Загадки звездных островов. Книга 2 (сборник)

К. Э. Циолковский. Исследование мировых пространств реактивными приборами (1903 г.)

Как доехать до орбиты?

Космические ракеты были еще в умах и на бумаге, а ученые и конструкторы уже думали о том, как сделать ракету более легкой, как сконструировать экономичный реактивный мотор, какое наиболее калорийное топливо использовать. Это занимало буквально всех пионеров космонавтики: К. Э. Циолковского, С. П. Королева,

В. П. Глушко, М. И. Тихонравова. Занимались этим и зарубежные специалисты: Робер Эсно-Пельтри, Герман Оберт, Роберт Годдард, Постоянно волнует эта проблема и тех, кто занимается космонавтикой сегодня.

Космическая энергетика сегодня — это сложный комплекс проблем, поэтому мы касаемся только отдельных простейших вопросов, допуская при этом некоторые упрощения.

Прежде всего: почему ракету делают многоступенчатой?

Когда автору необходимо подвести к ответу на этот вопрос десятиклассника, он обычно спрашивает: "Как подсчитать работу, производимую двигателями ракеты, зависшей в воздухе?" Почему-то даже хорошо успевающих по физике этот вопрос ставит в тупик. Работа равна произведению силы (в данном случае силы тяги) на путь. Путь равен нулю, значит, равна нулю и работа. Странно, не правда ли? Пол, который нас удерживает, не производит никакой работы. Если же ракета зависла в воздухе, то энергия газов, истекающих из сопла двигателей, затрачивается на то, чтобы сыграть роль такой же подставки, но работа здесь не равна нулю, ее можно вычислить, определив эту энергию.

Прибавим ракете некоторую скорость, и она устремится вверх. Пусть себе летит, но мы-то не должны забывать, что на ускорение ракеты затрачивается сейчас только часть тяги, львиная ее доля идет на то, чтобы противоборствовать силе притяжения Земли.

Вернемся к конструкции ракеты. Предположим, что мы выбрали все же одноступенчатую конструкцию. Количество необходимого нам топлива будет, очевидно, не меньше — ведь в нем заключена та энергия, которая необходима, чтобы забросить полезный груз на орбиту. Но все это топливо заключено у нас в одной-единственной оболочке. И нам придется тащить эту оболочку — даже тогда, когда она будет почти пустая, — до самой орбиты. И не только придавать ей ускорение, но еще и постоянно поддерживать. Значит, топлива понадобится больше, этот излишек тоже надо "везти" и тоже придавать ему ускорение. Вот почему одноступенчатая конструкция энергетически невыгодна. В многоступенчатой ракете ступени работают поочередно: отработала одна ступень — она отбрасывается, носитель становится легче, его легче разгонять. Отработала вторая — процесс повторяется. Правда, на второй и третьей ступенях надо иметь дополнительные двигатели, но они менее мощные и более легкие. Во всяком случае, легче тех оболочек, от которых нам удалось избавиться.

В каком направлении и из какой точки земного шара выгоднее всего запускать космические аппараты?

И опять физика — сложение скоростей. Если запуск аппарата производится на экваторе с запада на восток, то есть в направлении вращения Земли, то скорость этого вращения сложится со скоростью вывода. Точки экватора при вращении Земли движутся со скоростью 465 метров в секунду, следовательно, на эту величину можно уменьшить заданную скорость вывода. А ведь это опять экономия топлива!

Имеет значение и форма траектории вывода. Казалось бы, что здесь можно выгадать: поднял аппарат на нужную высоту, развернул его горизонтально Земле, получил нужную скорость — и летай себе. Но это не совсем так. При таком способе запуска легче всего преодолеть воздушную оболочку Земли, кроме того, он позволяет осуществить самое простое управление ракетой. А вот с точки зрения общей энергетики он невыгоден. Способов запуска несколько. Не вдаваясь в их сравнительный анализ, отметим, что сразу после того, как ракета отрывается от стартового стола, система управления начинает "заваливать" ее траекторию к линии горизонта, так что в момент выхода на орбиту и достижения нужной скорости аппарат уже движется параллельно Земле. Этот способ является самым экономичным.

О том, что на поддерживание ракеты приходится затрачивать энергию, помнили и те, кто определял временной режим подъема на орбиту. Конструкторам, конечно, хотелось, чтобы время подъема было как можно меньшим. Правда, для этого понадобилось бы большее ускорение, а значит, и более мощные двигатели. Но с этим они бы справились. Зато в каждую выгаданную секунду движения не нужно было бы поддерживать многотонную громадину — это экономия топлива! Но требования конструкторов вошли в противоречия с возможностями человеческого организма. Слишком большие перегрузки человек может выдержать только тогда, когда они кратковременны. В конце концов, остановились на четырехкратной перегрузке — это и определило режим подъема: зная максимально допустимую перегрузку, нетрудно подсчитать и время подъема, а от этой последней величины можно уже танцевать и к мощности двигателя и к энергетике.