Обычно движение тел возможно благодаря реакции окружающей внешней среды. Так, например, если бы не было трения колёс о рельсы или подошв ног о мостовую, паровоз и человек не могли бы сдвинуться с места. На совершенно ином принципе основано движение ракеты. Ракета может двигаться и в пустоте, где отсутствует внешняя по отношению к ракете среда. Что же тогда позволяет ракете «отталкиваться» и двигаться вперёд? Оказывается, та же реакция, но реакция но внешней среды, а того вещества, которое ракета несёт с собою и при полёте выбрасывает из себя.
Другой особенностью ракеты является возможность двигаться с весьма малым ускорением в течение большого промежутка времени. Это даст возможность уносить в мировое пространство живые существа без вреда и опасности для жизни и в то же время позволит преодолеть сопротивление воздушной оболочки Земли с незначительной затратой энергии, так как в пределах атмосферы скорость ракеты будет ещё мала.
*
Ракета представляет собой бескрылый летательный аппарат или снаряд, получающий в начале своего движения в течение короткого промежутка времени большую скорость при помощи реактивного двигателя. Остальной путь ракета совершает по инерции, за счёт приобретённой кинетической энергии.
Реактивным двигателем, или точнее, двигателем прямой реакции, называется такой двигатель, действие которого основано на силе реакции вещества, выбрасываемого из двигателя. Этим веществом в ракете являются газы, образующиеся при сгорании. Газы, вырываясь наружу с большой скоростью через специальное отверстие, толкают ракету в направлении, противоположном истечению 1).
1) О воздушно-реактивном двигателе см. стр. 71.
 | |
| Рис. 14. Пороховая ракета. При сгорании движущего порохового заряда 4 образуются газы, которые вырываются наружу через сопло 3 и своей реакцией толкают ракету вперёд. | Рис. 15. Жидкостная ракета. Горючее и окислитель, находящиеся в отдельных баках (1 и 2), подаются в камеру сгорания 8. Образующиеся здесь газы при своём истечении наружу толкают ракету вперёд. |
Ракеты бывают пороховые и жидкостные.
Пороховая ракета состоит из цилиндрической гильзы 1 (рис. 14), имеющей на нижнем конце узкое отверстие 2, к которому присоединяется сопло 3 — длинный расширяющийся насадок. Сопло обеспечивает более правильное истечение струи газов, образующихся при сгорании движущего порохового заряда 4, которым плотно набита гильза ракеты. Для того чтобы пороховой заряд сгорал параллельными слоями, в нём устроен конический канал 5. В головке ракеты 6 помещается полезный груз, обычно разрывной или светящий заряд 7. После сгорания движущего заряда огонь передаётся через отверстие или канал 8 заряду, запрессованному в головке ракеты. Устойчивость ракеты в полёте обеспечивается плавниковыми стабилизаторами 9.
В жидкостной ракете (рис. 15) выбрасываемая струя газов, сообщающая ракете движение, образуется от сгорания жидкого горючего, которое помещается в баке 1. В отдельном баке 2 помещается окислитель для сжигания горючего. Через трубки 3, 3' и 4, 4' насосы 5 и 6, приводимые в движение турбиной 7, перегоняют горючее в камеру сгорания 8. Из этой камеры продукты сгорания выбрасываются с большой скоростью через сопло 9 наружу. Запуск ракеты производится при помощи пускового агрегата 10. Полезный груз обычно помещается в носовой части ракеты 11. Все компактно расположенные детали жидкостной ракеты заключаются в удобообтекаемый корпус 12, снабжённый для устойчивости плавниковыми стабилизаторами 13, а иногда — автоматически управляемыми рулями.
 Рис.16. Опыт, поясняющий действие реактивного двигателя: если открыть водопроводный кран, то резиновая трубка, надетая на кран, отклонится назад под влиянием силы реакции вытекающей струи |
Таким образом, движение ракеты, как и обычное движение, объясняется третьим законом Ньютона, согласно которому действие всегда равно противодействию, или иначе — взаимодействия двух тел друг на друга равны между собой и направлены в противоположные стороны.
Принцип действия реактивного двигателя можно наглядно показать на следующих простых опытах.
Присоединим к водопроводному крану резиновую трубку, в другой конец которой вставлено колено, согнутое под прямым углом (рис. 16). Как только мы откроем кран, резиновая трубка под влиянием силы реакции вытекающей струи отклонится назад. Чем сильнее струя воды, т. е. чем больше скорость истечения, тем больше отклонняется трубка от вертикального положения. Поставим на рельсы лёгкую тележку, а на тележку — сосуд с водой, в задней стенке которого внизу сделано отверстие с задвижкой. Если открыть задвижку, то вода будет вытекать в одном направлении, а сама тележка вместе с сосудом будет перемещаться в обратном направлении. Если тележку удерживать на месте с помощью пружины, то легко измерить величину силы реакции струи. Допустим, что до начала опыта давление воды на уровне отверстия равно 100 граммам на квадратный сантиметр. Тогда, как показывает расчёт и как подтверждает опыт, реакция струи равна 200 граммам на квадратный сантиметр, т. е. удвоенному давлению на площадь, равную сечению струи воды.
Движение частей тела, сначала составлявших одно целое, а затем вследствие действия внутренних сил начавших двигаться в разные стороны из состояния покоя, происходит так, что их общий центр масс (или центр тяжести) при отсутствии внешних сил и сопротивления среды сохраняет своё положение неизменным 1). Если же до разделения системы на части она уже двигалась прямолинейно и равномерно, то после разделения её общий центр масс сохраняет своё прежнее прямолинейное и равномерное движение.
1) Отсутствие внешних сил не всегда обязательно; они могут существовать, но их проекции на направление движения должны быть равны нулю. Именно такой случай имеет место в приводимом ниже примере с шарами, где сила тяжести перпендикулярна к направлению движения.
 Рис. 17. Наглядное пояснение закона сохранения положения центра масс: шары, отброшенные пружиной в разные стороны, движутся так, что их общий центр масс остаётся в покое. |
Закон сохранения движения центра масс иллюстрируется следующим простым опытом: на гладкой доске лежат два неодинаковых по весу шара (рис. 17, внизу), связанных между собой ниткой, на которую надета сжатая пружина, стремящаяся оттолкнуть шары друг от друга. Вся система находится в равновесии. Если пережечь нитку, то пружина оттолкнёт одновременно оба шара, причём скорость более тяжёлого шара будет во столько раз меньше скорости более лёгкого шара, во сколько раз масса тяжёлого шара больше массы лёгкого. В результате такого движения обоих шаров их общий центр тяжести останется в покое. Если оба шара имеют одинаковую массу, то их скорости после отталкивания будут одинаковыми.
Сделанное выше предположение об отсутствии внешних сил и сопротивления строго оправдывается только при движении в мировом пространстве, вдали от небесных тел, т. е. в свободном пространстве. В поле тяготения общий центр масс разлетевшихся на куски частей тела, если пренебречь сопротивлением воздуха, движется по той же траектории, по которой двигался бы центр масс неразлетевшегося тела. Так, например, центр тяжести осколков разорвавшегося в воздухе снаряда продолжал бы, при отсутствии сопротивления воздуха, двигаться по той же параболе, по которой двигался бы центр тяжести неразорвавшегося снаряда.
*
Допустим, что внутренняя сила взрыва отбрасывает одну часть тела от другой; затем оставшаяся масса опять отбрасывает долю своей массы и т. д. Используя этот принцип, мы можем получить своеобразную «пулемётную» ракету с пульсирующим двигателем, причём после каждого нового отбрасывания массы скорость ракеты будет увеличиваться.
Величина отношения отбрасываемой при каждом взрыве массы к остающейся массе имеет очень большое значение для расхода топлива. Чем меньше это отношение, тем меньше потребное количество топлива для получения определённой скорости. Если это отношение ничтожно мало, что имеет место в случае обыкновенной ракеты, отбрасывающей частицы газов, то для достижения желаемой скорости движения необходима минимальная затрата топлива.
Рисунок 18 поясняет зависимость между скоростью ракеты и расходом топлива. Вообще, скорость ракеты может превысить скорость истечения газов. Если скорость истечения газов будет в 2, 3 и т. д. раза больше, чем в приведённом на рисунке примере (1000 метров в секунду), то и скорость ракеты во столько же раз будет больше, чем указано на рисунке.
Рис. 18. Как увеличивается скорость ракеты в результате постепенного
расхода топлива.
Все возлагаемые на ракету надежды связаны с величиной скорости истечения газов. Если бы эта скорость была очень мала, то следовало бы вообще отказаться от ракетного принципа в технике. Однако уже свыше двадцати лет тому назад были получены в лабораторных условиях скорости истечения около 2,5 километра в секунду. Между тем уже при скорости истечения 2 километра в секунду удаётся забрасывать ракеты, как показал опыт второй мировой войны, на сотни километров (см. стр. 69).
*
Ракета, выбрасывающая в полёте только продукты сгорания топлива, называется простой ракетой. Такая ракета, снаряжённая достаточным количеством топлива, позволяет получить теоретически любую скорость движения. Практически же скорость простой ракеты ограничена, ибо нельзя построить аппарата, имеющего ничтожный вес по сравнению с весом топлива.
Для достижения более высоких скоростей, чем это возможно в случае простой ракеты, приходится прибегать к составной ракете. В простой ракете во время работы двигателя масса топливных баков остаётся постоянной, уменьшается только масса самого топлива. Опорожненная часть баков, продолжая ускоренное движение вместе с ракетой, обусловливает непроизводительную затрату энергии. Поэтому возникает необходимость как можно скорее освободить ракету от свободной части баков. Лучше всего было бы отбрасывать пассивную массу ракеты непрерывно, по мере того как она делается ненужной. Однако вполне понятно, что отбрасывание бака можно произвести только после полного его опорожнения, т. е. только через более или менее длительный промежуток времени.
 Рис. 19. Типы ракет: 1 — простая ракета; 2 — двухступенчатая ракета; 3 — трехступенчатая ракета; 4 — непрерывная ракета; 5 — идеальная ракета. Heсмотря на то, что движущий заряд у всех этих ракет разный, конечная скорость достигаемая каждой ракетой, одинаковая (при условии, что скорость истечения газов для всех ракет одна и та же). |
Это приводит к идее составной ракеты, в которой разгон основной ракеты должен быть выполнен с помощью другой вспомогательной ракеты. Составная ракета может быть сделана не только двухступенчатой, но и многоступенчатой, и так как наибольшие скорости, достигнутые с помощью каждой ступени, складываются, то этим способом, при достаточном числе ступеней, может быть получена желаемая конечная скорость.
Ракета, в которой пассивная масса могла бы отбрасываться непрерывно, в настоящее время является ещё неосуществимой мечтой. Однако такая непрерывная ракета представляет интерес с чисто теоретической точки зрения. Такой же чисто теоретический интерес имеет и ракета, несущая только топливо и полезную массу и называемая идеальной ракетой.
На рисунке 19 изображены (сверху вниз): простая ракета, составные двухступенчатая и трёхступенчатая ракеты, непрерывная ракета и идеальная ракета. Все эти ракеты несут одинаковый полезный груз и достигают после полного сгорания топлива одной и той же скорости. Однако для достижения этой скорости каждая ракета требует разного количества топлива: наибольшего количества требует простая ракета, а наименьшего — трёхступенчатая и идеальная ракеты. Вот почему ракеты будущего неизбежно должны будут делаться многоступенчатыми.
*
Для движения ракеты принципиально безразлично, в каком виде реактивный двигатель выбрасывает из себя материю: в виде ли струи раскалённых или холодных газов, в виде ли струи воды или в каком-либо ином виде. В связи с этим австриец Улинский, а потом Оберт предложили двигать космический корабль с помощью реакции потока электронов, непрерывно выбрасываемых специальным аппаратом.
Срываясь с наэлектризованного тела, электроны сообщают ему, согласно закону о равенстве действия и противодействия, толчок в направлении, противоположном своему движению; происходит такая же «отдача», как при выстреле из ружья или пушки.
Современная техника даёт возможность получать довольно мощные потоки электронов. И вот, если космический корабль будет беспрерывно «стрелять» назад потоками электронов, то в результате «отдачи» он будет всё время двигаться вперёд; получится «электронная ракета».
Но откуда взять электроэнергию для создания непрерывного электронного потока?
Установить целую электростанцию на самом корабле и загрузить его колоссальным запасом топлива, которого хватило бы для межпланетного путешествия, конечно, невозможно. Корабль получится таким громоздким и тяжёлым, что с помощью небольшой силы отдачи электронного потока его вряд ли удастся сдвинуть с места.
Не лучше обстоит дело и в том случае, когда энергия подаётся извне. Ведь даже на Земле передача энергии на расстояние без проводов не получила ещё промышленного применения. Задача осложняется ещё тем, что передача энергии на космический корабль должна осуществляться через ионосферу. Радиоволны, достигнув ионосферы, отражаются от неё и возвращаются к поверхности Земли. Последующее отражение волн от твёрдой оболочки Земли вызывает многократное повторение упомянутого процесса, в результате чего радиоволны могут достигать точек Земли, диаметрально противоположных местоположению передающей радиостанции. Но эти же свойства ионосферы затрудняют передачу электромагнитных волн в мировое пространство.
Можно было бы использовать солнечную энергию, преобразуя теплоту солнечных лучей в электрическую энергию для создания электронного потока. Но, как показывает математический расчёт, сила реакции такого электронного потока у ракеты, находящейся от Солнца на расстоянии, равном большой полуоси земной орбиты, не может превысить 91 грамма на квадратный метр лобовой площади ракеты при условии, что скорость электронного потока равна 3 километрам в секунду. Столь незначительная сила реакции электронного потока показывает несостоятельность идеи электронных космических ракет. В только что упомянутом расчёте предполагалось, что вся полученная аппаратом солнечная энергия преобразуется в кинетическую энергию отбрасываемых частиц, т. е., иными словами, предполагалось, что коэффициент полезного действия аппарата равен единице. Между тем, в действительности подобный аппарат вряд ли имел бы хороший коэффициент полезного действия.
Очевидно, что идея применения «электронной ракеты» совершенно абсурдна.