ракета благоустроена и хорошо исполняет своё назначение.
В ракете несколько футляров формы человека, по числу путешественников. Люди ложатся в них горизонтально по отношению к кажущейся тяжести и заливаются ничтожным количеством воды. Руки расположены тоже в жидкости, но свободнее, так что они могут управлять рукоятками приборов, расположенных также в воде. Приборы регулируют направление ракеты, состав её воздуха, температуру, влажность, взрывание и проч.
В таком положении путешественники в течение 270 секунд взрывания немного могут заметить. Тяжесть их сильно ослаблена водой. Вода тепла. Холода нет. Окна закрыты плотно непрозрачными ставнями, и видеть наружное, что вне ракеты, нельзя. Так бы должно быть.
Ракета сначала стоит на особых рельсах. Выбрана высокая местность в горах. Найден наклон почвы градусов в 20–30 к горизонту. Местность выровнена, проложены рельсы. На этих рельсах и поместили ракету.
Высота местности 5–6 километров, плотность воздуха половина (0,5), рельсовый путь проложен вёрст на 100.
Ракета на рельсах в наклонном положении, пол с привинченными сиденьями — так же. Путешественники взошли в ракету, герметически (плотно) замкнулись. Положение крайне неудобно. Сидеть на креслах невозможно, стенки камеры везде наклонены. Значит и ходить нельзя. Можно только поместиться на легких верёвочных сиденьях, вроде трапеций, что и сделали наши путешественники, изрядно повертевшись. В окна видны горы, здания, плывущие в тёмно-синем небе выше и ниже, облака, короче — обыкновенная картина горной местности. Началось взрывание. Оно оглушительно и нехорошо действует на нервы; но пусть наши герои будут ими крепки и не обратят на этот страшный вой никакого внимания.
Ракета покатилась по рельсам, путешественники почувствовали толчок, и горизонт, как им показалось, повернулся на 60°. Он стал для них почти отвесной горой. Пол же ракеты сделался почти горизонтальным. Висячие кресла наклонились и приняли параллельное стенкам направление. Тяжесть увеличилась чуть не вдвое, и люди с ужасом завалились в кресла. Подняться с них они могли только при крайнем напряжении сил, но пока не было в этом надобности.
Не прошло и двух минут, как ракета соскочила с рельсов и неслась свободно и далеко от почвы. Движение её путники не могли заметить, но им казалось, что громадный опрокинутый горизонт проваливается со всеми своими горами, озерами и городами куда-то вниз и вместе с тем отдаляется от ракеты.
Небо темнело. Стали видны планеты и более крупные звёзды, несмотря на полный блеск Солнца. Оно также сияло сильнее. Месяц, едва ранее заметный, стал золотиться и сиять, как будто вымытый. Небо давно было совершенно безоблачно, облака же наклонным пологом покрывали местами такой же наклонный горизонт и мешали кое-где видеть опрокинутую землю и море.
Шум в ушах угомонился, ракета как будто стояла, но они знали, что она мчится теперь вокруг Земли, как её новая Луна, со скоростью 6-7 вёрст в секунду. Она вне атмосферы, за 3-4 тысячи вёрст от поверхности Земли. Остановиться сама собой не может; она — спутник Земли».
В более поздний период жизни Циолковский в своих исследованиях в области межпланетных сообщений основное внимание уделял двум проблемам — достижению космических скоростей и нахождению оптимального топлива для ракеты. Работая над разрешением первой проблемы, Циолковский уже в 1926 году пришёл к выводу, что ракета сможет достигнуть космических скоростей лишь в том случае, если получит сравнительно высокую начальную скорость без затраты своего собственного запаса топлива. Проанализировав возможные способы сообщения ракете предварительной скорости, Циолковский пришёл к выводу, что «самый простой и дешёвый в этом случае приём — ракетный, реактивный». Исходя из этого, он предложил применить для достижения космических скоростей двухступенчатую ракету, первая ступень которой (по терминологии Циолковского — «земная ракета») должна была двигаться по Земле и в плотных слоях атмосферы.
Циолковский предложил два способа достижения космических скоростей: при помощи ракетного поезда и при помощи эскадрильи ракет. Оба способа имели много общего и заключались в том, что в полёт отправлялось несколько ракет, из которых конечной цели достигала только одна. Остальные же ракеты играли роль ускорителей и после израсходования топлива возвращались на Землю.
Теоретические исследования космоса и возможности его освоения, проведённые Циолковским, не могут не поразить: полагаясь лишь на расчёты, учёный описал невесомость, необходимость скафандра при выходе из ракеты, определил оптимальные траектории полёта при спуске на Землю, предсказал создания искусственных спутников Земли и орбитальных станций. За десятилетия до первого полёта в космос учёный утверждал: «Земля — это колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели. Будущее человечества — в Космосе!» Многое из описанного Циолковским — от заселения Вселенной до перехода человечества к обществу космического типа, объединению в масштабах всего земного шара — так далеко уходит за пределы современной науки, что трудно предположить, насколько реальны эти гипотезы. Однако и опровергнуть их наука не может.