1. ВСТУП.
Друга половина XX століття є епохою бурхливого розвитку ракетної техніки. Наша країна має ракети усіх класів і призначень. Ми першими створили, успішно випробували і налагодили серійне виробництво міжконтинентальних ракет. У нашій країні, починаючи з 1949 року, ракети використовуються для досліджень верхніх шарів атмосфери. Метеорологічні ракети, створені в СРСР, запускалися протягом Міжнародного геофізичного року в різних районах країни, а також в Арктиці й Антарктиці.
У наші дні при оцінці шляхів подальшого розвитку ракетобудування корисно розглянути науково-технічні вишукування піонерів ракетної техніки. Вони заклали своїми працями надійні основи прогресу цього напрямку технічного розвитку для науки і промисловості всіх країн.
Роботи К. Е. Ціолковського по ракетодинаміку та теорії міжпланетних повідомлень були першими серйозними дослідженнями у світовій науково-технічній літературі. У цих дослідженнях математичні формули і розрахунки не затінюють глибоких і ясних ідей, сформульованих оригінально і чітко. Понад півстоліття минуло з дня опублікування перших статей Ціолковського з теорії реактивного руху. Строгий і нещадний суддя - час лише виявляє і підкреслює грандіозність задумів, своєрідність творчості і високу мудрість проникнення в суть нових закономірностей явищ природи, що притаманні цим творам Костянтина Едуардовича Ціолковського. Його праці допомагають здійснювати нові дерзання радянської науки і техніки. Наша Родина може пишатися своїм знаменитим ученим, зачинателем нових напрямків у науці та промисловості.

2. ПЕРШІ КРОКИ В НАУЦІ

«Яучілся, творячи ...» (К. Е. Ціолковський)

Костянтин Едуардович Ціолковський - видатний російський вчений, дослідник величезної працездатності та наполегливості, людина великого таланту. Широта і багатство творчої фантазії поєднувалися у нього з логічною послідовністю і математичною точністю суджень. Це був справжній новатор в науці. Найбільш важливі і життєздатні дослідження Ціолковського відносяться до обгрунтування теорії реактивного руху. В останній чверті XIX і на початку XX століття Костянтин Едуардович створював нову науку, що визначає закони руху ракет, і розробляв перші конструкції для дослідження безмежних світових просторів реактивними приладами. Багато вчених вважали на той час реактивні двигуни і ракетну техніку справою безперспективною і нікчемним за свого практичного значення, а ракети - придатними лише для розважальних феєрверків і ілюмінацій.
Костянтин Едуардович Ціолковський народився 17 вересня 1857 року в старовинному російському селі Іжевському, розташованому в заплаві ГКІ, Спаського повіту, Рязанської губернії, в родині лісничого Едуарда Гнатовича Ціолковського. Про своїх батьків Ціолковський писав:
«Батько завжди був холодний, стриманий. Серед знайомих він мав славу розумною людиною і оратором. Серед чиновників-червоним і нетерпимим за своєю ідеальною чесності ... У нього була пристрасть до винахідництва та будівництва. Мене ще не було на світі, коли він придумав і влаштував молотарку. На жаль, невдало! Старші брати розповідали, що він будував з ними моделі будинків і палаців. Всякий фізична праця батько у нас заохочував, як і взагалі самодіяльність. Ми майже завжди все робили самі ... Мати була зовсім іншого характеру - натура сангвінічним, гарячка, реготуха, насмішниці і обдарована. У батька переважав характер, сила волі, у матері - талановитість »1.
Перші роки дитинства Костянтина Едуардовича були щасливими. Він був живим, розумною дитиною, заповзятливим і вразливим. Влітку хлопчик будував з друзями в лісі, курені любив лазити на паркани, дахи і дерева. Багато бігав, грав у м'яч, лапту, городки. Часто запускав змія і відправляв вгору по нитці «пошту» - коробочку з тарганом. Взимку з захопленням катався на ковзанах. Ціолковському було років вісім, коли мати подарувала йому крихітний повітряний "куля" (аеростат), видутих з коллодіума і наповнений воднем. Майбутній творець теорії суцільнометалевого дирижабля з задоволенням займався цією іграшкою. Згадуючи про роки дитинства, Ціолковський писав: «Я пристрасно любив читати і читав усе, що можна було дістати ... Любив мріяти і навіть платив молодшому братові за те, щоб він слухав мої брудні. Ми були маленькі, і мені хотілося, щоб і вдома, і люди, і тварини - все теж було маленьке. Потім я мріяв про фізичній силі. Я подумки високо стрибав, підіймався, як кішка, на жердини, по мотузках.
  На десятому році життя - на початку зими - Ціолковський, катаючись на санках, простудився і захворів на скарлатину. Хвороба була важкою, і внаслідок її ускладнення хлопчик майже зовсім втратив слух. Глухота не дозволила продовжувати навчання в школі. «Глухота робить мою біографію малоцікавою, - пише пізніше Ціолковський, - бо позбавляє мене спілкування з людьми, спостереження і запозичення. Моя біографія бідна особами і зіткненнями »З 11 до 14 років життя Ціолковського була« самим сумним, самим темним часом. «Я намагаюся, - пише К. Е. Ціолковський, - відновити його в пам'яті, але нічого зараз не можу більше згадати. Нема чим пом'янути цей час »2.
З 14 років Костянтин Едуардович почав займатися самостійно, користуючись невеликою бібліотекою свого батька, в якій були книги з природничих наук і з математики. Тоді ж у ньому пробуджується пристрасть до винахідництва. Він будує повітряні кулі з тонкою, цигаркового паперу, робить маленький токарний верстат і конструює коляску, яка повинна була рухатися за допомогою вітру. Модель коляски чудово вдалася і рухалася на даху по дошці навіть проти вітру! «Проблиски серйозного розумового свідомості, - пише Ціолковський про цей період свого життя, - проявилися при читанні. Так, років чотирнадцяти я хотів почитати арифметику, і мені здалося там все зовсім ясним і зрозумілим. З того часу я зрозумів, що книги річ нехитра і цілком мені доступна. Я почав розбирати з цікавістю та розумінням деякі батьківські книги з природничих та математичних наук ... Мене захоплює астролябія, вимірювання відстані до недоступних предметів, зняття планів, визначення висот. І я влаштовую астролябію - кутомір. За допомогою її, не виходячи з дому, визначаю відстань до пожежної каланчі. Знаходжу 400 аршин. Іду і перевіряю. Виявляється, вірно. З цього моменту я повірив теоретичному знанню! »3. Видатні здібності, схильність до самостійної роботи і безперечний талант винахідника змусили батьків К. Е. Ціолковського задуматися над його майбутньою професією і подальшим освітою. Костянтину Едуардовичу було 16 років, коли батько вирішив відправити його в Москву для знайомства з промисловістю та продовження самоосвіти. Один з кращих знавців біографії Ціолковського інженер Б. Н. Воробйов пише про майбутнє вченого: «Як і багато хлопців і дівчата, що стікав до столиці для отримання освіти, він був сповнений райдужних надій. Але ніхто й не думав звертати увагу на молодого провінціала, всіма силами прагнув до скарбниці знань. Важке матеріальне становище, глухота і практична непристосованість до життя найменше сприяли виявленню його талантів і здібностей »4.
З дому Ціолковський отримував 10-15 рублів на місяць. Харчувався одним чорним хлібом, не мав навіть картоплі та чаю. Зате купував книги, реторти, ртуть, сірчану кислоту та інше для найрізноманітніших дослідів і саморобних приладів. Я пам'ятаю добре, - пише Ціолковський у своїй автобіографії, - що, крім води і чорного хліба, у мене тоді нічого не було. Кожні три дні я ходив у булочну і купував там, на 9 копійок хліба. Таким чином, я проживав 90 копійок на місяць ... Все ж таки я був щасливий своїми ідеями, і чорний хліб мене аніскільки не засмучував »5.
 Крім дослідів з фізики та хімії, Ціолковський багато читав, він ретельно вивчав курси початкової і вищої математики, аналітіческойгеометріі.
Три роки жив Ціолковський в Москві. Повернувшись додому до батька, став давати приватні уроки з математики та фізики погано встигаючим гімназистам. Безперечні педагогічні здібності і гарні відгуки про ці приватні уроки вирішили питання про вибір професії. Восени 1878 року Костянтин Едуардович здав екстерном іспит на звання вчителя народного училища, а через чотири місяці був призначений на посаду вчителя арифметики і геометрії в Борівське повітове училище Калузької губернії.
За рекомендацією жителів Борівська Ціолковський «потрапив на хліба до одного вдівця з дочкою, що жив на околиці міста», Е. Н. Соколова. Ціолковському «здали дві кімнати і стіл із супу та каші». Дочка Соколова Варя була ровесницею Ціолковського - молодша за нього на два місяці. Її характер, працьовитість припали до душі Костянтину Едуардовичу, і він незабаром одружився на ній. «Вінчатися ми ходили за 4 версти пішки, не вбиралися. В церкву нікого не пускали. Повернулися - і ніхто про наш шлюб нічого не знав ... Пам'ятаю, у день вінчання купив у сусіда токарний верстат і різав скло для електричних машин. Все ж таки про весілля якось пронюхали музиканти. Насилу їх випровадили. Напився тільки вінчав поп. І те пригощав його не я, а господар ».
B своїй квартирі у Борівському Ціолковський влаштував маленьку лабораторію. У нього в будинку горіли електричні блискавки, гриміли громи, дзвонили дзвіночки, спалахували вогні, крутилися колеса і сяяли ілюмінації. «Я пропонував бажаючим спробувати ложкою невидимого варення. Спокусилися частуванням отримували електричний удар.
 Відвідувачі милувалися і дивились на електричного восьминога, який хапав всякого своїми лапами за ніс або за пальці, і тоді у що потрапив до нього в «лапи» волосся ставало дибки і вискакували з будь-якої частини тіла ».
1881 24-летнійЦіолковскійсамостоятельно розробив основи кінетичної теорії газів. Роботу він послав у Петербурзьке фізико-хімічне товариство, гдеона дістала схвалення провідних членів суспільства, в тому числі і геніального російського хімікаМенделеева. Однак важливі відкриття, зроблені Ціолковським в глухому провінційному містечку, не представляліновостідля науки: аналогічні відкриття були сделанинесколько раніше в Німеччині. За другу наукову роботу, названу «Механіка тваринного організму» 6, Ціолковського одноголосно обирають членом фізико-хімічного товариства. Цю моральну підтримку своімпервим науковим дослідженням Ціолковський згадував із вдячністю все життя. У передмові до другого видання своєї роботи «Просте вчення про повітряне кораблі і його побудові» Костянтин Едуардович писав: «Содержаніеетіх робіт декілька запізненням, тобто я зробив самостійно відкриття, вже зроблені раніше іншими. Темнеменее, суспільство поставилося до мене з большімвніманіем, ніж підтримало мої сили. Можливо, воно й забуло мене, але я не забув р.р. Боргмана, Менделєєва, Фан-дер-Фліт, Пелурушевского, Бобильова та особливо Сеченова »7. У 1883 році Костянтин Едуардович написав у формі наукового щоденника роботу «Вільний простір», в якій він піддав систематичного ізученіюряда завдань класичної механіки в просторі без дії сили тяжіння і сил опору. У цьому випадку основні характеристики руху тіл визначаються тільки силами взаємодії між тілами данноймеханіческой системи та особливе значення для кількісних висновків набувають закони збереження основних динамічних величин: кількості руху, моменту кількості руху та кінетичної енергії. Ціолковскійбил глибоко принциповий у своїх творчих пошуках, а егоуменіесамостоятельноработать над научниміпроблемамі - чудовий приклад для всехначінающіх. Егопервиешагівнауке, зроблені в труднейшіхусловіях, - це шагібольшого майстри, революціонногоноваторства, зачінателянових напрямків у наукеітехніке.

3. РАБОТИПО ВОЗДУХОПЛАВАНІЮІ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ аеродинаміки.

Результатом дослідницької роботи Ціолковського було об'ємні твір «Теорія та досвід аеростата». У цьому творі давалося науково-технічне обгрунтування створення конструкції дирижабля з металевою оболонкою. Ціолковським були розроблені креслення загальних видів дирижабля і деяких важливих вузлів конструкції.
Дирижабль Ціолковського мав наступні характерні особливості. По - перше, це билдіріжабль змінного об'єму, що дозволяло зберігати постійну підйомну силу при різних температурах навколишнього повітря і різних висотах польоту. Можливість зміни обсягу конструктивно досягалася за допомогою особливої стягує системи і гофрованих боковин (рис. 1)
 По - друге, газ, що наповнює дирижабль, можна було підігрівати шляхом пропускання по змійовика відпрацьованих газів двигунів. Третя особливість конструкції полягала в тому, що тонка металева оболонка для збільшення міцності і стійкості була гофрованого, причому хвилі гофра розташовувалися перпендикулярно осі дирижабля. Вибір геометричної форми дирижабля і розрахунок міцності його тонкої оболонки були вирішені Ціолковським вперше.
Цей проект дирижабля Ціолковського не одержав визнання. Офіційна організація царської Росії з проблем повітроплавання - VII повітроплавний відділення Російського технічного товариства - знайшла, що проект суцільнометалевого дирижабля, здатного змінювати свій об'єм, не може мати великого практичного значення і дирижаблі «вічно будуть іграшкою вітрів». Тому авторові було відмовлено навіть у субсидії на побудову моделі. Звернення Ціолковського в Генеральний штаб армії також не мали успіху. Друкований працю (1892 р.) Ціолковського «Аеростат металевий керований» отримав кілька співчутливих відгуків, і цим справа обмежилася.
Ціолковському належить прогресивна ідея побудови суцільнометалевого аероплана.
У статті 1894 «Аероплан або птіцеподобная (авіаційна) літальна машина», опублікованій в журналі «Наука и жизнь» 8, дано опис, розрахунки та креслення моноплана з свободнонесущім, безрасчалочним крилом. На противагу закордонним винахідникам і конструкторам, розробляв в ті роки апарати з махають крилами, Ціолковський вказував, що «наслідування птиці в технічному відношенні дуже важко внаслідок складності руху крил і хвоста, а також внаслідок складності пристрою цих органів».
Аероплан Ціолковського (мал. 2) має форму «застиглої паряться птиці, але замість голови її уявімо два гребних гвинта, що обертаються в зворотні сторони ... М'язи тварини ми замінимо вибуховими нейтральними двигунами. Вони не вимагають великого запасу палива (бензину) та не потребують важких паровика і великі запаси води. ... Замість хвоста влаштуємо подвійний кермо - з вертикальної і горизонтальної площини. ... Подвійний кермо, подвійний гвинт і нерухомість крил придумані нами не заради вигоди і економії роботи, а єдино ради виконані конструкції ».
У суцільнометалевому аероплані Ціолковського крила вже мають товстий профіль, а фюзеляж - обтічної форми. Дуже цікаво, що Ціолковський вперше в історії розвитку літакобудування особливо наголошує на необхідності поліпшення обтічності аероплана для отримання великих швидкостей. Конструктивні обриси аероплана Ціолковського були незрівнянно більш досконалими, ніж пізніші конструкції братів Райт, Сантос-Дюмон, Вуазен та інших винахідників. Для виправдання своїх розрахунків Ціолковський писав: «При отриманні цих чисел я прийняв найсприятливіші, ідеальні умови опору корпусу і крил; в моєму аероплані немає видатних частин, крім крил; все закрито загальної плавної оболонкою, навіть пасажири».
Ціолковський добре передбачає значення бензинових (або нафтових) двигунів внутрішнього згоряння. Ось його слова, що показують повне розуміння прагнень технічного прогресу: «Проте у мене є теоретичні підстави вірити в можливість побудови надзвичайно легенів і в той же час сильних бензинових чи нафтових двигунів, цілком відповідають завданню літання». Костянтин Едуардович передбачав, що з часом маленький аероплан буде успішно конкурувати з автомобілем.
Розробка суцільнометалевого свободнонесущего моноплана з товстим зігнутим крилом є найбільша заслуга Ціолковського перед авіацією. Він перший досліджував цю найбільш поширену в наші дні схему аероплана. Але ідея Ціолковського про будівництво пасажирського аероплана також не отримала визнання в царській Росії. На подальші дослідження по аероплані не було ні коштів, ні навіть м?? ральний підтримки.
Про цей період свого життя вчений писав з гіркотою: «При своїх дослідах я зробив багато-багато нових висновків, але нові висновки зустрічаються вченими недовірливо. Ці висновки можуть підтвердитися повторенням моїх праць яких-небудь експериментом, але коли ж це буде? Важко працювати поодинці багато років при несприятливих умовах і не бачити нізвідки ні просвітку, ні підтримки ».
Над розробкою своїх ідей про створення суцільнометалевого дирижабля й добре обтічного моноплана вчений працював майже весь час з 1885 по 1898 рік. Ці науково-технічні винаходи наштовхнули Ціолковського на ряд найважливіших відкриттів. В області дирижаблебудування він висунув низку абсолютно нових положень. Власне кажучи, він був зачинателем теорії металевих керованих аеростатів. Його технічна інтуїція значно випередила рівень промислового розвитку 90-х років минулого століття.
Його технічна інтуїція значно випередила рівень промислового розвитку 90-х років минулого століття. Доцільність своїх пропозицій він обгрунтував докладними обчисленнями і схемами. Здійснення суцільнометалевого повітряного корабля, як одна велика і нова технічна проблема, зачіпало широкий комплекс абсолютно не розроблених в науці і техніці завдань. Вирішити їх одній людині було, звичайно, неможливо. Адже тут були і питання аеродинаміки, і питання стійкості гофрованих оболонок, і завдання міцності, газонепроніцаемості, і завдання герметичній пайки металевих листів і т. д. Зараз доводиться дивуватися, як далеко вдалося просунути Ціолковському, крім загальної ідеї, окремі технічні і наукові питання.
Костянтин Едуардович розробив метод так званих гідростатичних випробувань дирижаблів. Для визначення міцності тонких оболонок, якими є оболонки суцільнометалевих дирижаблів, він рекомендував наповнювати їх дослідні моделі водою. Цей метод застосовується зараз в усьому світі для перевірки міцності і стійкості тонкостінних судин і оболонок. Ціолковський також створив прилад, що дозволяє точно, графічно визначити форму перетину оболонки дирижабля при заданому сверхдавленіі. Однак неймовірно важкі умови життя і роботи, відсутність колективу учнів і послідовників змусили вченого в багатьох випадках обмежитися, по суті, лише формулюванням проблем.
Роботи Костянтина Едуардовича з теоретичної та експериментальної аеродинаміки, безсумнівно, обумовлені необхідністю дати аеродинамічний розрахунок льотних характеристик дирижабля й аероплана.
Ціолковський був справжнім вченим-натуралістом. Спостереження, мрії, обчислення і роздуми поєднувалися у нього з постановкою дослідів і моделюванням.
У 1890-1891 роках він пише роботу «До питання про літання допомогою крил. Витяг з цього рукопису, опублікована за сприяння знаменитого фізика професора Московського університету А. Г. Столєтова в працях Товариства любителів природознавства в 1891 році, стала першою друкованою роботою Ціолковського. Він був сповнений ідей, дуже діяльний і енергійний, хоча зовні здавався спокійним і врівноваженим. Вище середнього зросту, з довгим чорним волоссям і чорними трохи сумними очима, він був незграбний і сором'язливий в суспільстві. У нього було не багато друзів. У Борівському Костянтин Едуардович близько зійшовся з колегою по школі Е. С. Єремєєвим, в Калузі йому багато допомагали В. І. Ассонов, П. П. Каннинг і С. В. Щербаков. Однак при захисті своїх ідей він був рішучий і наполегливий, мало рахуючись з пересудами колег і обивателів.
Зима. Здивовані Борівський жителі бачать, як на ковзанах по замерзлій річці мчить учитель повітового училища Ціолковський. Він скористався сильним вітром і, розпустивши парасольку, котиться зі швидкістю кур'єрського потягу, їх вабить силою вітру. «Завжди я що-небудь затівав. Задумав я зробити сани з колесом так, щоб всі сиділи і хитали важелі. Сани повинні були мчати по льоду ... Потім я замінив цю споруду особливим вітрильним кріслом. По річці їздили селяни. Коні лякалися мчить вітрила, проїжджі лаялися. Але, за глухоти, я довго про це не здогадувався. Потім вже, побачивши коня, заздалегідь поспішно знімав вітрило ».
Майже всі товариші по службі по школі і представники місцевої інтелігенції вважали Ціолковського невиправним фантазером і утопістом. Більш злі люди називали його дилетантом і кустарем. Ідеї Ціолковського здавалися обивателям неймовірними. «Він думає, що залізна куля підніметься в повітря і полетить. От дивак! »Учений завжди був зайнятий, завжди працював. Якщо не читав і не писав, то працював на токарному верстаті, паял, стругав, майстрував для своїх учнів багато діючих моделей. «Зробив величезний повітряна куля ... з паперу. Спирту дістати не зміг. Тому внизу кулі пристосував сітку з тонкого дроту, на яку клав кілька негайних лучінок. М'яч, який мав іноді химерну форму, піднімався вгору, наскільки дозволяла прив'язана до нього нитка. Одного разу нитка перегоріла, і куля мій помчав у місто, кидаючи іскри і палаючу лучину! Потрапив на дах шевця. Швець заарестовал куля ».
Обивателі дивилися на всі досліди Ціолковського, як на курйози і пустощі, багато хто, не роздумуючи, вважали його диваком і «трошки зворушеним». Потрібні були дивовижна енергія і наполегливість, величезна віра в шляху прогресу техніки, щоб в такому оточенні і у важких, майже жебрацьких умовах щодня працювати, винаходити, обчислювати, рухаючись все вперед і вперед.

4. Реактивного руху

«Практіческіеделаделаются толькоісходяіз загальних засад, толькопрізнакомствесабстрактамі, до них належать». (Д. І. Менделєєв)


Серед великих технічних і наукових досягнень XX століття одне з перших місць, поза сумнівом, належить ракет і теорії реактивного руху. Роки другої світової війни (1941 -1945) призвели до надзвичайно швидкому вдосконаленню конструкцій реактивних апаратів. На полях битв знову з'явилися порохові ракети, але вже на більш калорійної бездимному тротил - піроксиліновий порох ( «катюші»). Були створені літаки з повітряно-реактивних двигунів, що безпілотні літаки з пульсуючими повітряно-реактивними двигунами (Фау-1) та балістичні ракети з дальністю польоту до 300 км (Фау-2).
Ракетна техніка стає зараз дуже важлива і швидко зростаючою галуззю промисловості. Розвиток теорії польоту реактивних апаратів - одне з нагальних проблем сучасного науково-технічного розвитку.
К. Е. Ціолковський багато зробив для пізнання основ теорії руху ракет. Він був першим в історії науки, хто сформулював і досліджував проблему вивчення прямолінійних рухів ракет, виходячи із законів теоретичної механіки.
Найпростіший реактивний двигун на рідкому паливі (рис. 3) являє собою камеру, схожу за формою на горщик, у якому жителі сільських місцевостей зберігають молоко. Через форсунки, розташовані на днищі цього горщика, відбувається подача рідкого пального та окислювача в камеру горіння. Подача компонентів палива розраховується таким чином, щоб забезпечити повне згоряння. У камері згоряння (мал. 3) відбувається займання палива, і продукти горіння - гарячі гази - з великою швидкістю викидаються через спеціально профільоване сопло. Окислювач і пальне зберігаються у спеціальних баках, які розташовуються на ракеті або літаку. Для подачі окислювача і пального в камеру згоряння застосовують турбонасос або видавлюють їх стисненим нейтральним газом (наприклад, азотом). На рис. 4 наведена малюнок реактивного двигуна німецької ракети Фау-2.
Струмінь гарячих газів, що викидається з сопла реактивного двигуна, створює реактивну силу, що діє на ракету в бік, протилежний скоростічастіц струменя. Величина реактивної сили дорівнює добутку маси відкидає в одну секунду газів наотносітельную швидкість. Якщо швидкість вимірювати в метрах в секунду, а масу секундного витрати через вага часток у кілограмах, разделеннихнаускореніесіли тяжкості, то реактивна сила буде виходити в кілограмах. Візьмемо, наприклад, реактивний двигун, в якому кожну секунду згорає 4,9 кг палива. Нехай відносна швидкість відкидаємо часток (продуктів згоряння) буде, тоді реактивна сила, яку позначимо через, буде дорівнює

У німецької ракети Фау-2 ваговій секундний витрата складає в середньому 127,4 кг. Швидкість закінчення продуктів згоряння з сопла двигуна дорівнює 2000 м/сек. Реактивна сила в цьому випадку дорівнює

Наведені приклади показують, що реактивна сила тим більше, чим більше секундний витрата палива і чим більше відносна швидкість відкидання частинок.
У деяких випадках для спалювання пального в камері реактивного двигуна доводиться забирати повітря з атмосфери. Тоді в процесі руху реактивного апарата відбувається приєднання частинок повітря і викидання нагрітих газів. Ми отримуємо так званий повітряно? реактивний двигун. Найпростішим прикладом повітряно? реактивного двигуна буде звичайна трубка, відкрита з обох кінців, всередині якої поміщений вентилятор. Якщо змусити вентилятор працювати, то він буде засмоктувати повітря з одного кінця трубки і викидати його через інший кінець. Якщо в трубку, у простір за вентилятором, впорснути бензини підпалити, то швидкість виходять з трубки гарячих газів буде значно більше, ніж вхідних, і трубка отримає тягу в сторону, протилежну струмені вибрасиваемихіз неї газів. Роблячи поперечний переріз трубки (радіус трубки) змінним, можна відповідним підбором цих перерізів по довжині трубки досягти дуже великих швидкостей закінчення викидаються газів. Щоб не возити з собою двигун для обертання вентилятора, можна змусити струмінь поточних по трубці газів вращатьегос потрібною кількістю обертів. Деякі труднощі будуть виникати тільки при запуску такого двигуна. Найпростіша схема повітряно-реактивного двигуна була запропонована ще в 1887 році росіянином інженером Гешвендом. Ідея використання повітряно-реактивного двигуна для сучасних типів літаків була дуже ретельно самостійно розроблена К. Е. Ціолковського. Він дав першу в світі розрахунки літака з повітряно-реактивним двигуном і турбокомпресорного гвинтовим двигуном. На рис. 5 дана схема прямоточного повітряно-реактивного двигуна, у якого рух частинок повітря по осі труби створюється за рахунок початкової швидкості, отриманої ракетою від будь-якого іншого двигуна, а подальший рух підтримується за рахунок реактивної сили, зумовленої збільшеною швидкістю покидька часток в порівнянні зі швидкістю що входять частинок.
Енергія руху повітряного реактивного двигуна виходить за рахунок спалювання пального, так само як і в простій ракеті. Таким чином, джерелом руху будь-якого реактивного апарата є запасені в цьому апараті енергія, яку можна перетворити на механічний рух викидаються з апарату з великою швидкістю частинок речовини. Як тільки буде створено викидання таких часток з апарату, він отримує рух в сторону, протилежну струмені вивергають частинок.
Спрямована відповідним чином струмінь викидаються часток - основне в конструкціях всіх реактивних апаратів. Методи отримання потужних потоків вивергають частинок дуже різноманітні. Проблема отримання потоків відкидаємо часток найпростішим і найбільш економічним способом, розробка методів регулювання таких потоків - важливе завдання винахідників і конструкторів.
Якщо розглянути рух найпростішої ракети, то легко зрозуміти, що її вага змінюється, тому що частина маси ракети згорає і відкидається з плином часу. Ракета являє собою тіло змінної маси. Теорія руху тіл змінної маси створена в кінці XIX століття у нас в Росії І. В. Мещерських і К. Е. Ціолковським.
Чудові роботи Мещерського і Ціолковського чудово доповнюють один одного. Вивчення прямолінійних рухів ракет, проведене Ціолковським, істотно збагатило теорію руху тіл змінної маси завдяки постановці зовсім нових проблем. На жаль, роботи Мещерського не були відомі Ціолковському, і він у ряді випадків повторював у своїх роботах більш ранні результати Мещерського.
Вивчення руху реактивних апаратів представляє великі труднощі, тому що під час руху вага будь-якого реактивного апарата значно змінюється. Вже зараз існують ракети, у яких під час роботи двигуна вага зменшується в 8-10 разів. Зміна ваги ракети в процесі руху не дозволяє використовувати безпосередньо ті формули і висновки, які отримані в класичній механіці, яка є теоретичною базою розрахунків руху тіл, вага яких постійний під час руху.
Відомо також, що в тих завданнях техніки, де проходило мати справу з рухом тел змінного ваги (наприклад, у літаків з великими запасами пального), завжди передбачалося, що траєкторію руху можна розділити на ділянки і вважати на кожній окремій ділянці вага рухомого тіла постійним. Таким прийомом важку задачуізученія двіженіятелапеременной маси замінювали більш простий і вже вивченої завданням про рух тіла постійної маси. Вивчення руху ракет як тел змінної маси було поставлено на твердий науковий грунт К. Е. Ціолковського. Ми називаємо тепер теорію польоту ракет ракетодинаміку. Ціолковський є основоположником сучасної ракетодинаміки. Опубліковані праці К. Е. Ціолковського по ракетодинаміку дозволяють встановити послідовний розвиток його ідей в цій новій галузі людського знання. Які ж основні закони, що керують рухом тел змінної маси? Як рассчітиватьскоростьполета реактивного апарата? Як знайти висоту польоту ракети, випущеної вертикально? Як вибратися на реактивному приладі за межі атмосфери - пробити «панцир» атмосфери? Як подолати тяжіння землі - пробити «панцир» тяжіння? Ось деякі з питань, розглянутих і вирішених Ціолковським.
На наш погляд, найбільш дорогоцінної ідеєю Ціолковського в теорії ракет є додавання до класичної механіки Ньютона нового розділу - механіки тел змінної маси. Зробити подвластнойчеловеческому розуму нову велику групу явищ, пояснити те, що бачив багато хто, але не розуміли, дати людству нове потужне знаряддя технічних перетворень - ось ті завдання, які ставив перед собою геніальний Ціолковський. Весь талант дослідника, вся оригінальність, творча самобутність і надзвичайний зліт фантазії з особливою силою і продуктивністю виявилися в його роботах по реактивному руху. Він на десятиліття вперед передбачив шляху розвитку реактивних апаратів. Він розглянув ті зміни, яким должнабилаподвергнуться звичайна фейєрверочних ракета, щоб стати потужним знаряддям технічного прогресу в новій галузі людського знання.
В одній зі своїх робіт (1911 р.) Ціолковський висловив глибоку думку про найпростіші застосуваннях ракет, які були відомі людям дуже давно. «Такі жалюгідні реактивні явища ми звичайно і спостерігаємо на землі. Ось чому вони нікого не могли заохотити до мрій та досліджень. Лише розум і наука могли вказати на перетворення цих явищ в грандіозні, майже незбагненні почуття »9.
При польоті ракети на порівняно невеликих висотах на неї будуть діяти три основні сили: сила тяжіння (сила ньютонівського тяжіння), сила аеродинамічна, обумовлена наявністю атмосфери (зазвичай цю силу розкладають на дві: підйомну і лобового опору), і реактивна сила, зумовлена процесом відкидання частинок з сопла реактивного двигуна. Якщо враховувати всі зазначені сили, то задача вивчення руху ракетиполучается досить сложной.Естественно тому розпочати теорію польоту ракети з найпростіших випадків, коли деякими з сил можна знехтувати. Ціолковський у своїй роботі 1903 перш за все досліджував, які возможностізаключает всебе реактивний принцип створення механічного руху, не зважаючи на дії аеродинамічній сили та сили тяжіння. Такий випадок руху ракети може бути при міжзоряних перельоти, коли силами тяжіння планет солнечнойсістеми і зірок можна нехтувати (ракета знаходиться досить далеко і від сонячної системи і від зірок - у «вільному просторі» - по термінологііЦіолковского). Це завдання називають зараз першим завданням Ціолковського. Рух ракети в цьому випадку зумовлена лише реактивної силою. При математичної формулюванні задачі Ціолковський вводить припущення про постійність відносної швидкості покидька частіц.Прі польоті в порожнечі це припущення означає, що реактивний двигун працює при сталому режимі і скоростіістекающіх часток у вихідному перерізі сопла не залежать від закону руху ракети.
Ось як обгрунтовує цю гіпотезу Костянтин Едуардович у своїй роботі «Дослідження світових просторів реактивними приладами». «Щоб снаряд отримав найбільшу швидкість, треба, щоб кожна частка продуктів горіння чи іншого покидька отримала найбільшу відносну швидкість. Вона ж постійна для певних речовин покидька. ... Економія енергії тут не повинна мати місця: вона неможлива й невигідна. Іншими словами: в основу теорії ракети треба прийняти постійну відносну швидкість часток покидька ».
Ціолковський складає і докладно досліджує рівняння руху ракети при постійній швидкості частинок покидька і отримує вельми важливий математичний результат, відомий зараз як формула Ціолковського.
Якщо позначити буквою швидкість ракети в момент, коли її маса дорівнює а через позначити постійну швидкість відкидаємо з сопла двигуна частинок, то формула Ціолковського буде мати такий вигляд:

де - маса ракети в момент старту, коли її швидкість дорівнює нулю; - знак десяткового логарифма.
Ділянка польоту ракети при працюючому двигуні називають активним ділянкою польоту. Швидкість ракети наприкінці активної ділянки буде найбільшою. Якщо маса ракети при повністю витраченого палива буде дорівнює, а найбільша швидкість, то з формули Ціолковського випливає, що

Нехай відношення початкової маси (ваги) ракети до масі (вазі) в кінці горіння дорівнює 10 і хай відносна швидкість відкидаємо частинок дорівнює, тоді максимальна швидкість ракети буде дорівнює

З формули Ціолковського для максимальної швидкості випливає, що:
а). Швидкість руху ракети в кінці роботи двигуна (наприкінці активної ділянки польоту) буде тим більше, чим більше відносна швидкість відкидаємо частинок. Якщо відносна швидкість витікання подвоюється, то і швидкість ракети зростає в два рази.
б). Швидкість ракети наприкінці активної ділянки зростає, якщо збільшується відношення початкової маси (ваги) ракети до масі (вазі) ракети в кінці горіння. Однак тут залежність більш складна, вона дається наступною теоремою Ціолковського:
«Коли маса ракети плюс маса вибухових речовин, що є в реактивному приладі, зростає в геометричній прогресії, то швидкість ракети збільшується в арифметичній прогресії». Цей закон можна висловити двома рядами чисел:

«Нехай, наприклад, - пише Ціолковський, - що маса ракети і вибухових речовин становить 8 одиниць. Я відкидаю чотири одиниці і отримую швидкість, яку ми приймемо за одиницю. Потім я відкидаю дві одиниці вибухової матеріалу і отримую ще одиницю швидкості; нарешті відкидаю останню одиницю маси вибухових речовин і отримую ще одиницю швидкості; всього 3 одиниці з