Создание научных основ космонавтики. Значение идей К.Э. Циолковского

Для получения более полного представления необходимо сопоставить творческие позиции Королева и Циолковского в тот период. Что касается Королева, то с первых шагов своей инженерной деятельности и во все последующие годы характерной особенностью его проектов, как уже не раз отмечалось, наряду с оригинальностью идей, была твердая и последовательная ориентация на реальные технические возможности, которые позволяли бы сразу приступать к практическому осуществлению задуманных конструкций. Королев выделялся среди начинающих свой путь в ракетную технику резким и откровенным, можно сказать, воинственным неприятием скороспелых проектов, далеких от реальных возможностей техники. Выступая на конференции по изучению стратосферы, организованной АН СССР в 1934 г., молодой инженер не постеснялся бросить упрек известному популяризатору космических полетов: "И пусть не гневается на меня профессор Н. А. Рынин, но впредь в его докладах о реактивных аппаратах хотелось бы видеть материал, преподанный с известной технической критикой"52. Обратимся к трудам Циолковского, отражающим его взгляды в тот период. Подводя итоги своим работам с 1903 по 1929 г., Циолковский писал: "Ценность моих работ состоит, главным образом, в вычислениях и вытекающих отсюда выводах. В техническом же отношении мною почти ничего не сделано. Тут необходим длинный ряд опытов, сооружений и выучки... Пока же могут быть даны только малозначащие схемы"53. Из всего перечня работ, выполненных Циолковским до 1929 г., нельзя назвать хотя бы одну, которая могла бы обогатить Королева идеями, необходимыми для перехода к практическим разработкам.

Если судить об истоках работ Королева по ракетной технике не отвлеченно, а с документами в руках, то утверждение о решающей роли в его творческой судьбе встречи с Циолковским в 1929 г. становится еще менее убедительным.54 Сохранились источники, позволяющие воссоздать с необходимой достоверностью эволюцию творческих интересов Королева в области ракетной техники.

В связи с изучением первых работ Королева по ракетной технике не могут не заинтересовать особые разделы в плане Осоавиахима на 1930-1931 гг., предусматривающие использование новых технических принципов при создании летательных аппаратов. Королев первым воспользовался этими новыми возможностями, приступив в 1931 г к разработке целой серии летательных аппаратов, выполненных по так называемой двухбалочной схеме.

Достоверно установлено, что попытка создания первого отечественного летательного аппарата с жидкотопливным реактивным двигателем (ЖРД) связана с испытаниями планера БИЧ-8, которые проводил осенью 1931 г. Королев. По его договоренности с Цандером (октябрь 1931 г.) была начата разработка ЖРД ОР-2 для планера БИЧ-11, аналогичного по схеме планеру БИЧ-8. Работы над таким аппаратом, известным под индексом РП-1, послужили основанием для создания в Осоавиахиме финансируемой организации ГИРД. Приведенные факты основаны на обстоятельных исследованиях, которые, однако, не выявили непосредственного влияния идей Циолковского на пробуждение у Королева интереса к ракетной технике. Сомнения в правомерности обсуждаемой версии усиливаются, если учесть, что Королев никогда не упоминал о знакомстве с Циолковским в житейских ситуациях.

Таким образом, нам кажется, с достаточным основанием можно считать, что версия об особой роли в творческой судьбе Королева его встречи с Циолковским в 1929 г. противоречит историческим фактам. Такой вывод, однако, может вызвать серьезные возражения, с которыми нельзя не считаться: ведь отвергаемая версия в основной своей части соответствует содержанию документа, подготовленного лично Королевым. Достоверность этого документа никаких сомнений не вызывает.55

Однако, можно высказать весьма вероятную версию того, почему Королев с одной стороны написал о встрече с Циолковским (и то, как то двусмысленно) и влиянии на него его работ, а с другой стороны в жизни никогда не упоминал о встрече с Циолковским. Дело в том, что советская пропаганда, особенно сталинских времен, приписывала советским ученым те достижения, которые им не принадлежали. Здесь мы уже упоминали о статье в "Комсомольской правде" за 1949 год56, где Циолковский назван изобретателем аэроплана и дирижабля. В следующей главе мы рассмотрим подробнее эту статью и другие версии того, что в СССР велось целенаправленное порождение мифов в истории науки и техники и активное укоренение их в умах советских граждан.

3 Труды К.Э. Циолковского в области ракетной техники

Работа Циолковского "Исследование мировых пространств реактивными приборами" считается его главным вкладом в развитие космонавтики и ракетостроения. Это тот труд, который в последствии неоднократно переиздавался, дополнялся и пропагандировался. Это его самое известное сочинение, за которое его и считают основателем космонавтики.

Первая часть от 1903 года была впервые напечатана в журнале "Научное обозрение" 1903, № 55, т.е. занимала 30 страниц. В "Научном обозрении" работа была опубликована с ошибками и искажениями. Чертежи к статье, посланные Циолковским в редакцию "Научного обозрения", не были включены в статью, и издание 1903 г. вышло совсем без рисунков, хотя в тексте есть ссылки на них. В архиве РАН хранится экземпляр статьи, на котором рукой Циолковского сделана надпись: "Рукопись не возвращена. Издано ужасно. Корректуры не было. Формулы и номера перевраны и потеряли смысл. Но все-таки я благодарен Филиппову, ибо он один решился издать мою работу"6. В этом же экземпляре Циолковский исправил допущенные ошибки и опечатки. В данном реферате статья рассматривается с учетом поправок, сделанных Циолковским.

В начале этой статьи Циолковский при помощи элементарных вычислений и выводов показывает невозможность поднятия груза в 1кг на высоту 27 км и более при помощи воздушного шара.

Затем он рассматривает возможность поднятия груза в выстреливаемом пушечном ядре. Циолковский подсчитал, что снаряд, вылетевший из пушки со скоростью 1200 м/с поднимается на высоту 73 км, без учета сопротивления воздуха. При помощи формулы он показывает, что чем длиннее ствол пушки, тем меньшее ускорение испытывают внутренности ядра, что лучше для их сохранности. Рассматривая нереальный ствол длиной в 300 метров, Циолковский показывает, что даже при такой длине ствола вес содержимого ядра увеличится в 1000 раз на короткий момент времени 0,24 секунды. В своих рассуждениях он так и не дошел до расчета высоты, на которую поднимется ядро вылетевшее из этой фантастической пушки при учете сопротивления воздуха, а остановился на чисто умозрительных рассуждениях о том, что такую пушку невозможно изготовить, что в нижних слоях атмосферы ядро сильно потеряет в скорости из-за сопротивления воздуха, "трудности достижения равномерного давления газов на ядро во время его движения в стволе, от чего усиление тяжести будет много более 1000"7, и наконец, безопасности возвращения ядра на землю.

Далее он рассматривает возможность исследования атмосферы с помощью реактивного прибора: "...в качестве изследователя атмосферы, предлагаю реактивный прибор, т.е. род ракеты, но ракеты грандиозной и особенным образом устроенной. Мысль не новая, но вычисления, относящияся к ней, дают столь замечательные результаты что умолчать о них было бы большим грехом. Эта моя работа далеко не разсматривает всех сторон дела и совсем не решает его с практической стороны - относительно осуществимости; но в далеком будущем уже виднеются сквозь туман перспективы до такой степени обольстительныя и важныя, что о них едва ли теперь кто мечтает"8.

Далее он описывает космическую ракету, поражающую своим сходством с современными ракетами-носителями: "Представим себе такой снаряд: металлическая продолговатая камера (формы наименьшаго сопротивления), снабженная светом, кислородом, поглотителями углекислоты, миазмов и других животных выделений, - предназначена не только для хранения разных физических приборов, но и для управляющаго камерой разумнаго существа (будем разбирать вопрос по возможности шире). Камера имеет большой запас веществ, которыя при своем смешении тотчас же образуют взрывчатую массу. Вещества эти правильно и довольно равномерно взрываясь в определенном для того месте, текут в виде горячих газов по расширяющимся к концу трубам, вроде рупора или духового музыкальнаго инструмента. Трубы эти расположены вдоль стенок камеры, по направлению ея длины. В одном узком конце трубы совершается смешение взрывчатых веществ: тут получаются сгущенные и пламенные газы. В другом, расширенном ея конце они, сильно разредившись и охладившись от этого, вырываются наружу, через раструбы, с громадною относительною скоростью. Понятно, что такой снаряд, как и ракета, при известных условиях, будет подниматься в высоту. Необходимы автоматические приборы, управляющие движением ракеты (так будем мы иногда называть наш прибор) и силою взрывания по заранее намеченному плану"9. Далее он рассматривает вопрос ориентации в пространстве данной ракеты и предлагает для этого компас или ориентирование по солнечным лучам или звездам. Здесь многие пропагандисты идей Циолковского приписывают ему гениальную догадку ориентирования аппарата по солнцу и звездам, как это делается сейчас для космических спутников. Но дело в том, что космические ракеты-носители не могут ориентироваться по этим светилам из-за атмосферы, облачности и смены времени суток, так что в этом Циолковский ошибся. А сама идея ориентации по светилам не нова: мореплаватели спокон веков определяли свое место положение по звездам.

Далее автор излагает совершенно логичные преимущества реактивной ракеты, по сравнению с выстреливаемым пушечным ядром.

После чего он записывает небольшое дифференциальное уравнение на основании закона о постоянстве количества движения и интегрирует его, находя отношение скорости ракеты к скорости вырывающихся газов зависящего от массы ракеты и массы топлива.

Далее он продолжает приближенные рассуждения, как все это должно работать, но во многом он очень близко угадывает сегодняшние разработки, хотя все его "прикидки" почти на глаз, безо всяких вычислений. И вот что он говорит, в очередной раз подчеркивая отдаленность своих трудов от реального воплощения: "Во многих случаях я принужден лишь гадать или предполагать. Я нисколько не обманываюсь и отлично знаю, что не только не решаю вопроса во всей полноте, но что остается поработать над ним в 100 раз больше, чем я поработал. Моя цель возбудить к нему интерес, указав на великое значение его в будущем и на возможность его решения..."10

Далее Циолковский делает еще одну свою верную догадку об использовании в качестве топлива водорода и кислорода: "Водород и кислород, в газообразном состоянии, соединяясь для образования одного килограмма воды, развивают 3825 калорий. Под словом „калория" мы тут подразумеваем количество теплоты, потребное для нагревания на 1° Цельсия одного килограмма воды"11. Он указывает количество теплоты при сгорании водорода и кислорода необходимого для образования 1кг жидкой воды и оценивает на какую высоту можно поднять 1кг груза с помощью этой энергии. У него получается 1,622 км. Он не указывает, откуда он взял значение в 3825 калорий на образование 1 кг воды. Очень кстати оказалось его уточнение, что он понимает под калорией. От этого могли пойти разные ошибки, т.к. сейчас под калорией понимают теплоту необходимую для нагревания на 1? С 1 г воды, а не 1 кг. К слову сказать, сегодня никто не считает энергию, а точнее энтальпию образования веществ на 1 кг, т.к. у разных веществ массой в 1 кг будет разное количество вещества, и значения будет невозможно сравнивать. Поэтому сейчас говорят об энтальпии образования на 1 моль вещества. По сегодняшним данным [4] энтальпия образования 1 моля воды равна 68,3 ккал. А в 1 кг воды содержится 55,5 молей вещества, следовательно, энтальпия образования 1 кг воды равна 68,3 ккал/моль x 55,5 моль = 3790 ккал. Разделив это значение на 1000, вследствие разницы понятий калории у Циолковского и справочника [4], мы получим 3790 калорий в понимании Циолковского. Мы видим, что приводимые Циолковским цифры почти те же, что и сейчас, за исключением системы единиц, которой он пользуется.

Далее Циолковский рассуждает о других возможных видах топлива. Стоит уделить этим рассуждениям больше внимания, т.к. они позволяют сделать определенные выводы о научном образе мышления Циолковского. Опять же на основании неуказанных источников, Циолковский приводит количества теплоты необходимые для образования таких веществ, как SО2 - 1250 калорий, CuO - 546 калорий, CO2 - 2204 калории и опять та же воды H2O - 3825 калорий. Зная значения атомных весов элементов входящих в эти вещества, Циолковский анализируя значения теплот образования делает вывод "...количество энергии, приходящейся на единицу массы продуктов соединения, зависит от атомных весов (в большинстве случаев) соединяющихся простых тел: чем меньше атомные веса тел, тем более выделяется при соединении их тепла.". И там же далее "Конечно, можно привести и много исключений из этого правила, но в общем оно справедливо"12. Хотя во многих случаях данная зависимость и наблюдается, нельзя сказать, что она достаточно постоянна и закономерна, поэтому выразить ее математически невозможно. Более того, значительное количество исключений из этой зависимости позволяет говорить об ее отсутствии. Сейчас в науке никто не говорит, что существует такая зависимость. Циолковский же, пользуясь логическим методом индукции, от частного к общему, делает подобные выводы. Метод индукции, по сравнению с методом дедукции, в поиске научных знаний может привести к ошибочным выводам, поэтому в науке его избегают. В данном примере мы видим, как Циолковский, опять позволяет себе излишнюю для научной статьи долю фантазии. Но дальше Циолковский совсем уж увлекается и на основании своей гипотезы строит еще большую фантазию. Циолковский высказывает надежду, что будут открыты новые элементы с меньшими атомными весами, соединение которых даст больше энергии, чем кислород и водород.

Далее Циолковский на основании решения дифференциального уравнения строит таблицу скоростей ракеты в зависимости от отношения массы ракеты к массе топлива. Так при отношении равном 3 скорость снаряда будет равна 7,880 м/с, что чуть меньше той скорости, которой было бы достаточно для вывода ракеты на земную орбиту (первая космическая скорость 8 км/с вычисленная Ньютоном). А при отношении равном 6 ракета почти способна покинуть земную орбиту и вращаться вокруг Солнца. При этом он не делает вычислений этой скорости. Из статьи ясно, что эта скорость ему уже известна, он ею только пользуется для оценки того, какое отношение массы ракеты к массе топлива нужно использовать, чтобы развить необходимую скорость. Таким образом, здесь мы опровергаем еще одно заявление, которое приписывает Циолковскому вычисление скорости необходимой для выхода ракеты в Солнечную систему ("вторая космическая скорость"). Эта и другие космические скорости были вычислены до него.

В следующей главе Циолковский рассматривает влияние постоянной силы тяжести на вертикальное движение снаряда. В начале главы Циолковский вводит величину р - постоянное ускорение, сообщаемое ракете взрывчатыми материалами в 1 секунду времени. С помощью простой формулы это значение связывается со скоростью ракеты и временем сгорания всего запаса топлива. При этом автор не говорит, как это значение найти, просто указывает, что это значение зависит от скорости взрывания заряда. Этого простого определения явно не достаточно. Далее автор приводит формулу, в которой вводится зависимость скорости ракеты от земного тяготения и величины р и вносит эти поправки в свою основную формулу. Таким образом теперь скорость ракеты зависит от массы ракеты, массы топлива, ускорения свободного падения и величины р. С величиной р автор связывает понятие "силы взрыва" и говорит следующее: "...желая подняться выше, надо сделать (р) как можно больше, т.е, производить взрыв как можно деятельнее"13, при этом для величины р не делается никаких расчетов. Циолковский вычисляет, что при отношении массы ракеты к массе топлива равного 6 (тогда скорость ракеты будет близка ко второй космической скорости) и отношении р к ускорению свободного падения равного 10, вес человека в ракете увеличится в 10 раз. Далее на основании своих вышеупомянутых формул и введенных величин Циолковский выводит формулы для расчета высоты поднятия ракеты и полезной работы взрывчатых веществ с учетом силы тяготения и необходимую массу топлива для поднятия ракеты на определенную высоту. При этом в свои вычислениях он не учитывает сопротивление воздуха и уменьшение силы тяготения при удалении от Земли, в чем сам честно признается. Он лишь делает предположение, что тот недостаток, который мы теряем в плотных слоях атмосферы, мы возмещаем при удалении от Земли, где уменьшается сила тяжести: "По некотором размышлении увидим, что последняя убыль, продолжаясь недолгое время пролета через воздух, с избытком вознаграждается прибылью от уменьшения притяжения на разстояниях значительных (500 килом.), где кончается действие взрывчатых веществ."14.