Ракеты и полеты в космос - Вилли Лей

Рис. 10. Третий закон движения

В этом примере лягушка свободно заменяется ракетой, а кусок дерева — пороховыми газами. Газы при истечении из сопла ракеты отбрасывают ее в противоположном направлении, и это происходит не только в воздухе, но и в безвоздушном пространстве; это явление не имеет никакого отношения к «отталкиванию от воздуха».

Именно сила реакции отбрасывает ствол орудия назад, когда снаряд и струя мгновенно и бурно расширяющихся пороховых газов вылетают из него. Именно эта сила опрокидывает стул, когда кошка прыгает с его спинки на книжную полку, или отталкивает вашу лодку обратно в реку, когда вы прыгаете с нее на берег.

Теперь нужно сказать о том, что масса, создающая реактивную силу, которую мы хотим использовать для движения, должна складываться из очень большого количества частиц с небольшой массой. В примере с лягушкой вся система была разделена пополам, в результате каждая половинка приобрела половину скорости. Если бы на нашем куске дерева сидело несколько маленьких лягушек, окончательный результат был бы лучшим: та же самая скорость была бы достигнута при затрате меньших «рабочих масс». Если вам нужна система для получения полной заданной скорости «истечения», можно всякий раз выбрасывать по половине, по четверти и даже по меньшей доле первоначальной массы.

Обозначим остающуюся массу через i, тогда весь вопрос будет заключаться в том, какой должна быть первоначальная масса. Ответ на этот вопрос дается в следующей таблице:

Понятно, что масса молекулы газа, выбрасываемого настоящей ракетой, гораздо меньше тысячной доли первоначальной массы ракеты. Следовательно, в приведенной таблице придется сделать еще одну строчку для «бесконечно малых» частиц, для которых первоначальная масса окажется равной 2,7182. Это число хорошо известно математикам, обозначающим его буквой «е».

Подводя итог сказанному выше, можно сделать четыре следующих вывода:

1. Движение ракеты не обусловлено отталкиванием от окружающей среды; в действительности последняя только создает сопротивление движению как самой ракеты, так и газов, истекающих из сопла. Поэтому, чем меньшую плотность имеет окружающая среда, тем больше коэффициент полезного действия ракеты. Самым выгодным условием для движения ракеты является полное отсутствие окружающей среды, то есть вакуум.

2. Продукты сгорания ракеты должны состоять из возможно более мелких частиц; обычно так оно и бывает, ибо эти продукты, как правило, являются газообразными.

3. Скорость ракеты можно повысить либо путем увеличения массы истекающих продуктов сгорания, либо путем повышения скорости их истечения, причем последнее всегда остается более предпочтительным.

4. Скорость ракеты может превысить скорость истечения продуктов сгорания. Скорость ракеты ограничивается, помимо внешнего сопротивления, только общей массой топлива.

Все эти положения фактически составляют то, что мы называем Третьим законом движения. Практическое его значение заключается в том, что движение ракеты зависит не от какого-то «таинственного» качества пороха, а единственно от создания определенной массы продуктов сгорания любого типа каким-либо приемлемым способом. А это означало, что таким способом можно приводить в движение летательный аппарат.

Используя эту идею, голландский профессор Якоб Биллем Грейвсанд создал для показа в классе небольшую движущуюся паровую реактивную машину. На рисунке, взятом из второго тома книги Грейвсанда (рис. 11), изображена металлическая сфера — сосуд, установленная на небольшой повозке. Под сферой, наполненной водой, находится жаровня; получаемый при этом пар выходит через длинную трубу назад. Говорят, что позднее профессор Грейвсанд пытался построить парореактивный автомобиль больших размеров.

Рис. 11. Паровая реактивная машина Грейвсанда

Между тем в 1718 году начальник полевой артиллерии курфюрста саксонского полковник Кристоф Гейслер выпустил книгу, в которой описал результаты некоторых интересных экспериментов, проведенных им еще в 1668 году близ Берлина. В его распоряжении были ракеты двух видов (весом 22,6 кг и 54,4 кг) с деревянным корпусом, который был покрыт парусиной, пропитанной горячим клеем. Топливом служила смесь 16,3 кг селитры, 7,3 кг серы и 5,4 кг древесного (липового) угля. Этот пороховой заряд плотно запрессовывался в корпус ракеты. Полезную нагрузку составляла 7,3-кг бомба.

Появление этой книги, по-видимому, пробудило интерес к ракетам у молодого поколения артиллерийских офицеров в Берлине, так как в 1730—1731 годах были проведены испытания 45-кг ракет. Согласно утверждениям некоторых авторов того времени[8] пиротехники разработали для таких тяжелых ракет четыре различные топливные смеси, состав которых в весовых частях был следующим:

Смесь № 1 была испытана в июне 1730 года капитаном Хольцманом и хорошо себя оправдала. Смесь № 2 испытывалась 17 июля того же года. Корпус ракеты весил 15кг, заряд—10,4 кг, направляющая—15 кг, головная часть вместе с полезной нагрузкой — 1,8 кг. В сумме стартовый вес ракеты достигал 42,2 кг. Она поднялась на довольно большую высоту. В том же, 1730 году была испытана смесь № 3, а в следующем году у Овечьего моста в Берлине состоялись испытания ракеты с топливной смесью № 4.

Если бы история развивалась так же логично, как некоторые стараются доказать, то, вероятно, следствием этих и других последовавших за ними экспериментов должен был быть усиленный рост военно-ракетного дела. Однако этого не случилось. Период энтузиазма в области развития военных ракет, начавшийся вскоре после 1800 года и известный теперь в истории ракетостроения как «период Конгрева» (Вильям Конгрев — создатель английских боевых ракет), не был следствием этих более ранних экспериментов.

Более того, это возрождение военных ракет совершенно не связано с событиями в Европе. Причиной явилась неудачная для англичан военная кампания в далекой Индии. В изданном после ее окончания «Обзоре военных действий на Коромандельском побережье» (1789 год) Инне Мунро приводил рассказы очевидцев о применении индийцами ракет против английских войск. При этом утверждалось, что ракеты индийцев были весьма похожи на те, которые применялись в Англии для фейерверков, но имели большие размеры. Реактивный заряд помещался у них не в картонном корпусе, а в железной трубе, и весили они от 2,7 до 5,4 кг. Наводка осуществлялась с помощью трехметровой бамбуковой жерди. Инне Мунро считал, что дальность полета этих ракет составляла 1,5—2,5 км. Хотя ракеты и не были очень точными, однако массированное их применение позволяло нанести противнику, и особенно его кавалерии, большие потери.

Использованием ракет против англичан руководил Хайдар Али, принц Майсора, который придал части ракетной артиллерии своим регулярным войскам. Первоначально эти части насчитывали всего лишь 1200 человек, но, когда была доказана эффективность «нового» оружия, сын Хайдара Али—Типпу-сагиб—увеличил численность ракетных частей до 5000 человек. Потери англичан от этих ракет были особенно велики в сражениях при Серингапатаме в 1792 и 1799 годах.

Но, когда эта новость потеряла остроту, военные вспомнили, что примерно в те же самые годы один французский гражданин по имени Шевалье занимался подобными экспериментами. Он обстреливал зажигательными ракетами больших размеров крупную мишень, изготовленную из старого паруса, намереваясь поджечь ее. Разумеется, ракеты не могли поджечь этот парус просто потому, что они прорывали его слишком быстро. Но сама идея Шевалье была весьма интересной.

Многие военные специалисты и ученые повторяли опыты Шевалье, не поднимая шумихи, но только одному из них удалось добиться успеха. Это был английский полковник Вильям Конгрев. В противоположность утверждениям, встречающимся в некоторых книгах, следует сказать, что Конгрев никогда не видел индийских военных ракет в действии по той простой причине, что никогда не был в Индии. Единственным источником информации для него являлись книги и журналы.

В 1801—1802 годах Конгрев скупил самые большие ракеты, которые он мог достать в Лондоне, платя за них из собственного кармана, и начал опыты по дальнобойной стрельбе или, точнее, по запуску ракет, целью которых было установить максимальную дальность полета ракет. Он нашел, что она не превышает 450—550 м, то есть уступает в этом отношении индийским военным ракетам почти в два раза. Тогда он обратился к начальству с просьбой разрешить ему поставить новые опыты; в этом его, по-видимому, поддерживал отец, генерал-лейтенант Вильям Конгрев, инспектор королевской лаборатории в Вулвиче. Лорд Чатам дал Конгреву младшему разрешение использовать лаборатории и испытательные полигоны, и вскоре тот добился увеличения дальности полета ракет до 1800 м. В 1805 году новое оружие было показано принцу-регенту, а несколько позднее, в этом же году, Конгрев со своими ракетами участвовал в экспедиции Сиднея Смита, руководившего штурмом Булони с моря.