Константин Эдуардович был школьным учителем в Калуге.
Калуга - это большой город недалеко от Москвы. В нем Циолковский прожил почти всю свою жизнь.
В конце прошлого века, лет 75 тому назад, когда Циолковский был еще молодым, он впервые задумался над вопросом, как путешествовать в космосе.
Он прочел книгу Жюля Верна «От Земли до Луны» и, конечно, понял, что таким способом на Луну людей не доставить. Он понимал, что корабль для полета на Луну должен мягко трогаться с места, разгоняться постепенно, быть управляемым, плавно садиться на Луну, взлетать с Луны.
Как же должен быть устроен такой корабль?
Прежде всего надо найти в космосе опору, от которой отталкиваться.
Циолковский долго не мог решить эту задачу. Но в конце концов решил ее!
Циолковский рассуждал так. Если в космосе нет опоры, я возьму ее с собой. Возьму и там в космосе оттолкнусь от нее.
А что значит - «взять опору с собой»?
Сейчас поймете.
Возьмите самую легкую лодочку и сядьте в нее, взяв с собой большой камень. Но не слишком большой, а такой, который вы можете сильно бросить, метров на 10. И надо, чтобы вода была тихая и чтобы ветра не было.
Пусть лодка стоит неподвижно. Теперь бросьте камень назад, за корму, изо всей силы.
Лодка двинется и тихонько пойдет в обратную сторону, носом вперед, как будто вы от чего-то оттолкнулись.
От чего вы оттолкнулись? От воды? От берега? Конечно, нет. Вы оттолкнулись от камня, который вы швырнули.
Такой способ движения называется реактивным.
Конечно, двигаться по Земле или по воде реактивным способом обычно нет смысла. Здесь гораздо выгоднее отталкиваться прямо от земли или от воды, которые всегда есть около нас.
Но в пустоте это единственный способ.
Чтобы еще лучше понять реактивное движение, представьте себе такой пример.
Вот вы, играя на воде, толкнули своего товарища, и оба поплыли в разные стороны.
Потом вы толкнули с той же силой своего маленького брата. Вы чуть сдвинулись с места, а он отплыл далеко.
Потом вы толкнули опять с той же силой своего дядю - большого грузного мужчину. Он почти не тронулся с места, а вы поплыли далеко назад.
Кто же кого толкнул? Что все это значит?
Это значит вот что. Совершенно неважно, кто кого толкнул. Важно, кто тяжелее. Кто бы из двоих ни толкал другого, все равно всегда оба разлетятся в разные стороны. Но тот, кто тяжелее, - отлетит меньше, а тот, кто легче, - отлетит больше.
Возьмите, например, ружье. Когда ружье стреляет, то пуля и ружье разлетаются в разные стороны. Но пуля, как более легкая, летит быстрее и дальше. А ружье - более тяжелое, да еще упирающееся в ваше плечо, - совершает только рывок назад.
Мы называем это «отдачей».
При этом очень важна сила, с которой вы бросаете предмет, скорость, С которой он отлетает от вас.
Ведь бросив пулю рукой, вы никакой «отдачи» не заметите, так она будет мала. А выстрелив ту же пулю из ружья, вы ощутите сильный толчок.
Поэтому, если уж использовать «отдачу» для движения в космосе, то надо там не бросать тяжести руками, а стрелять ими. Как можно сильнее. Это выгоднее, потому что тогда можно брать с собой меньше тяжестей.
Вы спросите какие же в космосе тяжести? Ведь чемодан, который мы подняли по нашей воображаемой лестнице на высоту, равную расстоянию до Луны, стал весить не больше спичечного коробка. Пудовая чугунная гиря становится там перышком.
Это очень существенный вопрос. Но вы напрасно беспокоитесь.
Дело в том, что, когда предметы удаляются от Земли, вес их действительно уменьшается очень сильно. Но сами предметы ведь не становятся меньше и не становятся пустыми.
Количество вещества, из которого они сделаны, остается то же самое.
Говоря научным языком, «масса» предметов остается та же самая.
А для «отдачи», для реактивного движения имеет значение именно масса, именно количество вещества, а вовсе не вес.
Ведь отталкивая на воде своего товарища или брата, или дядю, вы ощущали ногами их массу, а не вес. Вы же не поднимали их вверх.
На воде они для вас были вообще как бы невесомы. Но вы ясно чувствовали, что маленького брата вам легче сдвинуть с места, а дядю труднее. Это именно потому, что брат имеет маленькую массу, а дядя - большую.
И куда бы в космос вы ни подняли своего «массивного» дядю, вам будет одинаково трудно сдвинуть его с места, хотя бы он весил там не больше мышонка, потому что масса его всюду остается одинаковой.
Какие же предметы можно использовать в космосе для «отдачи»?
Оказывается, для «отдачи» можно использовать и твердые предметы, и жидкости, и даже газы.
И здесь Константин Эдуардович Циолковский вспомнил про ракету. Обыкновенную, давно известную пороховую ракету.
Вы знаете, как устроена пороховая ракета?
Пороховая ракета - это прочная картонная трубка, с одного конца закрытая, а с другого открытая. Внутри она плотно набита смесью пороха с углем.
Если порох поджечь, он не взрывается, потому что смешан с углем и плотно утрамбован, а горит в течение нескольких секунд.
При горении пороха образуется очень много горячих газов. Им тесно. Они стремятся расшириться, ищут выход. Выход только один - через отверстие.
Если бы отверстие было заткнуто пробкой, газы выбили бы ее, выстрелили бы этой пробкой, как пулей. Но пробки нет. Газы со свистом, с огромной скоростью вылетают в отверстие.
Но ведь газы, образовавшиеся при сгорании пороха, весят ровно столько же, сколько весил сам порох, набитый в ракете.
Сгорел один килограмм пороха - значит, вылетел один килограмм газов.
Значит, из ракеты вылетел назад один килограмм вещества.
Безразлично, вытолкнем ли мы из ракеты какой-нибудь сильной пружиной самый порох или в течение нескольких секунд вылетят газы, получившиеся из этого пороха. Отдача будет одинаковая.
В обоих случаях ракета полетит вперед.
Только в первом случае она получит сразу резкий толчок вперед, а во втором разгонится постепенно.
А ведь для космического корабля как раз и нужен постепенный разгон!
Кроме того, газы удобнее еще знаете почему?
Твердый предмет нужно выбрасывать чем-то. Например, какой-нибудь пружиной. Сам он не вылетит. А горячие газы вылетают сами.
Константин Эдуардович понял, что ракета - это как раз то, что нужно для космических путешествий.
Он начал думать, - как же должна быть устроена огромная космическая ракета, в которой могли бы поместиться даже люди.
Пороховую ракету использовать трудно.
Во-первых, сам порох чрезвычайно неудобен. Если уж вы зажгли его, то погасить его невозможно, пока он сам весь не сгорит. Нельзя регулировать силу огня. Да и опасен порох. Вдруг взорвется?
И Циолковский подумал: зачем сжигать порох? Ведь газы образуются при сжигании любого горючего вещества, дров, угля, керосина, спирта.
Жидкие горючие вещества даже удобнее пороха, потому что их можно подавать для сгорания постепенно, по трубкам, накачивая насосами, регулируя кранами.
Так у Циолковского родилась мысль о жидкостной ракете.
Давайте попробуем сконструировать ее на бумаге сами. Прежде всего нарисуем трубку, у которой один конец был бы закрыт, а другой открыт, как в любой ракете.
В этой трубке будет сжигаться горючее. Она должна быть металлическая, чтобы выдержать жар.
Отверстие мы немного сузим, чтобы газам было теснее выходить. Тогда они будут быстрее лететь, а нам это выгодно. Помните пример с пулей? Железную трубу мы будем называть камерой сгорания, а узкое горло - соплом.
Теперь надо в этой камере сгорания нарисовать отверстие, чтобы через него по трубке могло идти «горючее», например спирт. Бак со спиртом изобразим рядом.
Чтобы спирт горел, необходим кислород - газ, находящийся в воздухе. Но воздуха в нашей камере сгорания очень мало. Он сразу весь израсходуется, и спирт погаснет. Значит, надо предусмотреть еще одно отверстие, чтобы подавать в камеру сгорания воздух. А еще лучше не воздух, а чистый кислород. Чтобы он занимал меньше места, мы его возьмем в сильно сжатом и очень охлажденном состоянии. В таком состоянии кислород - жидкий, как вода. Итак, рядом рисуем бак с жидким кислородом и трубкой соединяем его с камерой.
Спирт и кислород вместе будем называть «топливом».
Вы знаете, что дрова гораздо быстрее сгорают, если их размельчить на щепки. И нам надо, чтобы спирт как можно быстрее сгорал. Ведь нужно, чтобы газов получалось много; только тогда им будет тесно и они будут с силой вырываться из сопла.
Поэтому и мы «размельчим» наше топливо.
Для этого мы поставим на пути спирта и кислорода при входе в камеру сгорания особые приспособления - «форсунки». Они будут разбрызгивать топливо так, как пульверизатор у парикмахера разбрызгивает одеколон.
А чтобы топлива в камеру попадало побольше, мы будем накачивать его сквозь форсунки сильными насосами.
Теперь огонь будет яростно реветь в камере.
Но от такого сильного пламени камера раскалится добела и быстро прогорит насквозь. Надо ее обязательно охлаждать.
Мы нарисуем поэтому у камеры двойные стенки и горючее пустим не прямо в форсунки, а сперва между стенками камеры. Горючее станет охлаждать стенки, а само будет подогреваться. Это даже лучше. Оно попадет в камеру уже в горячем виде и еще лучше будет гореть.
Вот мы с вами и сочинили сооружение, которое называется сейчас в технике «жидкостным ракетным двигателем».
Из сопла двигателя со страшным ревом вылетают раскаленные газы. А насосы непрерывно гонят в камеру все новое и новое топливо.
Регулируя кранами или насосами подачу топлива, можно сделать пламя совсем слабым, погасить или, наоборот, пустить на полную мощь.
Выбрасывая газы, двигатель испытывает сильную «отдачу». Он стремится лететь в обратную сторону. И если газы летят назад, двигатель рвется лететь вперед. Если мы испытываем двигатель на Земле, надо его очень сильно закрепить, иначе он сорвется и улетит. Если его поставить на ракету, ракета взовьется в воздух.
Настоящий жидкостный ракетный двигатель, конечно, сложнее того, который сочинили мы с вами. Но работает он так же.
На реактивных самолетах стоят двигатели не совсем такие. Самолет летает в атмосфере, и ему незачем таскать с собой кислород, которого кругом в воздухе сколько угодно. Поэтому на самолетных реактивных двигателях нет кислородных баков, а вместо них стоят мощные насосы - «компрессоры». Они забирают наружный воздух, сжимают его и гонят в камеру сгорания.
Ракетные же двигатели работают на своем собственном, взятом с собой кислороде, потому что ракета должна летать и там, где есть воздух, и там, где его нет.
Как же устроена современная ракета?.
