Меню сайта
Статистика
Циолковский Константин Эдуардович
Константин Эдуардович Циолковский
Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857 г. В селе Ижевском Спасского уезда Рязанской губернии в семье лесничего. О своих родителях Циолковский писал: «Отец всегда был холоден, сдержан. Среди знакомых он слыл умным человеком и оратором. Среди чиновников – красным и нетерпимым по своей идеальной честности…У него была страсть к изобретательству и строительству. Меня ещё не было на свете, когда он придумал и устроил молотилку. Увы, неудачно! Мать была же совсем другого характера – натура сангвиническая, горячка, хохотунья, насмешница и даровитая. В отце преобладал характер, сила воли, в матери – талантливость».
Циолковскому было восемь лет, когда мать подарила ему игрушечный воздушный шар (аэростат), выдутый из коллодиума и наполненный водородом. Будущий создатель теории цельнометаллического дирижабля с удовольствием занимался этой игрушкой. На десятом году жизни – в начале зимы – Циолковский, катаясь на санках, простудился и заболел скарлатиной. Болезнь была тяжелой, и вследствие ее осложнения мальчик почти совершенно, но потерял слух. Глухота не позволила продолжать учебу в школе. «Глухота делает мою биографию малоинтересной, - пишет позднее Циолковский, - ибо лишает меня общения с людьми, наблюдения и заимствования. Моя биография бедная лицами и столкновениями». С 10 до 14 лет жизнь Циолковского была «самым грустным, самым темным временем… Я стараюсь восстановить его в памяти, но ничего сейчас не могу вспомнить. Нечем помянуть это время.
С 14 лет Константин Эдуардович начал заниматься самостоятельно, пользуясь небольшой библиотекой своего отца, в которой были книги по естественным наукам и по математике. Тогда же в нем пробуждается страсть к изобретательству. Он строит воздушные шары из тонкой папиросной бумаги, делает маленький токарный станок и конструирует коляску, которая должна была двигаться при помощи ветра. Модель коляски прекрасно удалась и двигалась на крыше дома по доске, даже против ветра. Исследователь творчества К.Э. Циолковского Сергей Иванович Самойлович (1891-1974) пишет об этом периоде жизни ученого следующее: «Эдуард Игнатьевич (отец К.Э. Циолковского), заметив большие изобретательские наклонности сына, решил дать ему техническое образование и снарядил в Москву для поступления в техническое училище, которое готовило ремесленников. Это было в 1873 г. Но к этому времени технические училище преобразовали в выше учебное заведение (известное нам как МВТУ), чего не знал отец». Константин Эдуардович не мог, конечно, поступить в Высшее техническое училище и решил заниматься самообразованием. Из дома Циолковский получал 10-15 рублей в месяц. Питался одним черным хлебом, не имел даже картошки и чая. Зато покупал книги, реторты, ртуть, серную кислоту и прочее для различных опытов и самодельных приборов. «Я помню, - пишет Циолковский в своей биографии, - что, кроме воды и черного хлеба, у меня тогда ничего не было. Каждые три дня я ходил в булочную и покупал там на 9 копеек хлеба. Таким образом я проживал в месяц 90 копеек… Все же я был счастлив своими идеями, и черный хлеб меня нисколько не огорчал». Тяжёлая жизнь в Москве подорвала здоровье юноши. Пришлось возвратиться домой и, чтобы заработать средства на жизнь, заняться частными уроками Огромная сила воли и выдающиеся способности Циолковского привели к цели − экстерном он сдал экзамены на звание учителя.
С 1880 г. началась его многолетняя педагогическая работа в училищах небольших городов Центральной России − сначала Боровска, потом Калуги. Одновременно К. Э. Циолковский с увлечением отдался научной и изобретательской деятельности, которая продолжалась более полувека. Ученый внес ощутимый вклад в решение многих задач науки и техники. Но важнейшим делом его жизни стали труды в области ракетно-космической техники, подчиненные целям исследования и освоения межпланетного пространства. Решение этих проблем красной нитью проходит через все его полувековое научное творчество.
Идея использования ракет в космосе зародилась в сознании Циолковского еще в самом начале его научной деятельности. В работе «Свободное пространство», относящейся к 1883 г., отчетливо сформулирована мысль об использовании реакции истекающей струи для механического движения. В последние годы XIX в. К. Э. Циолковский создает математическую теорию реактивного движения, а в 1903 г. выходит в свет его знаменитая статья «Исследование мировых пространств реактивными приборами». «Эта классическая работа, − сказал С. П. Королев, − по праву считается первой в мире научной работой, посвященной вопросам теории реактивного движения и ряду важнейших технических предложений в области ракетной техники». Каждое последующее издание своего замечательного труда (1911 − 1912, 1914 и 1926 гг.) ученый дополнял новыми разработками не только теоретического, но уже и практического характера. Обладая в высокой мере чувством научного предвидения, он ощущал приближение космической эры и как бы готовил человечество достойно встретить новый период в истории общества. В указанной работе и в других трудах послеоктябрьского периода, посвященных ракетно-космической технике, К. Э. Циолковский разработал важнейшие проблемы, относящиеся к организации полетов человека за пределы земной атмосферы. К их числу относятся вопросы создания теории многоступенчатых ракет («ракетных поездов», по выражению Циолковского), достижения космических скоростей летательным аппаратом, определения условий посадки космических аппаратов на поверхность планет, лишенных атмосферы, и т. д. Циолковский был первым среди тех ученых, кто поставил задачу создания искусственных спутников Земли, а также орбитальных космических станций, обеспечивающих длительную работу человека в космическом пространстве. Он рассмотрел и основные медико-биологические проблемы космического полета.
При исследовании законов движения ракет Циолковский идет последовательно строго научным путем, вводя в рассмотрение («шаг за шагом») основные силы, от которых зависит движение ракеты. Сначала он желает выяснить, какие максимальные возможности заключает в себе реактивный принцип создания механического движения, и ставит простейшую задачу о прямолинейном движении ракеты в предположении, что сила тяжести я сопротивление воздуха отсутствуют. Эту задачу называют сейчас первой задачей Циолковского. С качественной стороны эта задача была рассмотрена Циолковским еще в 1883 г. в работе «Свободное пространство». Движение ракеты в этом простейшем случае обусловлено только процессом отбрасывания (истечения) частиц вещества из камеры реактивного двигателя. При математических расчетах Циолковский вводит предположение о постоянстве относительной скорости отброса частиц, которое до настоящего времени используется многими авторами теоретических работ по ракетодинамике. Это предположение называют гипотезой Циолковского. Вот как обосновывает эту гипотезу Циолковский в своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами»: «Чтобы снаряд получил наибольшую скорость, надо, чтобы каждая частица продуктов горения или иного отброса получила наибольшую относительную скорость. Она же постоянна для определенных веществ отброса... Экономия энергии тут не имеет места: невозможна и невыгодна. Другими словами: в основу теории ракеты надо принять постоянную относительную скорость частиц отброса. Циолковский весьма простыми рассуждениями получает основное уравнение движения ракеты в среде без действия внешних сил . Из его формулы следует, что а) скорость движения в конце горения (в конце активного участка) будет тем больше, чем больше относительная скорость отбрасываемых частиц (если относительная скорость истечения удваивается, то и максимальная скорость ракеты возрастает в два раза); б) скорость ракеты в конце активного участка увеличивается с увеличением отношения начальной массы ракеты к массе ракеты в конце горения. Однако в последнем случае зависимость более сложная, она дается следующей теоремой Циолковского: «Когда масса ракеты плюс масса взрывчатых веществ, имеющихся при реактивном приборе, возрастает в геометрической прогрессии, то скорость «ракеты» увеличивается в прогрессии арифметической». «Положим, например, − пишет Циолковский, − что масса ракеты и взрывчатых веществ составляет 8 единиц. Я отбрасываю 4 единицы взрывчатых веществ и получаю скорость, которую мы примем за единицу. Затем я отбрасываю 2 единицы взрывчатого материала и получаю 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 ракеты далеко не пропорциональна массе взрывчатого материала: она растет весьма медленно, но беспредельно». Из формулы Циолковского следует весьма важный практический результат: для получения возможно больших скоростей ракеты в конце процесса горения гораздо выгоднее идти по пути увеличения относительных скоростей отбрасываемых частиц, чем по пути увеличения относительного запаса горючего. Заметим, что Циолковский решил задачу о прямолинейном движении ракеты в поле тяготения и ему удалось (приближенно) учесть и влияние сил сопротивления воздуха. Он открыл весьма интересный и очень простой (математически) класс движений ракет, когда ее масса уменьшается по показательному закону. Циолковский впервые (что почему-то не освещается в литературе) решил задачу о возможности мягкой посадки ракеты на астероид и планету, практически не имеющую атмосферы (например, Меркурий).
Получив исходные расчетные формулы для исследования прямолинейных движений ракет, Циолковский намечает обширную программу последовательных усовершенствований реактивных летательных аппаратов и завоевания космоса. Вот основные моменты этой грандиозной программы: 1. «Устраивается ракетный самолет с крыльями и обыкновенными органами управления». Цель − научиться управлять аэропланом с ракетным двигателем, регулировать тягу и планировать при выключенном двигателе. 2. Крылья последующих самолетов надо понемногу уменьшать, силу тяги и скорость − увеличивать. 3. Проникновение в очень разреженные слои атмосферы. 4. Полет за пределы атмосферы и спуск планированием. 5. Основание подвижных станций вне атмосферы (искусственные спутники Земли). 6. Использование космонавтами энергии Солнца для дыхания, питания и других целей. 7. «Устраиваются» эфирные скафандры (герметичная одежда) для безопасного выхода из ракеты в эфир. 8. Вокруг Земли «устраивают» обширные поселения. 9. «Используют солнечную энергию не только для питания и удобства жизни (комфорта), но и для перемещения по всей Солнечной системе». 10. «Основывают колонии в поясе астероидов и других местах Солнечной системы, где только находят небольшие небесные тела». 11. Развивается промышленность в космосе. Число космических станций невообразимо множится. 12. «Достигается индивидуальное (личности, отдельного человека) и общественное (социалистическое) совершенство». 13. «Население Солнечной системы делается в сто тысяч миллионов раз больше теперешнего земного. Достигается предел, после которого неизбежно расселение по всему Млечному Пути». 14. «Начинается угасание Солнца. Оставшееся население Солнечной системы удаляется от нее к другим солнцам, к ранее улетевшим братьям».
Детальные исследования прямолинейных движений ракет и расчеты скоростей истечения при сгорании различных топлив привели Циолковского к выводу о том, что достижение больших космических скоростей для одноступенчатой ракеты является очень трудной технической проблемой. Для того чтобы при известных и доступных топливах можно было сообщить полезному грузу космические скорости, Циолковский в 1929 г. разработал теорию движения составных ракет3, или, как он их называл, «ракетных поездов».
Теория полета двухступенчатой ракеты была разработала Циолковским в 1926 г. Исходя из описаний, приводившихся в его работах, можно утверждать, что он предлагал два типа составных ракет. Первый тип подобен железнодорожному поезду, в котором паровоз толкает состав сзади. Например, в случае трех ракет, скрепленных последовательно одна за другой, «ракетный поезд» толкается сначала нижней (хвостовой) ракетой. После израсходования топлива хвостовой ракетой она отцепляется от поезда и падает на Землю. Далее начинает работать двигатель второй (средней) ракеты, которая опять же для «поезда» из двух ракет является «толкающей». Наконец, израсходовав свое топливо, отцепляется вторая ракета, и начинает работать двигатель последней (третьей) ракеты. Естественно, третья ракета в таком «поезде» может достигнуть гораздо большей скорости, чем одиночная ракета, так как отброшенные в процессе движения две ракеты уже сообщили ей дополнительную скорость.
Второй тип составной ракеты был назван Циолковским эскадрой ракет. Например, в случае четырех одинаковых ракет они скрепляются параллельно и при израсходовании половины топлива каждой из ракет неизрасходованный запас топлива двух из них переливается в полупустые емкости других двух ракет. Первые две ракеты отделяются от «эскадрильи», и полет продолжают полностью заправленные две ракеты. По израсходовании половины топлива оставшееся топливо одной из ракет вновь переливается в другую ракету, которая и достигает цели путешествия. Если не учитывать сил сопротивления воздуха, то все летные характеристики «ракетных поездов» первого и второго типов можно найти путем последовательного применения формул Циолковского. В последние годы своей жизни в статьях «Реактивный аэроплан» (1930 г.) и «Стратоплан полуреактивный» (1932 г.) Циолковский излагает теорию движения самолета с жидкостным реактивным двигателем и подробно развивает идею турбокомпрессорного винтового реактивного самолета.
Заслуга ученого заключается в том, что он сделал подвластными точному математическому анализу и инженерному расчету совершенно новые отрасли техники. Тысячи и миллионы людей наблюдали пороховые ракеты на фейерверках и иллюминациях, однако никто до Циолковского не дал количественного анализа законов движения ракет. Этот строгий математический анализ, проведенный Циолковским для задач ракетной техники, выявил количественные закономерности прямолинейных движений ракет и дал основы для оценки летных параметров создаваемых конструкций ракет. Он доказал, что ракета − реальное техническое решение задачи о космических полетах человека. Отметим некоторые прогрессивные предложения Циолковского, касающиеся особенностей конструкций ракет дальнего действия и отдельных агрегатов (узлов) этих ракет. 1. Для управления полетом ракеты, т. е. для изменения траектории ее центра масс, он рекомендовал применять тугоплавкие газовые рули из графита, которые размещаются вблизи среза сопла реактивного двигателя и лежат парами в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. При отклонении горизонтальной пары вверх или вниз изменяется угол наклона оси ракеты с плоскостью горизонта. При отклонении вертикальной пары изменяется угол рыскания, или азимутальный угол. Дифференциальное отклонение любой пары рулей дает эффект, аналогичный действию элеронов у самолета, т. е. позволяет изменять угол крена или вращение около продольной оси ракеты. 2. Для тех же целей Циолковский рекомендовал закреплять реактивный двигатель в кардановом подвесе и добиваться изменений углов тангажа, рыскания и крена соответственными отклонениями (покачиваниями) всего двигателя. Поскольку реактивная сила обычно по своей величине больше веса ракеты, то отклонения корпуса двигателя невелики. Следует отметить, что и газовые пули, и покачивания всего двигателя нашли широкое применение в современном ракетостроении. Газовые пули обычно применяются для управления полетом ракет па малые и средние дальности, а отклонения всего двигателя используются на межконтинентальных ракетах и ракетах-носителях. 3. Для охлаждения стенок реактивного двигателя он предложил использовать компоненты топлива. Стенки камеры и сопла реактивного двигателя делать двухслойными, и чтобы между ними протекал один из жидких компонентов топлива, прежде чем попасть в камеру сгорания. Протекающее жидкое вещество (например, керосин или спирт) охлаждает горячую стенку двигателя. Чтобы отбор тепла был более эффективным, Циолковский рекомендовал делать внутренние поверхности камеры и сопла из материалов с высокой теплопроводностью. Такое принудительное охлаждение позволяет обеспечить длительную (минуты) работу ракетного двигателя. Камеры ракетных двигателей без охлаждения обычно прогорают за первые же секунды. Сегодня способ принудительного охлаждения горячих стенок компонентами топлива применяется в большинстве современных конструкций ракетных двигателей. 4. После выхода космического корабля на расчетную орбиту при длительных полетах необходимо регулировать в разумных пределах температуру среды внутри корабля. Циолковский предложил поверхность корабля делать из пластинок (наподобие жалюзей на окнах): изменяя положение этих пластинок, можно в широких пределах менять коэффициенты отражения и поглощения солнечного света освещенной поверхностью корабля и изменять температуру в кабинах по желанию космонавта. Варианты этого предложения применяются в наши дни в конструкции космических аппаратов многих стран. 5. Для охлаждения наружной оболочки космического корабля, возвращающегося на Землю, Циолковский предложил использовать жидкие компоненты ракетного топлива аналогично охлаждению стенок двигателя (выдавливая жидкость в пограничный тепловой слой оболочки) . 6. Для уменьшения массы жидкостных ракетных двигателей он рекомендовал насосную подачу компонентов топлива в камеру сгорания. Это предложение принято в наши дни всеми конструкторами крупных ракетных двигателей. 7. Циолковский проявил себя и как химик по топливам для ракетных двигателей. В частности, он первым предложил весьма современные и высокоэффективные (по энергетике) пары окислителей и горючих: жидкий кислород (окислитель) + жидкий водород (горючее); жидкий кислород (окислитель) + спирт (горючее); жидкий озон (окислитель) + углеводороды (например, керосин, бензин − горючее). 8. Циолковский рассчитал теоретически максимально возможные скорости истечения продуктов горения, получающиеся на срезе сопла камеры сгорания ракетного двигателя. Циолковскому принадлежит также и прогрессивная идея постройки цельнометаллического аэроплана. В работе «Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина» (1894 г.) даны описания и схема самолета, очень близкая к современной: моноплан с обтекаемым фюзеляжем, свободнонесущие крылья толстого профиля, колесное шасси, двигатель внутреннего сгорания.
Циолковским предсказывался и весь путь пройденный современной авиацией: достижение все больших и больших скоростей и высот благодаря применению и развитию реактивных двигателей. Изобретательская мысль ученого непрерывно работала над совершенствованием многого из того, что окружает человека в его жизни, в трудовой деятельности. В научном наследии Циолковского есть десятки трудов, посвященных самым разнообразным вопросам астрономии, физики, биологии, геохимии, техники. Многие из этих работ не потеряли своей актуальности и сейчас. Они разнообразны по теме, по стилю изложения, по степени популярности. Однако их объединяет горячее стремление автора лучше познать окружающий мир, приоткрыть завесу неизвестного, поставить новые силы природы на службу людям, облегчить труд и украсить жизнь человека. Циолковский глубоко верил в могущество науки, в грядущий прогресс техники.
В серии статей, начатой еще в 1915 г. и посвященной прогнозу будущего Земли и человечества, ученый убежденно доказывает всевозрастающую роль науки и техники в подчинении человеку стихийных сил природы, в совершенствовании самого человеческого общества. В статье «Будущее Земли и человека (Технический и научный прогресс будущего)», относящейся к 1915 г., Циолковский писал: «Параллельно, или одновременно, будут развиваться: человек, наука и техника. От того, другого и третьего преобразуется вид Земли. Начнем с технического прогресса. Прежде всего достигнут совершенства того, что сейчас производят. Увеличат с помощью машин в сотни раз производительность рабочего. Сделают труд его во всех отраслях совершенно безопасным, безвредным для здоровья, даже приятным и интересным. Сократится время поденной работы до 4 − б часов. Остальное отдадут свободному, необязательному труду, творчеству, развлечению, науке, мечтам...».
Ученый говорит о глубоких шахтах, об использовании внутреннего тепла Земли, о новых материалах − сверхтвердых, легких, неокисляющихся, жароупорных. Он мечтает о новых способах достижения весьма высоких и необыкновенно низких температур, которые найдут повсеместное применение в народном хозяйстве. Циолковский предсказывает все более широкое использование человеком природных ресурсов морей и океанов, и многое другое. Циолковского увлекали вопросы скоростного наземного транспорта. Этой теме он посвятил несколько детально разработанных статей. В годы, когда эксплуатационные скорости железнодорожного транспорта порядка 50 − 60 км/ч считались чуть ли не предельными, а полет аэроплана со скоростью в 250 − 300 км/ч выглядел как огромный успех техники, Циолковский мечтал о сверхзвуковых скоростях не только в космосе, но и в атмосфере Земли. Он предвидел также возможности резкого увеличения скорости наземного транспорта. Недаром его вычисления, сведенные в локальные таблицы, доведены до скоростей в тысячу метров в секунду, т. е. до 3600 км/ч. Это утроенная скорость звука в воздухе! Какими же путями можно добиться многократного увеличения скорости средств передвижения на Земле? Циолковский дает точный ответ на этот вопрос: только применением принципиально нового метода, новых технических устройств. Ими должны явиться средства транспорта, не катящиеся по дороге, а парящие над ней. Упругая и эластичная воздушная подушка − вот что должно отделять скоростной вагон от дороги. Принцип движения транспортных средств на воздушной подушке был наиболее полно сформулирован К. Э. Циолковским в его брошюре «Сопротивление воздуха и скорый поезд» (1927 г.). В этой работе ученый дает подробный теоретический расчет параметров движения скоростного поезда на воздушной подушке. Он убежденно говорит о поезде будущего, который, используя силу инерции, «будет перескакивать через все реки, пропасти и горы любых размеров», при этом «не нужно будет мостов, тоннелей и больших земляных и горных работ».
Ученый мечтает о том времени, когда лишь полчаса езды в поезде будут отделять Москву от Ленинграда и всего 10 ч займет путь от полюса до экватора и не на самолете (это осуществимо уже в наши дни), а в купе скоростного наземного экспресса. К той же идее воздушной подушки ученый возвращается и в последующих статьях, посвященных скоростному наземному транспорту. В интересной работе «Общие условия транспорта», написанной в январе 1934 г. и впервые опубликованной 30 лет спустя в 4-м томе собрания сочинений ученого, Циолковский практически рассматривает такие частные детали предлагаемых им аппаратов, как характер двигателя, форма и конструкция вагона, устройство закраин, профиль пути и т. д.
Поиск
Друзья сайта