книги из ГПНТБ / Мошкин, Е. К. Развитие отечественного ракетного двигателестроения
.pdfВ '1918 г. был организован Центральный аэрогидродинамический научно-исследовательский институт (ЦАГИ), который возглавил Н. Е. Жуковский. Теоретические курсы МВТУ послужили основой создания Авиационного техникума, преобразованного в 1921 г. в Институт Красного Воздушного Флота. В 1922 г. на базе этого ин ститута создана Военно-воздушная академия им. Н. Е. Жуковского, ныне Военно-воздушная инженерная академия им. Н. Е. Жуков ского.
В. И. Ленин, начиная с первых дней Советской власти, посто янно следил за работой Н. Е. Жуковского и его учеников и оказы вал им всестороннюю помощь. Н. Е. Жуковского Владимир Ильич Ленин называл «отцом русской авиации».
Работы Николая Егоровича в области аэродинамики и воздухо плавания явились той теоретической основой, на которых базируется современная авиационная наука.
Впервые во вопросу о реактивном движении примени тельно к летательным аппаратам Н. Е. Жуковский высту пил публично 1 ноября 1881 г. на заседании Политехни ческого общества при МВТУ в связи с выходом в свет брошюры В. Мерчинского «Об аэростатах». Н. Е. Жуков ский показал несостоятельность описанного в этой бро шюре устройства, основанного на использовании реакции струи ртути, вытекающей из трубочки, для управления движением аэростата по вертикали.
В ноябре 1881 г. на заседании Отделения физических наук Общества любителей естествознания в г. Москве Н. Е. Жуковский выступил с докладом «О реакции
10
втекающей и вытекающей жидкости». Эта работа яви лась значительным вкладом в теорию реактивного движе ния 1. В ней Н. Е. Жуковский изложил результаты своих исследований по определению силы реакции, действую щей на сосуд, погруженный в жидкость, и вызванной тем, что из него выбрасывается или в него всасывается через боковую трубку жидкость. Им было показано, что об ратная реакция (реакция при всасывании жидкости) весьма незначительна по сравнению с прямой реакцией, возникающей при вытекании жидкости.
Таким образом Н. Е. Жуковский показал, что совер шая в одном и том же сосуде последовательно втягивание, и выталкивание воды, можно получить движение сосуда в сторону, обратную направлению выталкивания воды. Доклад был подтвержден результатами опытов, которые демонстрировались присутствующим. 17 декабря 1885 г. на заседании Математического общества Н. Е. Жуков ский снова вернулся к этой теме в докладе «О реакции втекающей и вытекающей жидкости», опубликованном в 1886 г .12 В нем Н. Е. Жуковский отмечал, что реакция втекающей жидкости ничтожно мала при любых всевоз можных способах вхождения ее в сосуд. Наличие же значительной по величине силы прямой реакции он объ яснял с физической точки зрения тем, что внешняя жид кая масса втекает в сосуд со всех сторон с непрерывно изменяющейся скоростью, тогда как при истечении об разуется направленный поток со скоростью, произведе ние которой на секундный расход и дает реактивную си лу.
В своих работах Н. Е. Жуковский теоретически предсказал ряд возможных траекторий полета самолета, в частности, «мертвую пет лю». В 1904 г. ом открыл закон, определяющий подъемную силу кры ла самолета и опубликовал результаты своих исследований по это му вопросу в 190Ü г.
Завершающей работой по теории реактивных двига телей явилась статья «К теории судов, приводимых в дви жение силой реакции вытекающей воды», напечатанная в 1908 г. В ней обстоятельно рассматривался вопрос о си ле реакции для сосудов любой формы, погруженных в жидкость и движущихся с произвольной скоростью, при втекании и вытекании из них жидкости. При этом Н. Е. Жуковский предостерегал от ошибки некоторых ученых: он отмечал, что необходимо явление реакции
1 Журнал Русск. физ хим. об-ва, 4, физ. 1882, с. 470—475. 2 Матем. сборн. 1885, т. XII, вып. 4, с. 787—796.
II
рассматривать совместно с обстоятельствами, обусловли вающими сопротивление движению судна, и анализиро вал изменение этого сопротивления в зависимости от рас положения места всасывания жидкости.
Существенный вклад в теорию реактивного движения внес Иван Всеволодович Мещерский.
Иван Всеволодович Мещерский родился 29 июля 1859 г. в г. Архангельске. Получив среднее образование, он в 1878 г. посту пил в Петербургский университет на физико-математический факуль тет. Здесь Иван Всеволодович проявил большой интерес к научноисследовательской работе и после окончания в 1882 г. был оставлен при университете. С 1890 г. он начал преподавательскую деятель ность в качестве приват-доцента в Петербургском университете. В 1891 г. И. В. Мещерский был избран заведующим кафедрой ме ханики Петербургских высших женских курсов, а в 1902 г. возгла вил кафедру теоретической механики в Петербургском политехниче ском институте, в котором работал до конца жизни. •
Имя Мещерского носит один из кратеров на обратной стороне Луны.
Наиболее важные работы И. В. Мещерского посвя щены новому разделу теоретической механики— механи ке тел переменной массы, являющейся основой ракето динамики. Значение этой науки заключается в том, что она позволяет точно рассчитать движение ракеты, нахо дить условия, при которых вывод ракет на заданные ор
12
биты или траектории потребует наименьших энергетиче ских затрат, и решать многие вопросы, связанные с проблемами создания ракетных двигателей, что в значи тельной мере определяет успехи оовоения космоса.
Первые исследования И. В. Мещерского по теории движения тел переменной массы стали известны с 1893 г., когда в Петербургском математическом обществе он сде лал доклад на тему: «Один частный случай теоремы Гюльдена». Основы теории были изложены в магистер ской диссертации «Динамика точки переменной массы», которую он защитил в 1897 г. В этой работе впервые бы ло выведено уравнение движения точки переменной мас сы для случая отделения или присоединения частиц, в частности, при вертикальном движении ракеты. В 1904 г. И. В. Мещерский закончил работу «Уравнения движения точки переменной массы в общем случае», где дана об щая теория движения для случая присоединения и отде ления частиц. В этих работах было показано, что при от делении или присоединении частиц с нулевой относитель ной скоростью реактивная сила равна нулю. Если же относительная скорость частиц не равна нулю, то на тело будут действовать добавочные силы: реактивная в случае отделения частиц и сила сопротивления — в случае при соединения. Завершающей работой в этом направлении явилась статья И. В. Мещерского «Задача из динамики переменных масс» (1918 г.), в которой рассматривалось движение системы точек с переменными массами.
И. В. Мещерский был не только замечательным уче ным, но и выдающимся педагогом. Он коренным образом изменил преподавание курса теоретической механики, приблизив его к нуждам практики. Им были подготовле ны инженеры, многие из которых впоследствии стали крупными учеными, в том числе — специалистами в об ласти ракетно-космической техники.
1.3.ОСНОВОПОЛОЖНИК КОСМОНАВТИКИ
К.Э. ЦИОЛКОВСКИЙ
Идея полета при помощи ракет, т. е. летательных ап паратов, движимых действием реактивной силы, возника ющей при отбросе части собственной массы, получила глубокое научное обоснование в трудах выдающегося рус ского ученого Константина Эдуардовича Циолковского (1857—1935). К- Э. Циолковский предложил ракету с жидкостным ракетным двигателем, теоретически иссле-
13
давал некоторые особенности работы отдельных агрега тов и двигателя в целом при полете в космосе, создал ос новы теории и расчета ЖРД. Одним из фундаментальных вопросов, разработанных и исследованных К. Э. Циол ковским, было движение ракет как тел переменной мас сы; этими исследованиями было заложено начало тео рии полета ракет. Научная деятельность К. Э. Циолков ского многогранна и своеобразна. Его перу принадлежат оригинальные труды по аэродинамике, теории межпла нетных путешествий, работы о проблемах жизни на ис кусственных островах Вселенной, по биологии, геофизике, философии.
Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857 г. в селе Ижевском, Спасского уезда, Рязанской губернии в семье лес ничего. Детские годы были омрачены тяжелой болезнью; в возра сте девяти лет он почти потерял слух. Это лишило Циолковского возможности поступить в учебное заведение. Мать Константина Эду ардовича— Мария Ивановна Циолковская-Юмашева (1830—1870 гг.) сама учила сына, научила его любить труд. С четырнадцати лет Константин Эдуардович стал заниматься самостоятельно по книгам своего отца — Эдуарда Игнатьевича Циолковского (1820— 1880 гг.), обратившего внимание на способности сына и его любовь к научно му эксперименту. Отец помогал ему изготовлять воздушные шары, строить модели различных машин, привил любовь к технике, при роде, к эксперименту, научил анализировать результаты даже про стейших опытов.
14
Циолковскому было шестнадцать лет, когда отец отправил его в Москву. В эти годы у Константина Эдуардовича появился интерес
ккосмическим полетам.
В1879 г. Циолковский сдает экстерном экзамен на звание учи теля наводного училища и с 1880 г. преподает арифметику и геомет рию в Боровском училище Калужской губернии. Здесь Константин Эдуардович Циолковский проводит свои первые исследования, по священные межпланетным сообщениям.
Мысль о завоевании мировых пространств ие покида ет ученого на протяжении всей жизни. Его исследования по теории реактивного движения отличаются широким размахом и удивительным сочетанием строгого матема тического анализа со смелым полетом фантазии. К. Э. Ци олковский верил в бессмертие развивающегося человече ства, и вся его творческая деятельность в конечном счете была посвящена отысканию путей улучшения условий жи зни будущих поколений.
Для решения основной проблемы — выхода за преде лы земного тяготения — ученому предстояло решить мно жество самых разнообразных по содержанию и сложно сти задач.
В 1881 г. К. Э. Циолковский работал над вопросами кинетической теории газов. За работу под названием «Механика животного организма» он был избран членом физико-химического общества.
С 1883 г. Константин Эдуардович свое время посвя щает главным образом вопросам воздухоплавания и по лета в космическое пространство. 20 февраля того же года Константин Эдуардович заканчивает рукопись «Сво бодное пространство», в которой описывает свойства среды и условия движения в космосе. Здесь им рассмат ривается схема «снаряда для путешествия в свободном пространстве».
Широкую известность получили его труды, посвящен ные разработке конструкций цельнометаллического уп равляемого дирижабля. Он поставил своей задачей соз дать металлический управляемый аэростат, обратив вни мание на существенный недостаток дирижаблей с балло нами из прорезиненной материи: такие оболочки быстро изнашивались, были огнеопасны, обладали малой проч ностью, а наполняющий их газ диффундировал через ткань и быстро терялся.
Прогрессивный для своего времени проект дирижабля не был поддержан; автору отказали даже в субсидии на постройку небольшой модели. Чтобы проверить ряд сво-' их расчетных данных и доказать возможность постройки
15
дирижабля, К- Э. Циолковский создал модель на свои средства.
В 1897 г. К. Э. Циолковский построил первую в России аэродинамическую трубу, разработал методику испыта ния моделей и получил интересные экспериментальные результаты их продувок. В 1900 г. К- Э. Циолковский провел продувки нескольких изготовленных им моделей и определил коэффициенты сопротивления тел, имеющих различную форму.
В 1895 г. вышли в свет его научно-фантастическая по весть «На Луне» и работа «Грезы о Земле и небе». В пер вой работе, в частности, описывается, как чувствовали бы себя люди, очутившиеся на Луне, а во второй, наряду с изложением многих оригинальных мыслей, выдвигается идея о создании «падающей лаборатории» и описывают ся различные явления, происходящие в условиях невесо мости.
Эта идея воспроизведения условий невесомости основана на том, что если человек находится в летательном аппарате, который пере мещается к земле с ускорением, равным ускорению силы тяжести, то сила взаимодействия человека с опорой (стенка кабины летатель ного аппарата) будет отсутствовать, т. е. перегрузка будет равна ну лю, и человек окажется в условиях невесомости. Состояние, близкое к невесомости, испытывает летчик на участке пикирования. «Падаю щие лаборатории» используются ь настоящее время для тренировки космонавтов и изучения явлений, происходящих в условиях невесо мости.
Стиль работы К. Э. Циолковского самобытный, свое образный. Настойчивость в отыскании наиболее убеди тельного и простого (а следовательно, и наиболее реаль ного) решения, стремление получить ясное и с физиче ской, и с математической точек зрения представление — вот те характерные черты стиля К. Э. Циолковского, ко торые сделали его труды понятными, доступными, убе дительными.
Константин Эдуардович писал: <гРеактивными приборами я за нимаюсь с 1895 г. И только теперь, в конце 34-летней работы, я при шел к очень простому выводу относительно их системы» И еще: «В 1896 г. я. выписал книжку А. П. Федорова «Новый принцип воз духоплаваниям> (Петербург, 1896). Мне показалась она неясной (так как расчетов 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 кос мическим путешествиям» .12
1 Циолковский К. Э. Собр. соч., т. 2. Изд. АН СССР. М., 1954, с. 296.
2 Там же, с. 179.
16
Дом К. Э. Циолковского в г. Калуге
В 1892 г. Константин Эдуардович переезжает в г. Ка лугу. В этом городе прошли годы, насыщенные продук тивным творческим трудом. К- Э. Циолковский выводит формулы ракетного движения, что позволило ему в тео ретическом плане решить вопрос о наиболее реальном способе освоения (изучения) космического пространства.
Двадцать девять лет прожил Константин Эдуардович Циолкоьский в доме, который находится на углу улиц имени К. Э. Циолков ского и Совхозной. Купил этот дом Константин Эдуардович в 1904 і. одноэтажным. Е 1908 г. при расширении дома был надстроен вто рой этаж — «светелка» и веранда. Осенью 1933 г. семья ученого пе реехала в просторный благоустроенный дом, предоставленным К. Э. Циолковскому Калужским городским Советом депутатов тру дящихся.
19 сентября 1936 г. в старом доме открыли мемориальный музей. Осмотр музея обычно начинают со второго этажа. Там, в малень кой переднейпортрет 75-летиего ученого. На небольшой витрине — личные вещи, семейные фотографии, портреты ученых — друзей К. Э. Циолковского. Тут же стоит велосипед, которым до глубокой старости пользовался Циолковский. Светелка была рабочим кабине том и спальней. У письменного стола два мягких кресла. Через ком нату протянута проволока с подвешенной на ней керосиновой лам пой. На веранде — самодельный токарный станок и небольшой вер стак. Тут же гофрировальный станок с деревянными вальцами, об разцы гофра для оболочки дирижабля.
На первом этаже в бывшей кладовой экспонируются труды уче
ного по дирижаблестроению и |
аэродинамике. На стендах — модели |
и макет цельнометаллического |
дирижабля, оборудование для изго- |
1
Здание Государственного музея истории космонавтики им. К. Э. Циолковского в г. Калуге
товления его оболочки. В малой комнате первого этажа — изготов ленная К. Э. Циолковским модель аэродинамической трубы. В боль шой комнате — печатные труды К- Э. Циолковского, модели его ра кеты, чертежи, эскизы, литература о трудах ученого. В саду перед домом-музеем — бюст К. Э. Циолковского.
Учитывая большой интерес к вопросам ракетной техники в Ка луге начали строительство нового здания для музея, которое и было заложено 13 июня 1961 г. И вот сейчас, на улице академика Коро лева в тени деревьев старинного парка поражает своей красотой ве личественное здание Государственного музея истории космонавтики имени К- Э. Циолковского. Омо расположено над поймой рек Оки и Ячейки, откуда открывается вид на окрестные дали. Бескрайние просторы русской природы как бы сливаются с бесконечностью кос моса, с величием Человека, неисчерпаемостью его мыслей. Музей ис тории космонавтики — «Дворец космоса» — повествует о жизни и деятельности Константина Эдуардовича, о развитии и практическом осуществлении его замечательных идей. Витрины и панно помога ют посетителям познакомиться с трудами ученого.
В 1903 г. в своей работе «Исследование мировых про странств реактивными приборами» *, в ряде других работ, изданных в 1911—1912, 1914 и 1926 гг., а также в работе «Космические ракетные поезда», опубликованной в 1929 г., К. Э. Циолковским ясно и четко изложены осно вы теории движения ракет, описаны принципы устройства1
1 Впервые напечатано в журнале «Научное обозрение», 1903, № 5.
18
ракеты и ракетного двигателя на жидком топливе. Им были рассмотрены и рекомендованы к использованию различные топлива для ракетных двигателей. К. Э. Циол- KOBtKHi-i не исключал возможности применения в ракет ной технике внутриядерной энергии.
Значительное место в трудах Циолковского занимали проблемы, связанные с осуществлением межпланетных путешествий. Он доказал, что от межпланетных станций и полетов к планетам может быть проложен путь к гран диозным поселениям в межпланетном пространстве, к ис пользованию богатств космоса .для нужд человечества.
Здесь К- Э. Циолковский предполагает в дальнейшем в качестве строительного материала для «поселения» ис пользовать астероиды, которые называются также «ма лые планеты» и движутся вокруг Солнца по эллиптиче ским орбитам, большая часть которых расположена меж ду орбитами Марса и Юпитера.
Общая масса астероидов примерно в 1000 раз меньше массы Земли. Самые крупные астероиды имеют в поперечнике несколько сот километров. Отдельные малые планеты в процессе своего дви жения подходят достаточно близко к Земле. Малая планета Икар, например, подошла в 1968 г. к Земле на расстояние в 6,5 млн. км, Гермес в 1937 г. — на расстояние порядка 380 000 км. (Расстояние от Земли до Луны 384 400 км).
До Великой Октябрьской социалистической револю ции К. Э. Циолковский и его работы не получили долж ного признания. Только при Советской власти его окру жили заботой и вниманием. «При Советском правитель стве,—писал Константин Эдуардович, — я мог свободно отдаться своим трудам, и почти незамеченный прежде я возбудил теперь внимание к своим трудам». В 1919 г. он был утвержден членом Социалистической, позлее — Ком мунистической, академии. Так как в 1920 г. К- Э. Циолков ский по болезни в возрасте 63 лет оставил педагогиче скую работу в средней школе, ему назначили постанов лением Правительства персональную пенсию. Общест венные организации оказывали К. Э. Циолковскому постоянную помощь.
Мысли К. Э. Циолковского, изложенные в его книгах, и ныне поражают необычайной смелостью, математиче ской строгостью, точностью предвидения.
За 1917— 1935 гг. было издано в четыре раза больше его статей, брошюр и книг, чем за весь предшествующий период. Только за 10 лет с 1925 по 1935 гг. было опубликовано около 60 работ К,. Э. Циол ковского по физике, космонавтике, астрономии, механике и фило софии.
19