Перелёты на другие планеты. Статья вторая (Цандер)

Перелеты на другие планеты (Статья вторая)
автор Фридрих Артурович Цандер (1887—1933)
Опубл.: 1937(?). Источник: Ф. А. Цандер Перелеты на другие планеты. — М.: 1937(?)
 Википроекты: Wikidata-logo.svg Данные


[199]Кто не устремлял в ясную звездную ночь своих взоров к небу, на котором сверкают миллионы звезд, и не подумал о том, что около них на планетах должны жить другие человечества, отчасти в культуре на многие тысячи лет опередившие нас. Какие несметные культурные ценности могли бы быть доставлены на Землю, если бы удалось туда перелететь. И какую минимальную цену в сравнении с этим нужно платить, например, за аэроплан весом в 10 000 кг. За цену мировой прошедшей войны можно было бы построить один миллион таких аэропланов. А первые межпланетные корабли будут по весу, считая их на одного человека, по всей вероятности, не тяжелее такого летательного аппарата.

В нижеследующих строках автор сей статьи постарается познакомить широкий круг читателей с одним математическим и конструктивным изысканием, которое ведется им уже в течение ряда лет с целью выяснения всех возможностей, имеющихся по отношению к межпланетным кораблям и путешествиям.

При этом им было выяснено нижеследующее: ввиду того что ракета, ныне предлагаемая как самостоятельный межпланетный корабль, действует в нем, подымая весь вес так, что ее в этом отношении можно сравнить с комбинацией двигателя с подъемным винтом, но она при этом еще должна давать межпланетному кораблю ускорение, значит, обладать толкательной силой, в несколько раз превосходящей вес всего аппарата, она выходит огромных размеров. Еще теперь аппараты с подъемным винтом, геликоптеры, лишь еле летают, между тем как аэропланы много легче отделялись от Земли и теперь уже перелетают через океаны; так, и по всей вероятности, не ракеты, поддерживающие весь межпланетный корабль, а предлагаемые мною сим, насколько мне известно, впервые для межпланетных путешествий ракеты, покоящиеся в аэроплане и толкающие аэроплан вперед, ускоряя его еще в пределах атмосферы до скорости, необходимой для свободного кружения вокруг земного шара (скорости прибл[изительно] в 8 км/сек), будут служить сперва для вылетов из земной атмосферы и для перелетов на другие планеты.

Эти ракеты должны давать толкательную силу, не большую силы обыкновенного винта аэроплана, т. е. в ⅕ часть веса всего [200]аппарата, они выходят поэтому в 10—30 раз меньших размеров, нежели подъемные ракеты. Что же касается горючего, которое необходимо взять с собою, то можно определить, что требуется от 90 до 98% всего веса аппарата для того, чтобы вполне отделиться от Земли, т. е. чтобы достигнуть скорости в 11,18 км/сек, при которой предмет, брошенный с Земли, полетит, имея в бесконечности скорость нуль, т. е. не возвращаясь на Землю. И эти 90—98% требуются, если имеется водород и кислород в качестве горючего. При горючем бензине и жидком кислороде означенное количество достаточно лишь для того, чтобы кружиться вокруг земного шара.

Для скорого производства опытов было бы весьма желательным пользование бензином и кислородом. Но встает вопрос: наши аэропланы могут взять с собою лишь 40—60% жидкого горючего, и, считаясь для начала с непревосходным коэффициентом полезного действия аппаратов, нам необходимо взять с собою 95% его, иначе у нас горючее иссякнет и мы будем принуждены возвратиться на Землю, не достигая той минимальной скорости в 8 км/сек, при которой мы не можем больше упасть на Землю, если находимся вне атмосферы и облетаем Землю.

Чтобы обойти этот недостаток в горючем материале, я решился при конструкции межпланетного корабля на один новый радикальный шаг, который, насколько мне известно, тоже еще не был предложен. Цена одного аэроплана незначительна. Ввиду этого мною сим предлагается следующий метод: по мере расхода горючего и связанного с ним уменьшения веса втягивать или складывать крылья аэроплана, втягивать шасси, встроить в фюзеляж аэроплана открытый или закрывающийся котел, расплавить в нем втянутые части аэроплана, а также двигатель, которые предполагаются состоящими, как весь аэроплан, по возможности из дюралюминия, части двигателя со стальными или (цилиндры) чугунными втулками. После расплавления жидкий металл инжектором или центробежным насосом подается в ракету, в ней сжигается одновременно с бензином или водородом, или подобн[ым] горючим с кислородом. По моим расчетам, огромная теплота, получаемая при горении алюминия в кислороде, по большей части передается летучим продуктам горения бензина или водорода и лишь небольшое количество развитой теплоты остается в окиси алюминия ввиду того, что теплоемкость газов сильно возрастает с температурой, а теплоемкость твердых или жидких тел (окиси алюминия) мала. Взамен алюминия можно воспользоваться также сплавом магния, напр[имер] магналием. Алюминий кипит под давлением 1 атм, при 1800°, а магний уже при 1200° Цельсия. Возможно, что будут найдены и более легкоплавкие сплавы, которые обладают достаточной крепостью. На 1 кг смеси горючего с кислородом алюминий, а также и магний развивают [201]уже больше теплоты, нежели водород: 3730 кал против 3240 кал на 1 кг при нижней теплотворной способности, а металл литий развивает 4710 кал, т. е. в 1,45 раза больше теплоты, нежели водород с кислородом. Мною было далее расчетом установлено, что: 1) частицы окиси алюминия поспеют отдавать еще в самой ракете большую часть теплоты, если отдельные частицы его рассматривать даже как шары, имеющие наименьшую поверхность при данном объеме, причем их диаметр должен быть не слишком большим, и 2) части окиси алюминия при тех же предположениях насчет размеров мало отстают от частиц летучих продуктов горения, одновременно сожженных в ракете. Отсюда вытекает, что коэф[фициент] полезного действия ракеты при применении материалов с твердыми и летучими продуктами горения лишь немного меньше, нежели при материалах с одними летучими продуктами.

Таким образом, против применения твердых продуктов горения говорит лишь возможность загрязнения ракеты окисью металла. Но, с одной стороны, наши фабричные трубы, расходующие много горючего, не чистятся каждый день, а с другой стороны, дрожание ракеты во время полета, очень большие скорости частиц и ускорение, которое имеет межпланетный корабль во время полета, заставят частицы окиси металла спадать со стенок. Можно пускать чисто летучие газы около стен, а окись алюминия более по оси ракеты.

Этим путем: использованием части строительного материала аэроплана, даже при плохом коэффициенте полезного действия, можно будет достигать скоростей и высот подъема аэроплана, необходимых для вылета из земной атмосферы и даже для перелета на другие планеты уже при помощи нашей теперешней техники, именно лишь ценою строительного материала. Уже во время войны были построены «аэропланы на один полет» с просто обработанными двигателями и такими же летательными аппаратами. А алюминий в данном случае оценивается как водород с кислородом, а не как бензин с кислородом, так что необходимое количество горючего при пользовании им будет небольшое.

При начальном весе межпланетного корабля в 10 000 кг, считая и вес горючего, который равняется 95%, конечный вес его равнялся бы 500 кг, это вес наших маленьких земных аэропланов; если, значит, взлететь с земли аэропланом, приводимым в движение либо ракетою, приспособленною к движению в воздухе, напр[имер] конструкции Мело, либо, как в исследуемой мною конструкции аэропланов с двигателем высокого давления, питающимся жидким кислородом высокого давления взамен атмосферного воздуха, и, взлетая под некоторым углом вверх, регулировать скорость полета в зависимости от высоты полета так, чтобы сила сопротивления воздуха оставалась постоянно наименьшей при данной подъемной силе, то мы можем на некоторой высоте [202]над Землей остановить двигатель, пустить в работу взамен его ракету, втягивать постепенно части аппарата и оставить в конце концов лишь межпланетный корабль весом в 500 кг.

При сравнительно малых скоростях, при которых для уменьшения сопротивления воздуха приходится лететь до высоты приблизительно 28 км, ракета, работающая лишь реакцией выходящих газов, имеет малый коэф[фициент] полезного действия. Поэтому до означенной высоты необходимо лететь или ракетой, притягивающей еще добавочный воздух, или же двигателем особой конструкции и винтами. Но если такой аэроплан на Земле будет иметь скорость в 30 м/сек, то на высоте в 28 км, по моим расчетам, из-за уменьшения плотности атмосферы он должен лететь уже со скоростью прибл[изительно] в 400 м/сек. При этой скорости уже можно применить чисто реактивную ракету и, летая все выше, регулировать силу ракеты так, чтобы скорость ее увеличилась в соответствии с высотою и связанным с нею уменьшением плотности атмосферы. Расчет указал при этом, что скорость в 11,18 км/сек тогда будет достигнута на высоте прибл[изительно] в 85—90 км над поверхностью Земли. Но можно было бы и уже при скорости в 8 км/сек вылететь из земной атмосферы и начинать свободное парение в пустоте вокруг земного шара.

Для того чтобы удобно вернуться на Землю, выгодно остающемуся маленькому межпланетному кораблю придавать форму аэроплана со свободно несущими поверхностями и имеющего снаружи лишь части, которые при данном сопротивлении воздуха имеют для уменьшения нагрева, т. е. для излучения нагрева, большую поверхность.

Этой комбинацией ракеты с аэропланом, а также использованием строительного материала аэроплана в ракете как горючее устраняется, между прочим, и препятствие к межпланетным полетам, про которое говорил Я. И. Перельман в своей книге «Междупланетные путешествия», 1923 г. На стр. 77 он говорит: «главное, пожалуй, даже единственное препятствие к немедленному осуществлению реактивного небесного дирижабля — это отсутствие достаточно сильного взрывчатого вещества. Мы не знаем источника, который при современном состоянии техники способен был бы развить силу, достаточную для движения огромной ракеты».

Действительно, сильного взрывчатого вещества в предлагаемом мною межпланетном корабле не требуется ввиду того, что требуемые при горючем материале обыкновенной силы его 95% мною получаются втягиванием в котел частей аэроплана и использованием их в качестве горючего; а огромного веса ракета мною, кроме того, заменена ракетою, которая в 10—30 раз меньше подъемной ракеты, про которую говорил Перельман. [203]

Было бы весьма желательно, чтобы были произведены соответственные опыты с отдельными частями механизма такого межпланетного корабля. В особенности институты, изготовляющие жидкий водород, как, например, университет в Лейдене, могли бы производить опыты с маленькими ракетами, работающими водородом и кислородом, а также и тремя горючими: легким металлом, т. е. алюминием или магнием, и еще, кроме того, как описано, водородом и кислородом. Эти опыты могли бы привести к величайшему прогрессу человечества.

Кроме того, требовались бы опыты, касающиеся применения легкого котла для плавки легких металлов, между тем как складываемость аэроплана и рулей теперь в принципе техникой авиации уже решена, так как имеются уже аэропланы, втягивающие шасси и крылья и все же хорошо летающие. Что касается увеличения веса конструкции из-за складываемости аэроплана, т. е. из-за применения шарнирных соединений, проводов и механизмов для втягивания частей, то это увеличение, судя по мною уже произведенным расчетам конструкций, небольшое ввиду того, что силы и требуемые передвижения небольшие. Кроме того, этим увеличением лишь немного уменьшается количество жидкого горючего, которое можно взять с собою, т. е. пропорция, в которой будет примешан магний или сплав металлов к летучим продуктам горения.

Из того, что теперь уже летают аэропланы, весом во много раз превосходящие 10 000 кг, а также из того, что управление их можно было бы производить включением и переключением вспомогательных двигателей, которые, просто построенные, могли бы впоследствии также служить горючим материалом, видно, что, если после вылета из атмосферы Земли межпланетный корабль будет весить 500 кг при начальном весе его в 30 000 кг, коэффициент полезного действия всех двигателей смог бы быть спокойно намного меньшим, нежели в случае, если начальный вес равен 10 000 кг; необходимая конечная скорость все же была бы достигнута.

Если мы встроим в аэроплан двигатели меньшей силы и меньшей величины ракету, то полет будет более пологим, работа сопротивления воздуха по отношению к работе подъема и ускорения аппарата увеличится. Ракету чисто реактивного типа необходимо раньше привести в действие, когда скорость аппарата, а следовательно, и коэффициент полезного действия ракеты малы, но в этом случае получается та бо́льшая выгода, что напряжения в материале двигателей будут меньшими, нежели при больших двигателях и ракетах. Толкательные силы двигателей можно в минимуме довести до толкательных сил пропеллеров наших прежних медленных обыкновенных аэропланов. [204]

При таких условиях полеты на другие планеты будут безопасными и легко производимыми, но начальный вес будет, по всей вероятности, несколько больше, нежели 10 000 кг.

До скоростей в 8 км/сек будет выгодно лететь ракетой, т. е. до той скорости, при которой можно свободно кружиться вокруг Земли, остановить ракету и отдохнуть, как на первой естественной станции, на которой миновала опасность обратного падения на Землю ввиду того, что центробежная сила, развиваемая при вращении вокруг Земли, равна силе притяжения Земли.

Но если мы хотим перелететь на другие планеты, то требуется не только развитие 11,18 км/сек, но уже для достижения Марса, как после расчетом будет показано, по меньшей мере еще 2,7 км/сек, так что всего требуется км/сек. Для другой ближайшей планеты Венеры требуется 2,3 км/сек добавочной скорости или всего км/сек. Скорости, необходимые для достижения других планет, еще больше.

При этих условиях ракета при каждом перелете израсходует огромные количества горючего; даже если она работает водородом и кислородом, мы получаем при ней следующие условия: если вес аппарата на Земле равняется 10 000 кг, то он при 8 км/сек будет равен приблизительно 1000 кг, а при скорости в 11,18 км — уже только 500 кг вследствие расхода горючего. Если скорость еще увеличивается, то вес дальше уменьшается в геометрической прогрессии.

Если, с другой стороны, рассчитывать вес поверхности алюминиевого зеркала площадью 100 000 м2, толщиною 1/100 мм, которое даст межпланетному кораблю весом 500 кг даже при невыгодном направлении светового давления тот же путь эллипса при перелете на Марс, как ракета, то вес зеркала получается равным приблизительно 300 кг, причем при конструкции зеркала предполагается, что оно имеет центральную ось и тонкие проволоки, удерживающие несколько его форму и передающие медленное ускорение вращения оси на самый зонт. Означенной толщины алюминиевые листы обладают еще крепостью в 0,2 кг на погонный см и могут спокойно выдерживать довольно большое центробежное усилие. А все давление света на такое зеркало не более 46 г, так что все зеркало удержит свою форму. Но имеются листы алюминия для целей измерения давления света, толщина которых составляют лишь 1/2400 мм (см., например, статью в «Успехах физических наук» под ред. проф. Лазарева, стр. 144, т. I, вып. 2, 1918 г.). Листок там имел длину в 74,3 мм и дал при опыте давление света, соответствующее 0,85 от давления вполне отражающего зеркала. Толщины, при которых листы серебра уже начинают пропускать свет, еще меньше: в 1,05/104 мм (см., напр[имер], [205]статью в журнале «Annalen der Physik», 1915 г., № 14, стр. 763—790, про опыты, касающиеся коэффициента преломления в просвечивающих тонких слоях металлов). Уже Эдисон изготовил никелевые листы толщиною в 1/1000 мм, размером 1600 м на 2 м (см., напр[имер], Циолковский. «Гондола металлического дирижабля», стр. 24).

Если бы Эдисону предложили изготовить из них вышеописанного типа зеркало для межпланетного корабля, то он эту задачу, по всей вероятности, легко решил бы конструктивно.

Но зеркала могут быть и большими, тогда время перелета ими еще сократится и, кроме того, они используемы много раз для перелетов, а дорогой горючий материал ракеты лишь один раз. Если в дальнейшем при помощи еще больших зеркал, вращающихся вокруг планет и связанных с направляющей зрительной трубой, будет сгущен солнечный свет и направлен на зеркало переправляющегося на другую планету межпланетного корабля, то время перелета во много раз уменьшится, чего никаким образом нельзя достичь ракетою, так как начальный вес аппарата при ней растет в геометрической прогрессии, если скорость растет в арифметической прогрессии, а вес зеркала увеличивается лишь пропорционально квадрату скорости аппарата.

Таким образом приходим к выводу, что ракеты со своим громадным расходом горючего и большой толкательной силой применимы лучше всего для вылета из земной атмосферы и ускорения до скорости 8 км/сек в комбинации с аэропланами, производя ускорение еще в земной атмосфере, начиная медленно в низших слоях и кончая высшими слоями ее, скользя, так сказать, по воздуху косо вверх. А дальше, в межпланетном пространстве, при его огромных расстояниях и возможности применения малых толкательных сил, во много раз лучше воспользоваться даровым световым давлением или передачею энергии на расстояние при помощи тончайших зеркал, которые вращаются для придания им жесткости, как, например, мягкие винты дирижабля сист[емы] Парсеваля.

Стоило бы также рассчитывать аэропланы с полыми стержнями, в которых, по возможности, все части, подверженные сжатию или изгибу, устроены так, чтобы в сжимаемой части они состояли из труб, содержащих под большим давлением либо газообразное, либо жидкое горючее; если на концах этих труб будут находиться клапаны, открываемые для выпуска горючего по мере надобности, то такие трубы могут быть нагружены на сжатие до ½ того напряжения, которое может быть допущено для проволок, они выйдут, значит, много легче, нежели, напр[имер], стойки и лонжероны обыкновенных конструкций. Если же для наполнения стержней пользоваться жидким метилом, этаном, этиленом или подобным горючим, которые не имеют столь [206]низкой температуры кипения, как жидкий водород, то можно было бы получить еще одну выгоду: при понижении температуры крепость материалов, но и хрупкость их увеличиваются.

Если, значит, температуру понизить еще не на столько, что трубы делаются хрупкими, но все же крепость их значительно увеличена, то можно будет пользоваться весьма легкими трубами. Все это дало бы возможность увеличивать количество жидкого горючего и этим экономить твердый строительный материал.

Но можно сравнивать прогресс, ожидаемый от завоевания звездного неба, с прогрессом, который имел место в физике, когда нашли элемент радий; несмотря на то, что для получения 1 мг радия требовалась разработка нескольких тысяч пудов руды, все же люди взялись за изготовление солей радия и, хотя цена 1 мг радия — 300 000 р. золотом, все же имеются на Земле уже несколько граммов их. За эту цену можно было бы построить и несколько тысяч межпланетных кораблей, и люди это сделают.

Авиация не случайно уже настолько приблизилась к возможности вылета из земной атмосферы, что требуется для предлагаемого типа межпланетных кораблей лишь производство немногих опытов для того, чтобы осуществить перелеты на другие планеты; уже втягиваются шасси и крылья аэропланов, уже строятся аэропланы из дюралюминия, уже имеются воздушные корабли намного большие, нежели это требуется для межпланетного корабля, уже имеется ракета, приспособленная к летанию в воздухе, для высоких полетов берут с собою жидкий кислород, а в двигателе одного автомобиля Парижской выставки уже в 1900 г. был применен жидкий кислород.

Главные опыты для осуществления проекта должны будут простираться на применение расплавленных металлов в ракете в качестве горючего и на применение сосуда для плавки металла, а также на постепенное складывание всего аэроплана и удобную подачу частей для плавки в котел. Затем можно при помощи двух воронок, вроде ракет, приставленных друг к другу широкими частями, и при помощи вентилятора устроить аэродинамическую трубу для испытания сопротивления и нагревания частей аэроплана при низких давлениях и весьма больших скоростях.

Было бы весьма желательно, чтобы ученые и инженеры, ближе интересующиеся вышеуказанным направлением развития авиации, стали заниматься расчетом конструкций и производством опытов в этой области для того, чтобы пополнить эту слабость науки и техники, которая при таких условиях уже в недалеком будущем даст результаты, которые затмят все до сих пор на свете имеющиеся.

В дальнейшем и автор сей статьи постарается напечатать свои расчеты, относящиеся к данному вопросу.


PD-icon.svg Это произведение находится в общественном достоянии в странах, где срок охраны авторских прав равен сроку жизни автора плюс 70 лет, или менее.