ИССЛЕДОВАНИЕ МИРОВЫХ ПРОСТРАНСТВ РЕАКТИВНЫМИ ПРИБОРАМИ (ДОПОЛНЕНИЕ 1914 г.)

Здесь я хотел бы популяризоватьсвои мысли, сделать некоторые к ним пояснения и опровергнуть взгляд на ракету, как на что-то чрезмерно далекое от нас.

Вот некоторые из теорем, доказанных мною выше.

Теорема 1. Пусть сила тяжести не уменьшается с удалением тела от планеты. Пусть это тело поднялось на высоту, равную радиусу планеты; тогда оно совершит работу, равную хОЙ, которая необходима для полного одоления силы тяжести планеты.

Для Земли, например, и тонны вещества эта работа равна 6 366 000 тоинометров. Если снаряд, как у Эсно Пельтри, работает 24 мин. и весит тонну, то нетрудно рассчитать, что в секунду его двигатель должен давать ракете работу б 4 420 тоинометров, или 58 800 лошадиных сил, а не 400 000, как это рассчитывает Эсно Пельтри *.

У меня взрывание быстрее и продолжается только ПО сек. Таким образом, в секунду снаряд весом в тонну должен выделять 57 870 тоинометров, что составляет 771 600 лошадиных сил. Все, конечно, скажут: возможно ли это? Снаряд весом всего в тонну выделяет чуть не миллион лошадиных сил!

Самые легчайшие двигатели выделяют в настоящее время па тонну своего веса не более 1 000 лошадиных сил.

Но дело в том, что здесь речь идет не об обычных двигателях, а об устройствах, подобных пушке.

Представьте себе пушку длиною в 10 метров, выбрасывающую снаряд в тонну весом со скоростью 1 километр в секунду.

Это недалеко от действительности. Какова же работа, произведенная взрывчатым веществоми полученная ядром? Нет ничего легче, как рассчитать, что она составляет около 50 000 тоинометров — и это в течение малой доли секунды. Средняя скорость ядра в пушке не менее 500 м/сек. Следовательно, пространство в 10 метров ядро пробегает в^[1]/во ^сек* Значит, работа пушки в секунду составит 2 500 000 тоинометров, или около 33 300 000 лошадиных сил.

Отсюда видно, что полезная работа артиллерийского орудия в 566 раз больше, чем требует ракета Эсно Пельтри и в -13 раза больше, чем мой реактивный прибор.

Итак, в количественном отношении нет ничего общего между реактивными снарядами и обыкновенными моторами.

Теорема 2. В среде без тяжести окончательная скорость «ракеты» при постоянном направлении взрывания не зависит от силы и порядка взрывания, а только от количества взрывчатого материала (по отношению к массе «ракеты»), его качества и устройства взрывной трубы.

Теорема 3. Если масса взрывчатого материала равна массе «ракеты», то почти половина работы взрывчатого вещества передается ракете.

Этому легко поверить, стоит только вообразить два одинаковых по массе шара и между ними распрямляющуюся пружину. Она разделит при распрямлении между шарами поровну заключенную в ней работу.

Если, например, имеем ядро с трубой и вырывающуюся из нее такую же массу водорода при нулевой температуре, то скрывающаяся энергия водорода разделится пополам, причем одна половина передастся ядру. Скорость молекул во-юрода, как известно, составляет около 2 километров в секунду. Поэтому ядро получит скорость около 1410 м/сек. Но если принять в расчет теплоемкость водорода или вращательное движение двух атомов, из которых состоит каждая молекула водорода, то ядро получит около 2 километров скорости в секунду.

После этого уже нетрудно поверить моим расчетам, по которым выходит, что при химическом соединении водорода с кислородом скорость новообразованных молекул воды, вырывающихся из неподвижной трубы, составляет более 5 км/сек; следовательно, скорость, полученная подвижной трубой такой же массы, более 3*/г км/сек. Действительно, если бы вся теплота горения передалась соединению, т. е. водяному п г ру, то температура его достигла бы 10 000° Ц (если бы не было его расширения); при этом скорость частиц пара будет приблизительно в 6 раз больше, чем при нуле (4−273° абсол. темп.).

Скорость молекул водяного пара при нуле градусов, как известно, более 1 км/сек, следовательно, при образовании пара из кислорода и водорода развивается благодаря химической реакции скорость до 6 км/сек.

Я, конечно, только делаю грубую и наглядную проверку моих прежних вычислений.

Итак, когда масса гремучего газа равна массе «ракеты», то скорость ее в З'/з км/сек весьма естественна и число это очень скромное.

Теорема 4. Когда масса ракеты плюс масса взрывчатых веществ, имеющихся при реактивном приборе, возрастает в геометрической прогрессии, то скорость «ракеты» увеличиваемся в прогрессии арифметической.

Этот закон выразим двумя рядами чисел:

Масса… 2, 4. 8, 16, 32, 64, 128…

Скорость … I. * 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.

Положим, например, что масса ракеты и взрывчатых веществ составляет 8 единиц.

Я отбрасываю 4 единицы взрывчатого вещества и получаю* скорость, которую мь;' примем за единицу.

Затем я отбрасываю 2 единицы взрывчатого материала ияслучаю еще единицу скорости; наконец отбрасываю последнюю единицу массы взрывчатых веществ и получаю еще единицу скорости; всего 3 единицы скорости.

Из этой теоремы видно, что скорость далеко не пропорциональна массе взрывчатого материала, она растет зесьма медленно, но беспредельно.

Есть наиболее выгодное относительное количество взрывчатых веществ, при котором их энергия используется лучше всего. Это число близко к 4.

Но абсолютные скорости ракеты все-таки тем больше, чеьг запас взрывчатых веществ значительнее. Вот относию’льный запас этого материала и соответствующие секундные скорости, в километрах:

Масса взрывчатого материала. 1, 3, 7, 31, 63, 127, 256;

Скорости …31/2. 7, IO½ 14, 171/₂ 21, 241/_г

Теорема 5. В среде тяжести, например на Земле, прк вертикальном поднятии ракеты часть работы взрывчатых веществ пропадает — и тем ббльшая часть, чем ближе давление вырывающихся газов на ракету к весу последней.

Если, например, -ракета со всем содержимым весит тонну и давление взрывчатых веществ на снаряд тоже составляет тонну, то утилизации нет или она равна нулю, т. е. взрывание безрезультатно, так как ракета стоит на одном месте и энергия ей не передается.

Вот почему в моих проектах давление на ракету я принимаю в 10 раз большим, чем вес снаряда со всем в нем находящимся.

Эсно Пельтри, принимая вес ракеты в одну тонну, на взрыва чатые вещества отделяет одну треть. Если это радий, притом отделяющий свою энергию в миллионы раз быстрее, чем это есть на самом деле, то межпланетные полеты обеспечены.

Я сам мечтал о радии. Но в последнее время я произвелвычисления, которые мне показали, что если направить частицы (альфа и бета), выделяемые радием, в одну сторону параллельным пучком, то вес его уменьшается приблизительно наодну миллионную долю его собственного веса.

Поело этого я бросил мысль о радии. Всякие открытия возможны, и мечты неожиданно могут осуществиться, но мне бы хотелось стоять по возможности на практической почве.

Эсно Пельгри вычисляет, что одна треть тонны гремучего газа может передать ракете только ¹/₁₃₀ требуемой работы, необходимой для освобождения от силы тяжести.

По моим расчетам, передается даже меньшая часть, именно только V₅40- Причина не только в том, что относительное количество (V_s) взрывчатых веществ незначительно, но главным образом еще в том, что давление газов на снаряд у Эсно Пельтри принимается лишь на одну десятую превышающим вес ракеты. Это давление в 100 раз меньше, чем-то, какое принимаю я.

На основании последней теоремы (5) мы видели, что взрывание в среде тяжести может быть даже безрезультатным, если давление газов на прибор будет равно его весу.

Действительно, относительное количество взрызчагых веществ (^!/₃) У Эсно Пельтри далеко от наиболее благоприятною (4); поэтому, согласно моим таблицам, снаряд приобретает скорость не более l^l/t км/сек —и то при давлении газов, как у меня. Но так как у него это давление в 9 раз меньше, то утилизируется в 10 раз меньше, и скорость будет только около 0,5 км/сек. Для преодоления же земной тяжести нужно. иметь скорость 11 км/сек; следовательно, скорость должна быть р. 22 раза больше, а энергия, потребная для этого, будет в 484 раза больше.

Опять повторяю, что ошибки, замеченные мною в докладе Эсно Пельтри, есть, вероятно, простые опечатки, как это часто бывает; но думаю, что небесполезно их исправить.

Успешное построение реактивного прибора и в моих глазах представляет громадные трудности и требует многолетней предварительной работы и теоретических и практических исследований, но все-таки эти трудности не так велики, чтобы •ограничиться мечтами о радии и о несуществующих пока явлениях и телах.

Можно ли забрать потребный запас взрывчатых веществ, превышающий вес ракеты в десятки раз?

Представим себе, что половина удлиненной веретенообразной «ракеты» заполнена жидкими свободно испаряющимися взрывчатыми веществами.

Эти вещества находятся под влиянием усиленной относительной тяжести вследствие ускоренного движения ракеты и потому стенки последней испытывают от жидкостей давление большее, чем при неподвижном положении ракеты на Земле. Расчеты показывают, что при стальном материале, при надежной (6) прочности, при «ракете» длиною в 10 м и при тяжести, •превышающей земную в 5 раз, вес взрывчатых веществ может ‘быть в 50 раз больше веса ракеты с остальным содержимым.

И это при самом заурядном материале и большом запасе прочности. Теория также показывает, что при увеличении размеров ракеты относительный запас взрывчатых веществ убывает, и наоборот. Поэтому выгоднее давать ракете возможно малые размеры, 10 м длины — величина вполне достаточная.

Другой важный вопрос — о температуре взрывающихся материалов.

Расчеты показывают, что при свободном (как в нашей взрывной трубе) расширении продуктов соединения гремучего газа наибольшая температура их должна достигать 8 000°. Ц.

Но на практике в горящем гремучем газе даже не плавится известь. Следовательно, температура далеко не так высока. Причина в явлении диссоциации.

Когда водород и кислород начинают химически соединяться, то температура настолько повышается, что препятстзуег большой части молекул образовать химическое соединение, так как при высокой температуре оно невозможно. Вода начинает разлагаться на водород и кислород уже при 1000° Ц. Девиль нашел температуру разложения водяного пара от 900 до 2500° Ц. Поэтому можно думать, что наибольшая температура горящего гремучего газа не превышает 2500° Ц.

Не так уже непреодолимо разыскание материалов, выдерживающих такую температуру. Вот некоторые известные мне температуры плавления тел: никель— 1500, железо—1700, индий — 1760, паладий — 1800, платина — 2100, иридий — 2200, Ьсмий — 2500, вольфрам — 3200, углерод — не расплавлен даже при 3500° Ц. С одной стороны, взрывная труба должна усиленно охлаждаться, с другой — исследователи должны изыскивать вещества и прочные, и тугоплавкие.

Изыскания должны быть также направлены е целью найти наиболее подходящие вещества для взрывания. Из всех известных химических реакций наибольшее количество теплого! дает соединение водорода с кислородом.

Вот сколько выделяется тепла на единицу веса взятых веществ при соединении их с кислородом. Водород при образовании воды дает 34 180, а при образовании пара — 28 780, уголь при образовании углекислого газа 8 080, углеводороды от 10 000 до 13 000 калорий. Но нам важны не эти числа, а те, которые приходятся на единицу массы продуктов горения: только они дают нам представление о пригодности для ракеты горючих материалов. На единицу массы паров воды н&йдем углекислого газа — 2 200, бензина — 2 370—3 200 калорий. Вообще, углеводороды при горении на единицу своей массы дают число большее, чем для углерода, т. е. большее 2 200, но не доходящее до 3 200. Чем больше в углеводороде водорода, тем выгоднее он для «ракеты». Нельзя брать материалы, дающие нелетучие продукты, как, например, окись кальция или известь.

Один из газов в жидком виде, именно предпочтительна кислород, полезен как средство, охлаждающее взрынн>ю трубу. Водород же в жидком виде может быть заменен жидкими или легко сгущающимися в жидкость углеводородами. Надо искать такие соединения водорода с углеродом, которые, содержа возможно больше водорода, образовались при своем получении из элементов с поглощением теплоты, как, например, ацетилен, который, к сожалению, мало содержит водорода. В последнем отношении больше удовлетворяет терпентин или скипидар и еще больше метил или болотный газ; последний нехорош тем, что трудно сгущается в жидкость.

Подобные же соединения не мешает отыскать и для кислорода.

Надо найти непрочные соединения его с самим собою (в роде озона) или с другими телами, которые бы давали прочные и летучие продукты при соединении с элементами углеводорода, притом с большим выделением тепла*.

Если для ракеты вместо водорода употребим бензол или бензин, то для того случая, когда масса взрывчатых материалов равна массе «ракеты» с ее остальным содержимым, найдем скорость вылетающих из трубы частиц не в 5700 м/сек, л только в 4350. А скорость ракеты будет только 3100 м/сек. Поэтому теперь получим такую таблицу масс взрывчатого материала и скоростей ракеты:

Масса... … 1, 3, 7, 15, 31. 63, 127.

Скорость, км/сек … 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21…

Этих скоростей также достаточно и для междузвездиых путешествий.

Углеводороды выгодны, потому что дают очень летучие продукты: водяной пар и углекислый газ; кроме того, жидкий углеводород при обыкновенной температуре не поглощает значительного количества теплоты при своем нагревании, как жидкий и очень холодный чистый водород.

Важен вопрос о весе взрывной трубы. Для этого нужно знать давление газов внутри ее. Вопрос этот очень сложный и требует обстоятельного математического изложения (и я его подготовлю для печати). Здесь же мы его только слегка коснемся.

Представим себе начало взрывной трубы, куда в определенном отношении притекают газы в жидком виде (хотя водород и кислород). Только часть атомов вступает в химическое соединение, потому что повысившаяся до 2500° температура мешает соединению прочих атомов. Принимая плотность смеси газов, за единицу, найдем что упругость их, принимая в расчет высокую их температуру, не превысит 5000 атмосфер, пли около 5000 кг/см² поверхности трубы в самом ее начале.

При движении газов в трубе и их расширении Температура должна бы понизиться, но этого некоторое время не будет, так как понизившаяся температура сейчас же даст возможность продолжиться химической реакции, что опять повысит температуру до 2500°. Итак, до некоторой степени расширения газов их температура остается постоянной, так как поддерживается теплотою горения.

После полного соединения атомов и образования водяного пара начнется быстрое понижение температуры. Вычисление показывает, что при ушестеренном увеличении объема абсолютная температура понижается вдвое. На этом основании составим следующую таблицу расширений и соответствующих абсолютных и обыкновенных температур (приблизительно):

Из этого видно, что при расширении раз в 200 уже выделяется почти вся теплота, превращающаяся в работу поступательного движения газов к ракеты. При дальнейшем расширении пар обращается в жидкость и даже в кристаллы льда, мчащиеся с поразительной быстротой нз трубы.

Так вот какова грубая картина явлений во взрывной трубе.

Положим для простоты, что она цилиндрической формы, и определим ее наибольшую толщину и площадь дна.

Пусть вес ракеты с человеком и всеми ее органами и запасами, кроме запаса взрывчатых веществ, составит 1 г; количество взрывчатых вэществ примем в 9 г.

Давление на ракету положим в 5 раз больше ее веса. Относительная ее тяжесть и всех предметов в ней будет 5, т. е. н 5 раз больше тяжести на земле. Человек должен быть в лежачем положении погружен в футляр с водой. При этом можно ручаться за полную безопасность его тела.

Итак, давление газов на ракету или на дно трубы составит 60 т, или 50 000 кг. А так как газы в начале трубы дают 5000 кг давления на 1 см², то площадь основания трубы составит 10 см². Толщину стенок трубы, принимая лучшую сталь и обычную безопасность (6), вычислим равной 4,5 см при внутреннем диаметре в 3,6 см. Значит, внешний диаметр будет мекев 13 с. и, а внутренний менее 4 см.

Вес одного дециметра такой трубы будет около 10 кг, а одного метра — 100 кг, но не надо забывать, что вес трубы должен быстро убывать при удалении от ее начала, так как газы быстро расширяются и давление их пропорционально уменьшается, не говоря уже про понижение температуры, которое начинайся не сразу, но отступая несколько от начала трубы.

Все-таки видно, что труба поглощает очень много из веса ракеты. Поэтому изыскания должны быть также направлены в сторону отыскания материалов гораздо более крепких, чем обычная сталь, которая может и не удовлетворить наш^м целям, помимо ее легкоплавкости.

Определение полного веса без высшей математики затруднительно. Оставляем этот вопрос до более обстоятельного трактата.

Взрывчатые материалы надо каким-либо способом вдавливать в трубу; на это требуется громадная работа, составляющая одну из трудностей дела. Но не надо закрывать глаза. Если ракета весит 1 г, взрывчатый материал — 9 т, ускорение ракеты — 50 м/сек², то давление на нее при наклонном (более выгодном) восхождении составит около 50 г. Начальная упругость газов и давление на дно трубы будут 50 г. Давление газов на 1 см² мы приняли в 5 г. Теперь из этих данных найдем, что для получения скорости в 10 км/сек взрывание должно продолжаться около 200 сек.; трубе мы должны доставлять в секунду около 45 кг взрывчатого материала.

Скорость их течения, предполагая их среднюю плотность в единицу, будет около 45 м/сек. Работа вталкивания взрывчатого вещества при огромном давлении в устье составит работу в 2250 тоннометров в течение одной секунды, что составит 30 000 паровых лошадей¹!

Получили результат немыслимый для двигателей при настоящем состоянии техники. Поэтому от накачивания обыкновенными способами надо отказаться. Всего проще — вкладывать в трубу известный заряд и дать ему взорваться к улетучиться. Затем, при отсутствии давления в трубе вдвинуть другой заряд и т. д. Это должна производить машина и притом с необыкновенной быстротой. Затруднения мы видим и тут.

Заметим, чго полезная работа взрывчатых веществ в нашем снаряде в среднем будет не менее 400 000 лошадиных сил, что составляет в 13 раз более работы вдавливания взрывчатого материала в трубу. Нельзя ли вдавливать этот материал работою самого взрывания, как инженер Жиффара вдавливает воду в паровик силою давления находящегося в нем пара?

У самого устья трубы должно быть ответвление, по которому газы поворачивают опять к устью н в силу своей быстроты втягивают и вталкивают взрывчатый материал непрерывной струей в самое устье взрывной трубы.

Без сомнения, было бы это осуществимо, если бы нашлись подходящие по тугоплавкости и крепости строительные материалы.

Если принять во внимание громадную силу давления газов на ракету, достигающую 5 г и более на тонну ракеты, то во;

прос об управлении ракетой не покажется легким. .Сгибая выхлопной коней взрывной трубы и изменяя тем направление вылетающих газов, мы вызываем боковое давление и изменение положения ракеты. Но общее давление на нее так велико, что прежде чем вы повернете раструб (или руль в нем), ракета уже получила сильное уклонение или даже перевернулась. Ракетам и вообще снарядам, построенным для военных целей, ради устойчивости в направлении придают быстрое вращательное движение вокруг продольной оси. С нашей ракетой этого сделать нельзя, потому что вращение вызывает центробежную силу, от которой пострадает живое существо. Но можно достигнуть устойчивости, если в ракете поместить два быстро вращающихся тела, оси вращения которых взаимно перпендикулярны. Это увеличит вес ракеты, что непривлекательно.

Даже в среде образованных людей представления о явлениях в ракете при ее восхождении очень смутны. У писателейфантазеров описания относительных явлений или отсутствуют или неверны.

Кажущаяся тяжесть в ракете зависит от ускорения, получаемого ею от давления газов. Так, если ускорение ракеты 50 м/сек¹, то относительная тяжесть в ней будет в 5 раз больше земной, так как ускорение последней составляет 10 м/сек¹. Поэтому во время взрывания в ракете будет усиленная тяжесть в течение 3—4 мин.; после прекращения взрывания тяжесть как бы уничтожится, так как ускорение от взрывания будет нуль. Усиленную тяжесть можно' легко перенести, погрузившись в крепкий футляр человеческой формы, вмещающий очень немного воды. Должны быть произведены предварительные опыты с помощью большой центробежной машины, также рождающей относительную тяжесть.

Такие же опыты нужно произвести с целью выработать условия, необходимые для дыхания и питания человека при окружающем ракету безвоздушном просгранстве.

Вышеприведенное уже дает представление об устройстве реактивного снаряда для космических путешествий.

Задняя, кормовая половина ракеты состоит из двух камер, разделенных 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. От устья взрывной трубы отходят две ветки с быстро мчащимися газами, которые увлекают и вталкивают жидкие элементы взрывания в устье подобно пароструйному насосу.

Свободно испаряющийся жидкий кислород в газообразном и холодном состоянии обтекает промежуточное пространство между двумя оболочками ракеты и тем препятствует нагреванию внутренности ракеты при быстром движении ее в воздухе.

Носовое изолированное, т. е. замкнутое оо всех сторон, помещение заключает:

1. Газы ишары, необходимые для дыхания. 2. Приспособления для сохранения живых существ от упятеренной или удесятеренной. силы тяжести. 3. Запасы для питания. 4. Приспособления для управления, несмотря на лежачее положение в соде. 5. Вещества, поглощающие углекислый газ, миазмы и вообще все вредные продукты дыхания.

Сделаем здесь еще грубые расчеты для сравнения артиллерийских орудий с ракетной трубой.

Хотя я и читал, что при опытах с пушечным ядром получили скорость до 1 200 м/сек, но на практике довольствуются скоростью в 500 м/сек. При этом, не считая сопротивления воздуха, ядро, двигаясь вертикально, поднимается на высоту 24i км. При полете под углом в 45° оно прюходиг наибольшее расстояние в горизонтальном направлении, именно 25 км. Летит ядро в первом случае около 100 сек., во втором — 70 сек.

При скорости же в 1 000 м/сек наибольшее поднятие 50 км, а наибольшее горизонтальное перемещение—100 км. Время полета будет вдвое больше.

При 14-дюймовом орудии длиною 10 м и снаряде весом в 1 т найдем, что среднее давление в стволе составляет около 1 250 кг/см^г, или 1 250 атм. При удвоенной же скорости ядра среднее давление достигает 5 000 атм. Максимальное, конечно, гораздо больше. Следовательно, в пушке давление близко к давлению, принятому нами в ракете (5 000 атм).

Приняв в нашей пушке массу взрывчатых веществ в 1 г, а время движения ядра в канале в Vs" ^сек— (окончательная скорость 500 м/сек), найдем, что в среднем в секунду расходуется 25 т взрывчатого вещества.

В нашей же ракете только 45 кг, т. е. в 555 раз меньше. Понятно, что и массивность ракетной взрывной трубы небольшая.

Во взрывной трубе ракеты выбрасываются не тяжелые ядра, а только молекулы газов. Естественно, что скорость их гораздо больше скорости ядер и достигает 5 км/сек. Такого же порядка и скорость, получаемая ракетой. Горячие газы отдают свою работу пушечному ядру далеко не в полном виде, но только пока находятся в пушечном канале. Выходя из него, они еще имеют громадную упругость и высокую температуру, что доказывается звуком и светом орудийного выстрела. Постепенно расширяющаяся взрывная груба ракеты настолько длинна, что температура и упругость выходящих из раструба газов, совершенно ничтожны. Таким образом в ракете энергия химической реакции используется почти без остатка.

Статья впервые напечатана в 1914 г.

• [1] См. статью К. Е. Вейгелипа. Природа и люди, № 4, 1914. Без сомнения, я тут исправляю опечатки, а не ошибки Эсно Пельтри.