Константин Эдуардович Циолковский
Константин Эдуардович Циолковский
К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ
Профессор А. КОСМОДЕМЬЯНСКИЙ
1. Этот человек прожил героическую жизнь исследователя. Начиная с 16 лет он отдавал все свое время любимой идее — покорению людьми воздушной стихии и безграничных мировых пространств. В истории мировой науки его судьба вызывает удивление и восхищение. Его научная деятельность была многогранна и своеобразна. Он сделал ряд выдающихся открытий по аэродинамике, ракетодинамике, теории межпланетных путешествий, геофизике и биологии. Можно с уверенностью сказать, что в области разработки проблем, связанных с межпланетными путешествиями, выдающийся советский ученый и изобретатель Константин Эдуардович Циолковский первым проложил пути, по которым в настоящее время успешно движется астронавтика. Многоступенчатые ракеты или поезда ракет, предложенные К. Э. Циолковским в 1929 году, стали той основой, на которой создаются первые искусственные спутники Земли как в СССР, так и за границей.
Однако этот великий человек до 60-летнего возраста был малоизвестным «оригиналом», «дилетантом-самоучкой» даже в собственной стране. Всю свою жизнь, начиная с 1880 года, он работал учителем по математике и физике в средней школе. Это давало средства к существованию. Статьи К. Э. Циолковского начали появляться в печати с 1891 года; большинство работ до 1917 года опубликовано в виде небольших брошюр, изданных в Калуге мизерными тиражами на средства автора. Эта пропаганда своих научных идей — подлинный крик души К. Э. Циолковского, который творил в невероятно тяжелых материальных и моральных условиях.
Работы К. Э. Циолковского начали переводиться на иностранные языки только с 1925 года, и тогда его имя стало известным в Западной Европе и Америке.
В летописях истории науки, пожалуй, мало найдется людей с таким широким пониманием явлений природы и жизни, с таким проницательным умом, с такой горячей верой в могущество науки, с такой высокой научной продуктивностью.
17 сентября 1957 года исполняется 100 лет со дня рождения этого знаменитого деятеля науки нашей страны.
2. Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857 года в селе Ижевском, Спасского уезда, Рязанской губернии, в семье лесничего. Его детские годы были омрачены тяжелой болезнью. На десятом году К. Э. Циолковский заболел скарлатиной и в результате осложнений почти совершенно потерял слух. Глухота не позволила мальчику продолжать учебу в школе. С 14 лет он начал заниматься самообразованием, используя книги, которые имелись в библиотеке отца. Тогда же в нем пробуждается страсть к изобретательству: он строит из тонкой бумаги воздушные шары, делает маленький токарный станок и конструирует коляску, которая движется под парусами от силы ветра. С 16 до 19 лет К. Э. Циолковский жил на студенческом положении в Москве, самостоятельно работая в библиотеках и проводя эксперименты по химии в темном сыром углу, который он снимал у прачки.
В эти годы у К. Э. Циолковского зарождается мысль о завоевании мировых пространств путем использования свойств центробежной силы. «Я был так взволнован, даже потрясен, — писал позднее Константин Эдуардович, — что не спал целую ночь, бродил по Москве и все думал о великих следствиях моего открытия. Но уже к утру я убедился в ложности моего изобретения. Разочарование было так же сильно, как и очарование. Эта ночь оставила след на всю мою жизнь; через 30 лет я еще вижу иногда во сне, что поднимаюсь к звездам на моей машине, и чувствую такой же восторг, как в ту незапамятную ночь».
В 1879 году Константин Эдуардович сдал экстерном экзамен на звание учителя и в январе 1880 года был назначен на должность учителя арифметики и геометрии в Боровское уездное училище, Калужской губернии.
Работая учителем уездного училища, К. Э. Циолковский начал свои первые научные исследования. Основные научные работы Константина Эдуардовича были тесно связаны с тремя большими техническими проблемами, к исследованию которых он подходил и как изобретатель. Этими проблемами являются: цельнометаллический дирижабль, аэроплан и ракета для межпланетных сообщений.
Большинство работ, связанных с цельнометаллическим дирижаблем, было выполнено с 1885 по 1892 год. Описание и расчет хорошо обтекаемого аэроплана с легким двигателем были опубликованы в 1894 году. С 1896 года К. Э. Циолковский систематически занимался теорией движения ракет и предложил ряд схем ракет дальнего действия и ракет для межпланетных путешествий. В последние годы жизни он много и плодотворно работал над созданием теории полета реактивных самолетов и изобрел схему газотурбинного двигателя. Работы К. Э. Циолковского по аэродинамике и ракетной технике изданы Академией наук СССР, составляя первые два тома собрания его сочинений.
Макет аэродинамической трубы, построенной К. Э. Циолковским в 1806 году.
3. В одной из своих автобиографических статей К. Э. Циолковский писал: «...В 1885 году, имея 28 лет, я твердо решил отдаться воздухоплаванию и теоретически разработать металлический управляемый аэростат.» Константин Эдуардович обратил внимание на существенные недостатки аэростатов с оболочками из прорезиненной ткани. Такие оболочки скоро изнашивались, обладали малой прочностью, и, вследствие проницаемости ткани, наполняющий их газ (в те годы — водород) быстро терялся. Результатом исследовательской работы К. Э. Циолковского было объемистое сочинение «Теория и опыт аэростата». В этом сочинении дано научно-техническое обоснование создания конструкции дирижабля с металлической оболочкой; к работе были приложены чертежи, поясняющие детали конструкции.
Дирижабль К. Э. Циолковского имел следующие характерные особенности. Во первых, это был дирижабль переменного объема, что позволяло сохранять постоянную подъемную силу при различных температурах окружающего воздуха и различных высотах полета. Возможность изменения объема конструктивно достигалась при помощи особой стягивающей системы и гофрированных боковин. Во-вторых, газ, наполняющий дирижабль, можно было подогревать, пропуская по змеевикам отработанные газы моторов. Третья особенность конструкции состояла в том, что тонкая металлическая оболочка для увеличения прочности была гофрированной, причем волны гофра располагались перпендикулярно к оси дирижабля. Выбор геометрической формы дирижабля и расчет прочности его тонкой оболочки К. Э. Циолковский решил первым. Однако проект дирижабля К. Э. Циолковского не получил признания. Официальная организация царской России по проблемам воздухоплавания — VII Воздухоплавательный отдел Русского технического общества — нашла, что проект цельнометаллического дирижабля, способного изменять свой объем, не может иметь большого практического значения и дирижабли «вечно будут игрушкой ветров». Поэтому автору было отказано даже в субсидии на постройку модели. Обращения К. Э. Циолковского в Генеральный штаб армии также не имели успеха. Печатный труд К. Э. Циолковского «Аэростат металлический управляемый» (1892 г.) получил некоторое число сочувственных отзывов, и этим дело ограничилось.
4. К. Э. Циолковскому принадлежит прогрессивная идея постройки цельнометаллического аэроплана. В статье 1894 года «Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина» даны описание и чертежи моноплана, который по своему внешнему виду и аэродинамической компоновке предвосхищает конструкции самолетов, которые были созданы только через 15—18 лет. У аэроплана, предложенного К. Э. Циолковским, крылья имеют толстый профиль с округленной передней кромкой, а фюзеляж — хорошо обтекаемую форму. Для решения аэродинамических вопросов К. Э. Циолковский построил аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью, разработал методику аэродинамического эксперимента и позднее (в 1900—1901 гг.) на субсидию Академии наук выполнил продувки простейших моделей и определил коэффициенты сопротивления шара, плоской пластинки, цилиндра, конуса и других тел.
К. Э. Циолковский хорошо предвидел значение для развития авиации бензиновых двигателей внутреннего сгорания. Он писал: «Однако у меня есть теоретические основания верить в возможность построения чрезвычайно легких и в то же время сильных бензиновых или нефтяных двигателей, вполне удовлетворяющих задаче летания». На дальнейшие изыскания по аэроплану не было ни средств, ни моральной поддержки. Об этом периоде своей жизни ученый с горечью писал: «При своих опытах я сделал много новых выводов, но новые выводы встречаются учеными недоверчиво».
Ракета К. Э. Циолковского. Вверху - проект 1903 г. ( с прямой дюзой), в середине - проект 1814 г. (с кривой дюзой, внизу - проект 1915 г. Чертежи К. Э. Циолковского
5 Важнейшие для современной техники научные результаты получены К. Э. Циолковским в теории движения ракет или ракетодинамике. Принцип сообщения или изменения движения при помощи реакции отбрасываемых частиц был осознан К. Э. Циолковским еще в 1883 году, однако создание им математически строгой теории реактивного движения относится к концу XIX столетия. В 1903 году в майском номере журнала «Научное обозрение» появилась первая статья К. Э. Циолковского по ракетодинамике, которая называлась: «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В этой статье на основании общих теорем механики (количества движения и кинетической энергии) была дана теория полета ракеты с учетом изменения ее массы в процессе движения, а также обоснована возможность применения больших ракет для межпланетных сообщений.
При исследовании законов движения ракет К. Э. Циолковский шел логически безупречным путем, последовательно вводя основные силы, от которых зависит движение ракеты. Сначала он решил выяснить, какие возможности заключает в себе реактивный принцип создания механического движения, и поставил простейшую задачу о прямолинейном полете ракеты в предположении, что силы тяжести и сопротивления воздуха отсутствуют. Эту задачу называют сейчас первой задачей Циолковского. С качественной стороны эта задача рассматривалась К. Э. Циолковским еще в 1883 году. Движение ракеты в этом простейшем случае обусловлено только процессом отбрасывания (истечения) частиц вещества из камеры реактивного двигателя. При математических расчетах К. Э. Циолковский ввел предположение о постоянстве относительной скорости отброса частиц, которым до настоящего времени пользуются все авторы теоретических работ по ракетодинамике. Это предположение называют гипотезой Циолковского.
Вот как обосновывает эту гипотезу Константин Эдуардович в своей статье «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. Что толку, если мы сэкономим энергию, не имея отброса. Экономия энергии тут не должна иметь места: она невозможна и невыгодна. Другими словами: «в основу теории ракеты надо принять постоянную относительную скорость частиц отброса».
Исходя из закона сохранения количества движения для замкнутых механических систем, К. Э. Циолковский составил и подробно исследовал уравнение движения ракеты при постоянной скорости частиц отброса и получил весьма важный математический результат, известный сейчас под названием формулы Циолковского.
Из формулы Циолковского следует весьма важный практический результат: для получения возможно больших скоростей в конце процесса горения выгоднее идти по пути увеличения относительных скоростей отбрасываемых частиц, чем по пути увеличения относительного запаса горючего.
Так, например, если бы захотели в два раза увеличить скорость в конце активного участка для ракеты, имеющей отношение начального веса к весу пустой (без топлива) ракеты, равное 3, то можно идти двумя путями: или увеличить относительную скорость истечения из сопла реактивного двигателя в два раза или увеличить запас топлива настолько, чтобы отношение начального веса к весу ракеты стало равным 32 = 9.
Увеличение относительных скоростей истечения частиц требует совершенствования реактивного двигателя и разумного выбора составных частей применяющихся топлив, а второй путь (связанный с увеличением относительного запаса топлива) требует значительного облегчения конструкции корпуса ракеты и, к сожалению, уменьшения полезной нагрузки.
Работа К. Э Циолковского по исследованию мировых пространств реактивными приборами, как всякая прогрессивная научная идея, указывает практикам-инженерам рациональные пути дальнейшего развития ракетостроения.
Похожие материалы: