К. Э. ЦИОЛКОВСКИЙ И ПРИНЦИП СТУПЕНЧАТОСТИ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ

© Ю.В.Бирюков
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Исследование научного творчества К.Э. Циолковского"
2006 г.

Ключевым моментом в практическом решении основной проблемы космонавтики – достижении космических скоростей – явилось применение принципа ступенчатости, а Циолковский в своих трудах до 1926 г. о нем не упоминает. Отсюда делается вывод, что до этого времени он не понимал важности этого принципа и поэтому его славу основоположника теоретической космонавтики следует распространить и на других ее пионеров, которые обратились к ступенчатости в более ранних публикациях: Р. Годдарда, 1920 г., Г. Оберта, 1923 г., Ф. Цандера, 1924 г. Но это сугубо формальный, поверхностный вывод.

Принцип ступенчатости в ракетной технике использовался с древности, поэтому его применение не считается изобретением ХХ в. Он вытекал из обычной логики и использовался каждым из авторов тогда, когда в нем появлялась необходимость. В 1903 г. Циолковский совершил главное открытие: вывел фундаментальную формулу движения ракеты, показавшую, что теоретически ракета способна достигать неограниченной скорости. Исходя из этого, предложил «грандиозную и особенным образом устроенную» управляемую космическую ракету на жидком топливе, способную при приемлемых с физической точки зрения технических характеристик (скорость истечения 5700 м/с, соотношение масс немного более 3 и 6) выйти на околоземную и на околосолнечную орбиту. Циолковский сразу же подчеркивает, что «не рассматривает дело со всех сторон и совсем не решает его с практической стороны – относительно осуществимости», но показывает принципиальные возможности и преимущества своей ракеты.

В основополагающих работах Циолковского принципа ступенчатости не было не из-за непонимания его значения, а из-за отсутствия в нем необходимости. Но как только становится очевидной невозможность решить проблему с помощью одноступенчатых ракет, ступенчатость сразу же появляется, правда, сначала не как конструктивный, а как программный принцип освоения Солнечной системы, поскольку для прямого достижения планет, посадок на них, многочисленных торможений и разгонов потребовались бы ракеты с неосуществимым соотношением масс, далеко превышающим 10.

Для преодоления этой принципиальной трудности Циолковский в «Исследовании мировых пространств реактивными приборами» 1912 г., показав, что при приемлемом соотношении масс (до 8) ракета может сделаться искусственным спутником на заданном расстоянии от земной поверхности, далее пишет: «движение вокруг Земли ряда таких спутников, со всеми приспособлениями для существования разумных существ, может служить базой для дальнейшего распространения человечества… и человек с завоеванной базы может протянуть руки за остальной солнечной энергией». Этот скромно преподнесенный принцип поэтапного, или фактически ступенчатого, освоения космоса с помощью орбитальных баз, или станций, является вторым главным открытием Циолковского, который в дальнейшем использовали все его последователи.

В 1914 г. в «Исследовании…» Циолковского проявился новый подход. Если ранее у него была «цель возбудить интерес к делу, указав на великое значение его в будущем и на возможность его решения», то теперь в полемике с французским авиаконструктором Р. Эсно-Пельтри, обуславливавшим космические полеты не менее гипотетическим тогда овладением атомной энергией, русский ученый посчитал нужным «опровергнуть взгляд на ракету как на что-то черезмерно далекое от нас, стоя, по возможности, на практической почве». В качестве примера возможного преодоления трудностей он предложил заменить жидкий водород (нашел применение в космонавтике только с 1966 г.) на не вызывающий эксплуатационных трудностей жидкий углеводород, правда, отметив, что при этом потребуется более высокое, но, по его мнению, вполне приемлемое соотношение масс.

Понимая значимость своих идей и то, что их осуществление зависит от восприятия их последователями, Константин Эдуардович в 1918 г. публикует повесть «Вне Земли», где дает подробное описание первой космической экспедиции, обоснованное своими проектными расчетами и технологическими соображениями. Но и здесь он еще не пытается решить вопрос об их практической осуществимости, допустив использование «неосуществимого пока тела» – фантастически эффективного топлива. В остальном же это описание удивительно предвосхищает технологические и бытовые проблемы участников экспедиции и пути их решения, в основном подтвердившиеся 45-летней практикой космических полетов человека. Во «Вне Земли» он впервые попытался представить не концептуально, а по-инженерному проект космической ракеты, и она сразу же превратилась у него из простой в сложную, составленную из двадцати одинаковых ракетных блоков. Но очевидно, что это изменение было вызвано не энергетическими, а производственно-технологическими требованиями, так что не является применением ступенчатости. Но все-таки этот принцип Циолковский во «Вне Земли» использовал с полной определенностью: он отправил исследовать поверхность Луны не грандиозную экспедиционную ракету целиком, а отделил от нее двухместный корабль-луноход, на 10 лет опередив Ю. В. Кондратюка в обосновании и на 50 лет американцев в осуществлении оптимального способа посещения Луны.

Опубликовав «Вне Земли», Циолковский продолжал искать наиболее осуществимые пути в космос. В работе «Жизнь в эфире вне Земли и планет» в июне 1919 г. он записывает: «Ракета. Преимущества перед пушкой. Сложная ракета. Соединение пушки с ракетой…», а 13 сентября: «Средства удаления от планет и приобретения скорости для подвижного равновесия в эфире: физическая, химическая, электромагнитная пушка, ракета, соединение обоих средств...». Подобные астроинженерные идеи появились у других авторов (Ф. Дайсон, Г. И. Покровский) лишь полвека спустя. В 1923 г. Циолковскому пришлось спуститься с интеллектуальных вершин и заняться отстаиванием своего, как он любил подчеркивать, русского приоритета на самые основы космонавтики. В средствах массовой информации появились статьи о работах Р. Годдарда и Г. Оберта, высказавших в своих книгах такие же идеи, как у Циолковского, но без каких либо ссылок на предшественника. Существенно новым в их публикации было то, что они не ограничивались принципиальным описанием космических ракет, осуществимых в будущем, а предложили уже теперь начинать эксперименты по созданию сравнительно небольших автоматических исследовательских ракет.

Для отстаивания приоритета Циолковский срочно переиздал «Исследование…» 1903 г. в виде книги «Ракета в космическое пространство» и написал большую научно-популярную статью «Космический корабль», по-новому раскрывающую его основополагающие идеи, и в июне 1924 г. отослал ее в журнал «Техника и жизнь». Однако статья не была опубликована и в начале 1926 г. возвращена автору.

В 1926 г. под прежним названием «Исследование мировых пространств реактивными приборами» Циолковский выпустил книгу с подзаголовком «переиздание работ 1903 и 1911 гг. с некоторыми изменениями и дополнениями», но оказалось, что она в основном содержала его новые разработки, и главная новизна состояла в подробном описании конструкции и анализе предварительного разгона космической ракеты по рельсовому пути, проложенному на высоте 5 км с помощью земной ракеты до скорости порядка 3 км/с. Далее ракета летит с помощью своих двигателей, сначала работающих «энергией топлива сжигаемого кислородом из атмосферы», затем переходящих на использование жидкого кислорода или его эндогенного соединения с азотом, запасенного на борту, и «скорость доводится до космической». Таким образом, здесь Циолковский впервые использует принцип ступенчатости в его общепринятом виде. Уместно отметить, что первая в истории космическая ракета-носитель Р-7ПС, хотя имела совершенно другую конструктивно-компоновочную схему, тоже была двухступенчатой и достигала орбиты, как и ракета Циолковского, в течение 5 минут.

В конце книги автор ставит задачу начать работу космических достижений немедленно, сейчас же и, идя от известного к неизвестному, перейти от аэроплана к реактивному прибору. Самолет должен быть преобразован и постепенно стать пригодным для космических путешествий. В приводимых в заключение «грубых ступенях развития и преобразования аэропланного дела, достигающего высших целей» в первом пункте «устраивается ракетный самолет с крыльями и обыкновенными органами направления», который после достижения максимума скорости и израсходования запаса топлива спускается планированием на сушу. На втором этапе «крылья последующих самолетов надо понемногу уменьшать, силу моторов и скорость – увеличивать. Придется прибегнуть к получению предварительной скорости с помощью описанных ранее средств»… На четвертом этапе «пускается в ход бескрылый аэроплан, хорошо планирующий. Он требует для поднятия на воздух большей предварительной скорости и, стало быть, усовершенствования разбежных приборов» (мы бы теперь сказали «разгонных ступеней»). Остальные из 16 пунктов Циолковского охватывают всё освоение Солнечной системы, «после которого неизбежно расселение по всему Млечному Пути».

Поставив предельно грандиозную программу крупномасштабного освоения космоса, Циолковский озаботился средствами ее осуществления, которые и разработал в 1929 г. в книге «Космические ракетные поезда», где была описана первая в мире общая теория многоступенчатых ракет и ее совершенно оригинальное конструктивное воплощение в виде ракетных поездов четырех разных систем. В заключение автор отметил: «Вот какие перспективы обещает применение поездов, вот как они могут облегчить получение космических скоростей!» и не забыл напомнить, что все, входившие в них ракеты, «планируя, спускаются на сушу или воду и опять могут служить для того же. Один и тот же поезд, на одном и том же пути, может отправить миллионы приборов в небесное путешествие. Требуется только непрерывный расход на горючее из дешевых продуктов нефти и эндогенных соединений кислорода… Если возможны хорошие результаты с кислородом, нефтью и сталью, то тем лучше они будут при иных более выгодных материалах».

Однако Циолковский считал, что «все эти поезда, дороги и пушки» найдут применение в отдаленном будущем…, но в настоящее время неприменимо по своей дороговизне и другим причинам». Помня, что он сам же поставил задачу начать космические полеты немедленно, сейчас, Циолковский сумел-таки найти такой способ, реализуемый при уже достигнутом уровне техники. 15 декабря 1934 г. он сделал третье главное открытие, которое действительно приблизило время выхода в космос, хотя и не в том виде и не настолько быстро, как он надеялся. Это открытие состояло в том, что «с помощью эскадры одинаковых ракет, путем переливания запасов взрыва (топлива), мы можем получить высшие скорости, которых одна ракета получить не может». Стартовав вместе и после израсходования половины топлива, соединяясь, производя перелив, разъединяясь и продолжая полет (ракеты с полными баками - дальше, а с пустыми- планировать на Землю), эскадра могла разогнать последнюю ракету до любой требуемой скорости в зависимости от количества ракет, которое при их большом совершенстве могло быть совсем небольшим: 4, 8 или 16 – Циолковский рассчитал их множество вариантов. Поскольку он опирался на опыт авиации, то решил, что первые эскадры должны состоять не из ракет, а из ракетопланов, причем начать придется с самых несовершенных и слабых (со скоростью истечения 2000м/с и запасом топлива в 1, что приближалось к характеристикам разрабатывавшегося в РНИИ РП-218). По расчетам Циолковского космической скорости мог бы достигнуть последний ракетоплан из группы в 16 подобных. Уверенности в скорой осуществимости в СССР такого способа ученому придавало то, что уже были проведены дозаправки самолетов в воздухе (еще в 1933 г.), их стыковка и расстыковка в полете («Звено» Вахмистрова), осуществление полетов самолетов с огромной стартовой массой («Максим Горький» 53 т) и, наконец, то, что проводились воздушные парады и военные учения, в которых одновременно по заданной программе двигались десятки и даже сотни летательных аппаратов.

Константин Эдуардович был очень доволен своим открытием, поспешил сообщить о нем друзьям и опубликовать в виде статьи «Достижение космических скоростей» в газете «Техника» 30 апреля 1935 г. Можно высказать уверенность, что она не прошла незамеченной для постоянного подписчика газеты С. П. Королева, еще более укрепив его в правильности ведущейся им тогда в РНИИ борьбы за создание ракетоплана. К сожалению, политические обстоятельства пресекли эту борьбу в 1938 г.

Но, как известно, гениальные идеи не умирают, и принцип ступенчатости, пройдя от эскадры ракет Циолковского через питающий пакет Тихонова и простейший пакет Охоцимского, воплотился в первой в мире космической транспортной космической системе Р-7 «Спутник», «Восток», «Молния», «Союз» С. П. Королева. Поэтому навсегда справедливы слова Королева: «Идеи и технические предложения Циолковского настолько глубоки и обширны по своему замыслу и содержанию, что при создании любой современной ракеты миновать их невозможно… Трудно переоценить все значение предложения Константина Эдуардовича, касающегося составных ракет и ракетных поездов. По существу, оно открыло дорогу человечеству для вылета в космическое пространство» (газета «Правда», 17.09.1957).