Космическая ракета. 
Опытная подготовка (1927)

Описание постановки опыта

Сначала необходимо произвести опыты на одном месте, т. е. без заметного перемещения прибора. Предполагается при этом выработать подходящую конструкцию, также управление взрывом, направлекием прибора, его устойчивостью и пр.

Фиг. I.

Фиг. 1 изображает предполагаемое на первое время устройство аппарата. Рисунок схематический (переменный масштаб), т. е. без соблюдения пропорциональности частей. Потом я постараюсь приблизительно дать истинные размеры.

Начинаем описание справа налево.

• 1. Справа бензиновый мотор для выкачивания и накачивания жидкого воздуха, кислорода или его эндогенных соединений. Глушитель следует устранить, а продукты горения выбрасывать назад по направлению, обратному предполагаемому движению. Это хоть немного увеличит реактивное действие ракеты. Впрочем, для опытов это неважно.
• 2. И. К. и И. В. — два насоса, приводимые в движение одним двигателем. Первый накачивает во взрывную трубу кислородные соединения, второй — водородные. Объемы их должны соответствовать полному соединению взрывчатых веществ. Объем кислородного цилиндра вообще больше водородного.

Окончательная регулировка может закончиться изменением хода одною из поршней. Регулировка имеет важное значение; если кислорода будет больше, чем нужно, то может загореться взрывная труба, если меньше, то даром будет пропадать горючее.

Определим отношение объемов насосных цилиндров в случае употребления бензола С"ТН («и жидкого кислорода 0₂. При сгорании получается вода Н, 0 и углекислый газ С0₂. Для С» и получения СО* надо 0₁₂ или 192 весовых части кислорода, а для Н₀ надо 0₃ или 48 частей. Всею 240 частей кислорода. Бензол же имеет 78 частей. Стало быть, кислорода надо по весу больше в 3,1 раза. При одинаковых приблизительно плотностях и объем кислорода будет втрое больше, чем бензола. Если взять соединения, которые содержат больше водорода, например, ожиженный этилен С₃Н₄, или скипидар С₁₀Н_1в, то отношение будет больше, но оно мало изменится. Так, для маслородного газа С₂Н₄ оно будет 3,4. Для скипидара (терпентинное масло) оно близко к 3,2 (предполагая одинаковые плотности). Но при употреблении жидкого воздуха, в котором много азота, объемное количество кислорода может увеличиться в 5 раз, и отношение объемов цилиндров дойдет до 15. Но часть азота обыкновенно удаляется, и потому это отношение горазда меньше и может дойти до 4—5. Эндогенные соединения кислорода (например, азотный ангидрид N₌0_&) также это отношение увеличивают, но очень немного. Так, последнее соединение доводит отношение кислородного соединения к водородному (бензину) до 4,2.

Если вталкивать каким-нибудь способом угольный порошок, т. е. чистый углерод (С = 12), то количество кислорода О, окажется только в 2³/4 раза больше, чем угля. Если же последний плотен, как алмаз, то кислорода по объему потребуется даже меньше, чем углерода.

3. кк, кк — насосные клапаны. У одного насоса два кислородных клапана, у другого — дза водородных (т. е. пропускающих водородное соединение). Клапаны находятся на некотором расстоянии от места взрыва Рк, Рв и потому портиться от нагревания не могут. Кроме того, кислородная смесь очень ха лодна, а водородное соединение охлаждено сильно ею же, почему жар взрыва не доходит во вредной степени до насосов и клапанов. Клапаны, ведущие во взрывную трубу, захлопываются с ужасною силою в момент взрыва. Только тогда, когда уменьшится давление в трубе и продукты взрыва частью улетят, частью разредятся, клапаны могут открыться, и поршни будут двигаться, чтобы дать трубе новую порцию взрывчатых веществ (вернее их называть элементами взрыва, так как отдельно они не взрываются, как, например, порох или нитроглицерин, и потому совершенно безопасны). Отсюда видно, что секундное число оборотов двигателя (или ходов поршня) не может быть выше меры, определяемой опытом. Отсюда и необходимость переменной подачи. Если, например, придется число оборотов уменьшить в 5 раз, чтобы мотор экономно работал, то передача должна этого достигнуть. Но того же можно достигнуть, уменьшив объем каждого насоса в 5 раз или же ход поршней во' столько же раз. Первое выгоднее. Тогда переменная передача или переменный ход* поршней может понадобиться только в будущем для изменения силы взрывания.

• 4. 77. Т. К. и П. Т. В.— трубопроводы для кислорода и водорода. Они идут от баков и оканчиваются у насосов. Они не подвергаются давлению взрыва, как и баки, и потому могут быть устроены из тонкого материала.
• 5. Р. К. й Р. В. — решетки с косыми дырами для лучшего смешения углеводорода с кислородной смесью. Начало взрывной трубы перегорожено пополам. По одной половине устремляется кислородная смесь, по другой — угдеводород. Тут они холодны и смешаться не могут. Смешение и взрыв происходят далее за решетками, где множество разнородных струй приходит в столкновение и смешение. Накаленная в этом месте (еще ранее) труба побуждает их к химическому соединению или взрыву. (Для первых опытов нужно иметь электрический или другой запал, накаляемый при начале опытов, пока не накалилась перегородка.) Цель перегородок — удалить клапаны от чрезмерного жара, несколько охладить взрывную трубу иуменьшить (уровнять) силу взрыва и его давление на дно трубы.

Если дыры в решетке очень мелки и их много, то взрывание будет чересчур быстро, взрывной толчок ужасен и труба может пострадать. Число и размер дыр надо определить опытом, начав с дыр крупных, уменьшая их до возможной степени и увеличивая одновременно их число. Направление их или, взаимный наклон также изменяется до получения лучшего результата.

6. В. Т. — взрывная труба конической формы. Эта расширяющаяся к выходу форма сокращает длину трубы. Опыт должен определить наиболее выгодную степень ее расхождения или угол конуса. Очень большой угол сильно сократит длину, но, разбрасывая взрывчатые вещества в стороны, меньше их использует.

Взрывная труба должна быть сделана из материала прочного (даже при высокой температуре), тугоплавкого и несгораемою; хорошо, если он также и лучший проводник тепла. Доступнее сделать трубу из двух оболочек: первая — внутренняя, очень прочная и тугоплавкая, вторая — менее тугоплавкая, но тоже прочная и хорошо проводящая тепло. Благодаря этому тепло от страшного нагревания трубы вблизи решеток будет быстрее уноситься наружной трубой в обе стороны и будет полезно обеим сторонам трубы: справа будут подогреваться холодные, еще несмешанные жидкости, а слева — расширяющиеся и охлаждающиеся от этого потоки газов. Нагревание прибавит им скорости, что и нужно. Кроме того, труба охлаждается еще и жидкостями. Нефть (водородное соединение) охлаждает трубу и сама охлаждается смесью жидкого кислорода.

Результаты опыта заставят нас многократно менять материалы, взрывные вещества и устройство трубы.

• 7. В. Б. и К. Б: — внутренний водородный или нефтяной бак, окружающий горячую часть взрывной трубы, и наружный с жидким кислородом, окружающий водородный бак и охлаждающий его. Баки не должны свариваться со взрывной трубой, так как она подвержена взрывным толчкам и потому будет рвать баки в случае тесного соединения их стенок с трубой. Герметическое соединение с ней возможно при волнистых стенках бака.
• 8. Руль верт. Руль гор. — рули; они находятся против выходного отверстия взрывной трубы. Так как будущий аппарат летит то в воздухе, то в пустоте и опускается на землю плани

Фиг. 2. Рисунок из рукописи К. Э. Циолковского. Альбом космических путешествий^-.

рованием (после того как израсходует весь взрывной материал пли после того как с намерением прекратит взрывы), то рули должны действовать, одинаково хорошо как в воздухе, так и в пустоте, так же как и при неподвижности привязанного аппарата во время первых опытов. Перед опытами прибор должен висеть на тросе, прикрепленном нижним концом к центру его тяжести, чтобы иметь безразличное равновесие. Сильно наклоняться он не может, так как этому мешает близкий пол (почва или помост). При первых опытах в помещении (или снаружи) измеряется только средняя реактивная сила или отдача, возбуждаемая рядом почти сливающихся взрывов. Это есть тяга прибора или стремление его вперед. Конечно, при этих опытах прибор укрепляют так, чтобы он не мог вертеться и только натягивал задний трос с динамометром. Потом упражняются в рулях. Делают свободным вращение аппарата и, маневрируя •рулями, стараются дзть ему определенное направление и стремятся сохранить его. Сначала упражняются с одним вертикальным рулем. Хотя снаряд и будет немного наклонен, но направление его в горизонтальной плоскости мы будем менять по желанию. Потом пускают в дело и горизонтальный руль, состоящий из двух плоскостей (вроде раздвоенного хвоста некоторых птиц) и двойной штанги для ручного управления. Таким способом пытаемся направить продольную ось ракеты независимо от пола. Даем, например, снаряду точное горизонтальное положение. Боковая устойчивость достигается взаимным наклоном частей горизонтального руля, что достигается расхождением рычагов двойной штанги. Тут нет ничего нового: все, как у самолета. Эти же рули (они могут выходить за пределы трубы) служат как в пустоте при взрыве, так и при стремительном движении снаряда в воздухе по инерции, когда он возвращается на землю планированием.

9, 10. Рама Р и Опора — перекладина на раме. Взрывная труба в ее узком начале должна быть особенно массивна. Тут у нее есть выдающаяся часть, которая и опирается на перекладину рамы. Опора выдерживает на себе частый ряд могучих толчков, сливающихся в одно сильное давление, которое должны выдерживать перекладина и рама. Поэтому число свободных вибраций перекладины не должно быть кратным числу оборотов мотора, или числу взрывов. В противном случае раскачается и сломается даже очень крепкая опора.

Взрывание не может быть вполне равномерным, и ввиду массивности всей системы и большого числа взрывов в секунду (до 25) получится некоторое среднее давление, которое и определится силомером. Нам выгодно, чтобы сила взрывания (или тяга), приходящаяся на единицу массы утрачиваемых в секунду взрывных веществ, была наибольшей. Путем многочисленных опытов мы можем добиться экономичности, крепости и легкости всего аппарата. Крепость достигается прочностью материала и другими его качествами, его формой (или устройством), хорошим охлаждением, обширностью взрывной части трубы^{взрывная} полость поблизости решеток (и уменьшением порции взрывных веществ и их силы. Взрывную полость нужно, сокращать понемногу, понемногу же увеличивать и разовую порцию накачиваемых веществ.

Размеры насосов и трубы сопла. Количество горючего, скорость истечения и к. п. д.

Полагая 1 т на весь снаряд, на запасы взрывчатых материалов и вес управителя, практические результаты, т. е. возможность полета, получим уже при расходовании в секунду 0,3 кг взрывчатых веществ^[1].

Работа накачивания будет менее метрической силы. Отсюда видно, что на мотор выходит горючего в несколько сотен раз меньше, чем на взрьщную трубу, и потому реактивное действие двигателя (выброска газов назад) почти незаметно по сравнению с трубой.

Расчеты сделаем не на 0,3 кг, а на 1 кг. Узнаем в таком случае объем двух насосных цилиндров (вместе), предполагая плотность взрывающихся веществ равной единице, что не очень далеко от истины.

Если мотор делает 25 об/сек., то каждый оборот должен давать 40 см³. Значит, оба насоса вместе имеют объем *v6a с ребром в 3,4 см. Насосы, очевидно, крохотные. Но благоразумнее начать с меньшего количества взрывных веществ, например, с 0,1 кг.

Объем этого количества будет равен кубу с ребром в 1,6 см <16 мм). Ясно, что весом насосов мы можем совершенно пренебречь, тем более что они не подвержены сильному давлению.

Опыт покажет, может ли небольшая сила вгонять во взрывную трубу столько или более материала. Расчет в моей книжке сделан на 100 am непрерывного давления, между тем как при быстром смешении и малой взрывной полости оно может доходить до 3000—5000 am. Но когда развивается подобное давление, то клапаны им запираются, насос не действует и поршень лишь сжимает жидкость или пружинный шатун (примыкающий к поршню стержень) немного сжимается под влиянием движения мотыля (кривошипа). Однако это настолько краткий момент, что на насос почти не оказывает влияния. В этот момент газы вырываются, давление в трубе и на клапаны ослабляется, и насос работает нормально.

Трудно теоретически определить наиболее выгодный диаметр начала взрывной трубы, но он не может быть меньше примерного размера насосов, т. е. диаметр трубы не будет менее 2—5 см. Значит, площадь — от 4 до 16 см^[2]. Наибольшее давление на дно, предполагая 3000 am, не превысит 12—48 т. Но эго только на короткий миг (удары). Нам достаточно среднее давление в 1 тп.

И при этом уже возможны полеты. При конической трубе еще прибавляется составляющее продольное давление благодаря наклону стенок трубы. Значит, среднее давление на дно может быть меньше 1 т.

Но сильное давление на короткий момент или толчки невыгодны, так как заставляют делать массивнее взрывную трубу и клапаны, что увеличивает тяжесть ракеты. Поэтому смешение не должно быть тщательным. Надо начать опыты с решеток не очень мелких, чтобы избежать мгновенного взрыва и ужасных ударов, хотя ввиду присутствия внешнею атмосферного давления выгоднее быстрый взрыв и большое давление. Дабы уменьшить разрушительные для трубы удары, можно ее сделать сначала просторнее и крепче, чем по расчету.

Мотор, накачивающий горючее и кислород, будет работать почти впустую, а массивность трубы нужна будет только для коротких толчков. Но для начала можно пренебречь экономией веса. Потом надо стремиться удлинить моменты давления, чтобы они занимали по крайней мере половину всего времени или столько же, сколько моменты слабого или нулевого давления. Для этого придется или участить число движений насосов или увеличить их объе*м. Первое выгоднее, так как дает более равномерное давление. Тогда использование массивности трубы будет больше, так как среднее реактивное давление пропорционально увеличится. Работа же мотора возрастет не сильно, так как накачивание должно совпадать с наименьшим давлением в трубе, которое бывает после взрыва. Только движение поршней будет прерывистее, и пружинность шатуна или мотыля должна увеличиться.

Крепость трубы используется тут тем, что усилится ее действие или получится большее среднее реактивное давление при том же весе трубы. Но можно, не усиливая реактивное действие, уменьшить массу трубы, увеличивая число взмахов насоса и уменьшая з то же время их объем.

Но возвратимся к первым опытам и к первым скромным числам. Скорость движения струи в насосах при площади сечения от 2 до 8 см² будет от 50 до 125 см!сек (объем насосов от 4 до 40 см?). Число оборотов мотора — 25 в секунду.

При выходе из трубы газы не могут иметь менее 1 am давления. Если положить разрежение в 1300, то абсолютная температура выходящих из взрывной трубы газов будет 625° или 352° Ц^!. Значит, вылетающие газы в атмосфере еще будут очень горячи, и использование тепла (обращение его в движение) будет никак не более 95%, а на самом деле гораздо меньше, ибо температура выходящих газов будет, вероятно, много выше. Их скорость не будет превышать 3—4 км/сек. Надо добиваться наибольшей скорости, что возможно только при определенных размерах трубы. Широкое основание трубы безопаснее, но дать наибольших скоростей такая труба не может.

В редких слоях воздуха или в пустоте разрежение может быть очень высокое и будет зависеть от размеров и формы трубы. Температура уходящих продуктов горения будет очень низка, использование температуры наибольшее и скорость максимальная. Но нам придется начать полеты в атмосфере, и потому рассчитывать на выгоды пустого пространства мы можем только потом, когДа достигнем успеха в. воздухе. В пустоте, например, наибольшее давление газов в трубе может быть очень малым, и мы ничего от этого не потеряем. Из этого видно, что со временем, поднявшись в разреженные слои атмосферы с помощью массивной тр>бы, мы можем ее отбросить от себя и продолжать полет при помощи трубы более легкой, с малым давлением. Но малое давление (сжатие) заставило бы переделать трубу: при выходе из атмосферы сделать ее шире и длиннее без изменения общею веса, 'ибо стенки при этом утоньшатся. Такое изменение в пути невозможно, а потому труба, приспособленная к воздушному давлению, остается без изменения и в пустоте. Было бы полезно ее удлинить, т. е. сделать насадку на конец трубы, что, может быть, и будут делать в разреженных слоях воздуха и вне атмосферы. Это возможнее.

Есть еще способ высшего использования энергии взрывания: уменьшить в пустоте расход взрывчатых веществ в секунду. Но это возможно только в ограниченном размере, смотря по начальной силе взрывания в атмосфере. Она может быть так мала, что и уменьшать будет нечего. Все же по мере увеличения ракетной скорости силу взрывания в пустоте можно ослаблять почти до нуля.

Давление газов (на 1 см²) с удалением от начала трубьг быстро падает вследствие их разрежения и происходящею от того охлаждения. Распределение плотностей и температур в трубе подобно такому же распределению их в отвесном столбе атмосферы, хотя полной тождественности и нет. Действительно, хотя газы первое время (т. е. на некотором протяжении от начала трубы) и расширяются, но температура их не понижается и равна температуре диссоциации продуктов горения. Это оттого, что сначала только часть элементов соединяется химически, другая находится в состоянии разложения, ибо полному химическому соединению мешает высокая температура (3000 — 4000° Ц). Когда же соединение всех элементов закончится, газы будут расширяться и охлаждаться, как в столбе атмосферы.

Отсюда видно, что только начало взрывной трубы подвержено сильному давлению. Мы будем рассчитывать вес трубы и толщину ее стенок лишь на 1 м длины и на постоянное давление в 3000 am, хотя среднее давление, в особенности при первых опытах, будет гораздо меньше.

Если диаметр трубы в несколько раз больше толщины ее? стенок, то можно принимать (при обыкновенном хорошем материале), что вес сосуда в 6 раз больше, чем вес сжатого в сосуде воздуха (ил: газа, плотности и упругости воздуха). Но здесь этот закон неприменим, так как толщина стенок составляет значительную часть диаметра трубы. Зато при нашем расчете на достаточную поперечную прочность продольная прочность окажется избыточной (т. е. гораздо большей, чем нужно).

Произведем же расчеты:

Здесь даны толщина стенок трубы и радиусы ее — наружный и внутренний.

Далее

Тут показаны: сопротивление материала трубы на протяжении единицы ее длины, коэфицнент сопротивления металла и желаемый запас прочности. Давление газов на том же протяжении будет

где р есть дазление в am. Приравнивая это давление сопротивлению, из (1), (2) и (3) получим.

Положим тут р=3000; S=6; К, =60 кг/мм- = 6 • 10^е г/см-. Теперь найдем 8: г=3. Значит, толщина стенок будет в три раза больше внутреннего радиуса трубы или в полтора раза больше ее внутреннего диаметра. Но есть материалы вдвое более прочные, и запас прочности ввиду меньшего давления в трубе можно также уменьшить вдвое. Тогда толщина стенок составит только ³/i радиуса или Vs диаметра.

Вес трубы будет.

Это на протяжении 100 см; тут у есть плотность материала. Мы принимали 2R от 2 до 4 см.

Из (5) и (4) найдем.

Мы принимали внутренний диаметр трубы от 2 до 4 см или радиус от 1 до 2 см. Значит, формула (6) даст при обычном материале и большом запасе прочности для веса трубы значения от 37,7 до 150,7 кг. А для очень крепкою материала и при меньшем запасе прочности — от 5,2 до 20,7 кг. Но можно обойтись без формулы (6). Действительно, г — от 1 до 2 см; 8— от 3 до 6 см; R— от 4 до 8 см. Значит, вес трубы по формуле (5) будет 2512. (R'—r²) или от 37,7 до 150,7 кг. Так же можно получить вес трубы, когда толщина составляет ³/_в внутреннею радиуса.

Что же выходит? Наибольший вес трубы не превышает 151 кг — и это при трате 1 кг взрывчатых веществ в секунду. Это более чем. достаточно для заатмосферных полетов при полном весе ракеты в 1 т. Все остальное весит очень немного. Вес мотора с насосами и трубами — не более 10 кг. На раму, баки, рули, пилота и пр. положим 140 кг; всею будет около 300 кг. На взрывчатые вещества останется 700 кг, т. е. вдвое больше.

Для первых опытов и даже для полетов в стратосфере и пустоте этою может быть довольно; 700 кг водородных и кислородных соединений хватит на взрывание в течение от 700 до 7000 сек., или от 11,7 мин. до 1 ч. 57 мин.

И труба и весь снаряд при опытах на месте могут быть еще легче: до 100 кг.

• [1] См. статью «Исследование мировых пространств реактивными прибо
• [2] рами»