Автор работы: Пользователь скрыл имя, 11 Августа 2015 в 16:14, реферат
Работы К. Э. Циолковского по ракетодинамике и теории межпланетных сообщений были первыми серьезными изысканиями в мировой научно-технической литературе. В этих исследованиях математические формулы и расчеты не затеняют глубоких и ясных идей, сформулированных оригинально и четко. Более полувека прошло со дня опубликования первых статей Циолковского по теории реактивного движения. Строгий и беспощадный судья – время – лишь выявляет и подчеркивает грандиозность замыслов, своеобразие творчества и высокую мудрость проникновения в сущность новых закономерностей явлений природы, которые свойственны этим произведениям Константина Эдуардовича Циолковского.
|
Рис. 2. Схематическое изображение
самолета 1895 г.,
сделанное К. Э. Циолковским.
Верхний рисунок дает
на основе чертежей изобретателя
общее представление
о внешнем виде самолета
В цельнометаллическом аэроплане
Циолковского крылья уже имеют толстый
профиль, а фюзеляж – обтекаемую форму.
Весьма интересно, что Циолковский впервые
в истории развития самолетостроения особенно
подчеркивает необходимость улучшения
обтекаемости аэроплана для получения
больших скоростей. Конструктивные очертания
аэроплана Циолковского были несравненно
более совершенными, нежели более поздние
конструкции братьев Райт, Сантос-Дюмона,
Вуазена и других изобретателей. Для оправдания
своих расчетов Циолковский писал: «При получении этих чисел я принял
самые благоприятные, идеальные условия
сопротивления корпуса и крыльев; в моем
аэроплане нет выдающихся частей, кроме
крыльев; все закрыто общей плавной оболочкой,
даже пассажиры».
Циолковский хорошо предвидит значение
бензиновых (или нефтяных) двигателей внутреннего
сгорания. Вот его слова, показывающие полное
понимание устремлений технического прогресса: «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». Константин Эдуардович
предсказывал, что со временем маленький
аэроплан будет успешно конкурировать
с автомобилем.
Разработка цельнометаллического свободнонесущего
моноплана с толстым изогнутым крылом
есть крупнейшая заслуга Циолковского
перед авиацией. Он первый исследовал эту наиболее
распространенную в наши дни схему аэроплана.
Но идея Циолковского о постройке пассажирского
аэроплана также не получила признания
в царской России. На дальнейшие изыскания
по аэроплану не было ни средств, ни даже
моральной поддержки.
Об этом периоде своей жизни ученый писал
с горечью: «При своих опытах я сделал много-много
новых выводов, но новые выводы встречаются
учеными недоверчиво. Эти выводы могут
подтвердиться повторением моих трудов
каким-нибудь экспериментом, но когда же
это будет? Тяжело работать в одиночку многие
годы при неблагоприятных условиях и не видеть
ниоткуда ни просвета, ни поддержки».
Над разработкой своих идей о создании
цельнометаллического дирижабля и хорошо
обтекаемого моноплана ученый работал
почти все время с 1885 по 1898 год. Эти научно-технические
изобретения натолкнули Циолковского
на ряд важнейших открытий. В области дирижаблестроения
он выдвинул ряд совершенно новых положений.
В сущности, говоря, он был зачинателем теории
металлических управляемых аэростатов.
Его техническая интуиция значительно
опередила уровень промышленного развития
90-х годов прошлого столетия.
Целесообразность своих предложений он обосновал
подробными вычислениями и схемами. Осуществление
цельнометаллического воздушного корабля,
как всякая большая и новая техническая
проблема, затрагивало широкий комплекс
совершенно не разработанных в науке и технике
задач. Решить их одному человеку было,
конечно, невозможно. Ведь здесь были и вопросы
аэродинамики, и вопросы устойчивости
гофрированных оболочек, и задачи прочности,
газонепроницаемости, и задачи герметической
пайки металлических листов и т. д. Сейчас
приходится изумляться, как далеко удалось
продвинуть Циолковскому, кроме общей
идеи, отдельные технические и научные
вопросы.
Константин Эдуардович разработал метод
так называемых гидростатических испытаний
дирижаблей. Для определения прочности
тонких оболочек, какими являются оболочки
цельнометаллических дирижаблей, он рекомендовал
наполнять их опытные модели водой. Этот
метод применяется сейчас во всем мире
для проверки прочности и устойчивости
тонкостенных сосудов и оболочек. Циолковский
также создал прибор, позволяющий точно,
графически определить форму сечения
оболочки дирижабля при заданном сверхдавлении.
Однако невероятно тяжелые условия жизни
и работы, отсутствие коллектива учеников
и последователей заставили ученого во многих
случаях ограничиться, в сущности, только
формулировкой проблем.
Работы Константина Эдуардовича по теоретической
и экспериментальной аэродинамике, несомненно,
обусловлены необходимостью дать аэродинамический
расчет летных характеристик дирижабля
и аэроплана.
Циолковский был настоящим ученым-естествоиспытателем.
Наблюдения, мечты, вычисления и размышления
соединялись у него с постановкой опытов
и моделированием.
В 1890-1891 годах он пишет работу «К вопросу о летании посредством
крыльев». Выдержка из этой рукописи,
опубликованная при содействии знаменитого
физика профессора Московского университета
А. Г. Столетова в трудах Общества любителей
естествознания в 1891 году, явилась первой
напечатанной работой Циолковского. Он был полон
идей, весьма деятелен и энергичен, хотя
внешне казался спокойным и уравновешенным.
Выше среднего роста, с длинными черными
волосами и черными немного печальными
глазами, он был неловок и застенчив в обществе.
У него было немного друзей. В Боровске
Константин Эдуардович близко сошелся
с коллегой по школе Е. С. Еремеевым, в Калуге
ему много помогали В. И. Ассонов, П. П. Каннинг
и С. В. Щербаков. Однако при защите своих
идей он был решителен и настойчив, мало
считаясь с пересудами коллег и обывателей.
…Зима. Изумленные боровские жители видят,
как на коньках по замерзшей реке мчится
учитель уездного училища Циолковский.
Он воспользовался сильным ветром и, распустив
зонт, катится со скоростью курьерского
поезда, влекомый силой ветра. «Всегда я что-нибудь затевал. Вздумал
я сделать сани с колесом так, чтобы все сидели
и качали рычаги. Сани должны были мчаться
по льду… Потом я заменил это сооружение
особым парусным креслом. По реке ездили
крестьяне. Лошади пугались мчащегося
паруса, проезжие ругались. Но, по глухоте,
я долго об этом не догадывался. Потом уже,
завидя лошадь, заранее поспешно снимал
парус».
Почти все сослуживцы по школе и представители
местной интеллигенции считали Циолковского
неисправимым фантазером и утопистом.
Более злые люди называли его дилетантом
и кустарем. Идеи Циолковского казались
обывателям невероятными. «Он думает, что железный шар поднимется
в воздух и полетит. Вот чудак!» Ученый всегда
был занят, всегда трудился. Если не читал
и не писал, то работал на токарном станке,
паял, строгал, мастерил для своих учеников
много действующих моделей. «Сделалогромный воздушный
шар… из бумаги. Спирта достать не смог.
Поэтому внизу шара приспособил сетку
из тонкой проволоки, на которую клал несколько
горящих лучинок. Шар, имевший иногда причудливую
форму, поднимался вверх, насколько позволяла
привязанная к нему нитка. Однажды нитка
перегорела, и шар мой умчался в город, роняя
искры и горящую лучину! Попал на крышу
сапожнику. Сапожник заарестовал шар».
Обыватели смотрели на все опыты Циолковского,
как на курьезы и баловство, многие, не размышляя,
считали его чудаком и «немножкотронутым». Нужны были
изумительная энергия и настойчивость,
величайшая вера в пути прогресса техники,
чтобы в таком окружении и в тяжелых, почти
нищенских условиях ежедневно работать,
изобретать, вычислять, двигаясь все вперед
и вперед.
27 января 1892 года директор народных училищ
Д. С. Унковский обратился к попечителю
Московского учебного округа с просьбой
перевести«одного из
Из воспоминаний Любови Константиновны,
дочери учёного: «Стемнело, когда мы въехали
в Калугу. После пустынной дороги было
приятно смотреть на мелькавшие огоньки
и людей. Город нам показался огромным…
В Калуге было много мощёных улиц, высоких
домов и лился звон множества колоколов.
В Калуге с монастырями насчитывалось 40 церквей.
Жителей числилось 50 тысяч».
В Калуге Циолковский прожил всю оставшуюся
жизнь. С 1892 года работал преподавателем
арифметики и геометрии в Калужском уездном
училище. С 1899 года вёл уроки физики в епархиальном
женском училище, расформированном после
Октябрьской революции. В Калуге Циолковский
написал свои главные труды по космонавтике,
теории реактивного движения, космической
биологии и медицине. Также им была продолжена
работа над теорией металлического дирижабля.
После завершения преподавания, в 1921 году,
Циолковскому была назначена персональная
пожизненная пенсия. С этого момента и до самой
своей смерти Циолковский занимался исключительно
своими исследованиями, распространением
своих идей, реализацией проектов.
В Калуге были написаны основные философские
работы К. Э. Циолковского, сформулирована
философия монизма, написаны статьи о видении
им идеального общества будущего.
В Калуге у Циолковских родились сын и две дочери.
В то же время именно здесь Циолковским
пришлось пережить трагическую смерть
многих своих детей: из семи детей К. Э.
Циолковского пятеро умерли ещё при его жизни.
В Калуге Циолковский познакомился с учёными
А. Л. Чижевским и Я. И. Перельманом, ставшими
его друзьями и популяризаторами его идей,
а позднее и биографами.
В Калугу семья Циолковских прибыла 4 февраля,
поселилась в квартире в доме Н. И. Тимашовой
на Георгиевской улице, заблаговременно
снятой для них Е. С. Еремеевым. Константин
Эдуардович стал преподавать арифметику
и геометрию в Калужском уездном училище.
Вскоре после приезда Циолковский познакомился
с Василием Ассоновым, податным инспектором,
человеком образованным, прогрессивным,
разносторонним, увлекающимся математикой,
механикой и живописью. Прочитав первую
часть книги Циолковского «Аэростат металли
8 августа 1892 года у Циолковских
родился сын Леонтий, умерший от коклюша ровно через год, в первый день
своего рождения. В это время в училище были
каникулы, и Циолковский всё лето находился
в имении Сокольники Малоярославецкого
уезда у своего давнего знакомого Д. Я.
Курносова (предводителя боровс
Ассонов познакомил Циолковского с председателем
Нижегородского кружка любителей физики
и астрономии С. В. Щербаковым. В 6-ом выпуске
сборника кружка была напечатана статья
Циолковского «Тяготение как главнейший источник
мировой энергии» (1893), развивающая идеи ранней
работы «Продолжительность луче
В феврале 1894 года Циолковский написал
работу «Аэроплан или птицеподобная (авиационная) машина», продолжающую тему, начатую
в статье «К вопросу о летании посредством
крыльев» (1891). В ней, кроме прочего, Циолковский
привёл схему сконструированных им аэродинамических
весов. Действующая модель «вертушки» демонстрировалась
Н. Е. Жуковским в Москве, на проходившей
в январе этого года Механической выставке.
Примерно в то же время Циолковский сошёлся
с семьёй Гончаровых. Оценщик Калужского
банка Александр Николаевич Гончаров,
племянник знаменитого писателя И. А. Гончарова,
был всесторонне образованным человеком,
знал несколько языков, переписывался
со многими видными литераторами и общественными
деятелями, сам регулярно издавал свои
художественные произведения, посвящённые,
в основном, теме упадка и вырождения русского
дворянства. Гончаров решил поддержать
издание новой книги Циолковского – сборника
очерков «Грёзы о земле и небе»(1894), второго его художественного
произведения, в то время как жена Гончарова,
Елизавета Александровна, выполнила перевод
статьи«Железный управляемый аэростат на 200 человек,
длиною с большой морской пароход» на французский и немецкий языки
и разослала их в иностранные журналы. Однако,
когда Константин Эдуардович захотел
отблагодарить Гончарова и без его ведома
разместил на обложке книги надпись Издание А. Н. Гончарова, это привело к скандалу и разрыву
отношений между Циолковскими и Гончаровыми.
30 сентября 1894 года у Циолковских родилась
дочь Мария.
В Калуге Циолковский также не забывал
о науке, об астронавтике и аэронавтике.
Он построил специальную установку, которая
позволяла измерять некоторые аэродинамические
показатели летательных аппаратов. Поскольку
Физико-химическое общество не выделило
ни копейки на его эксперименты, ученому
пришлось использовать семейные средства
для проведения исследований. К слову, Циолковский
на свои средства построил более 100 экспериментальных
моделей и протестировал их. Через некоторое
время общество все таки обратило внимание
на калужского гения и выделило ему финансовую
поддержку – 470 рублей, на которые Циолковский
построил новую, усовершенствованную
установку –«воздуходувку».
Изучение аэродинамических свойств тел различной
формы и возможных схем воздушных летательных
аппаратов постепенно привело Циолковского
к размышлениям о вариантах полёта в безвоздушном
пространстве и о покорении космоса. В 1895
году была опубликована его книга «Грезыо земле и небе», а через год вышла статья о других
мирах, разумных существах с других планет
и об общении землян с ними. В том же, 1896 году
Циолковский приступил к написанию своего
главного труда «Исследованиемировых пространств
реактивными приборами», опубликованного в 1903 году.
В этой книге были затронуты проблемы использования
ракет в космосе.
В 1896-1898 годах учёный принимал участие
в газете «Калужскийвестник», печатавшей
как материалы самого Циолоковского, так и статьи
о нём.
Первые пятнадцать
лет XX века были самыми тяжелыми в жизни
учёного. В 1902 его сын Игнатий покончил жизнь
самоубийством. В 1908 во время разлива Оки его дом затопило,
многие машины, экспонаты были выведены
из строя, а многочисленные уникальные
расчёты утеряны. 5 июня 1919 года Совет
Русского общества любителей мироведения
принял в свои члены К. Э. Циолковского
и ему, как члену научного общества, была
назначена пенсия. Это спасло его от голодной
смерти в годы разрухи, так как 30 июня 1919
года Социалистическая академия не избрала
его в свои члены и тем самым оставила его без средств
к существованию. В Физико-химическом обществе
также не оценили значимость и революционность
представленных Циолковским моделей.
В 1923 году свёл счёты с жизнью и второй его сын,
Александр.
17 ноября 1919 года в дом Циолковских нагрянули
пятеро людей. Обыскав дом, они забрали
главу семьи и привезли в Москву, где посадили
в тюрьму на Лубянке. Там его допрашивали
в течение нескольких недель. По некоторым
данным, за Циолковского ходатайствовало
некое высокопоставленное лицо, в результате
чего учёного отпустили.
Лишь в 1923 году, после публикации
немецкого физика Германа Оберта о космических
полётах и ракетных двигателях, советские
власти вспомнили об учёном. После этого условия жизни и работы Циолковского
радикально изменились. На него обратило
внимание партийное руководство страны.
Ему была назначена персональная пенсия
и обеспечена возможность плодотворной
деятельности. Разработки Циолковского
стали интересны некоторым идеологам
новой власти.
В 1918 Циолковский был избран в число членов-соревнователей
Социалистической академии общественных
наук (в 1924 году переименована в Коммунистическую
академию), а 9 ноября 1921 года учёному была
назначена пожизненная пенсия за заслуги
перед отечественной и мировой наукой.
Эту пенсию выплачивали до 19 сентября 1935
года – в тот день Константин Эдуардович
Циолковский умер в ставшем ему родным
городе Калуге.
В 1932 году установилась переписка Константина
Эдуардовича с одним из талантливейших «поэтов Мысл
Среди великих технических и научных достижений
XX столетия одно из первых мест, несомненно,
принадлежит ракетам и теории реактивного
движения. Годы второй мировой войны (1941-1945) привели к необычайно
быстрому совершенствованию конструкций
реактивных аппаратов. На полях сражений
вновь появились пороховые ракеты, но уже на более
калорийном бездымном тротиле – пироксилиновом
порохе ( «катюши»). Были созданы самолеты
с воздушно-реактивными двигателями, беспилотные
самолеты с пульсирующими воздушно-реактивными
двигателями (ФАУ-1) и баллистические ракеты
с дальностью полета до 300 км (ФАУ-2).
Ракетная техника становится сейчас очень
важной и быстро растущей отраслью промышленности.
Развитие теории полета реактивных аппаратов
– одна из насущных проблем современного
научно-технического развития.
К. Э. Циолковский много сделал для познания
основ теории движения ракет. Он был первым
в истории науки, кто сформулировал и исследовал
проблему изучения прямолинейных движений
ракет, исходя из законов теоретической
механики.
|
Рис. 3. Простейшая схема жидкостного
реактивного двигателя
Простейший реактивный двигатель на жидком топливе (рис. 3) представляет собой камеру, похожую по форме на горшок, в котором жители сельских местностей хранят молоко. Через форсунки, расположенные на днище этого горшка, происходит подача жидкого горючего и окислителя в камеру горения. Подача компонентов топлива рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить полное сгорание. В камере сгорания (рис. 3) происходит воспламенение топлива, и продукты горения – горячие газы – с большой скоростью выбрасываются через специально профилированное сопло. Окислитель и горючее помещаются в специальных баках, располагающихся на ракете или самолете. Для подачи окислителя и горючего в камеру сгорания применяют турбонасосы или выдавливают их сжатым нейтральным газом (например, азотом). На рис. 4 приведена фотография реактивного двигателя немецкой ракеты ФАУ-2.
|
Рис. 4. Жидкостный реактивный
двигатель немецкой ракеты Фау-2,
смонтированный в хвостовой
части ракеты:
1 – воздушный руль; 2- камера
сгорания; 3 – трубопровод для
подачи горючего (спирта); 4- турбонасосный агрегат;
5- бак для окислителя; 6-выходное
сечение сопла;
7 – газовые рули
Струя горячих газов,
выбрасываемая из сопла реактивного
двигателя, создает реактивную силу, действующую
на ракету в сторону, противоположную скорости
частиц струи. Величина реактивной силы
равняется произведению массы отбрасываемых в одну секунду
газов на относительную скорость. Если скорость
измерять в метрах в секунду, а массу секундного
расхода через вес частиц в килограммах,
разделенных на ускорение силы тяжести,
то реактивная сила будет получаться в килограммах.
В некоторых случаях для сжигания горючего
в камере реактивного двигателя приходится
забирать воздух из атмосферы. Тогда в процессе
движения реактивного аппарата происходит
присоединение частиц воздуха и выбрасывание
нагретых газов. Мы получаем так называемый
воздушно- реактивный двигатель. Простейшим
примером воздушно-реактивного двигателя
будет обыкновенная трубка, открытая с обоих
концов, внутри которой помещен вентилятор.
Если заставить вентилятор работать, то он будет
засасывать воздух с одного конца трубки
и выбрасывать его через другой конец. Если в трубку,
в пространство за вентилятором, впрыснуть
бензин и поджечь его, то скорость выходящих
из трубки горячих газов будет значительно
больше, чем входящих, и трубка получит
тягу в сторону, противоположную струе
выбрасываемых из нее газов. Делая поперечное
сечение трубки (радиус трубки) переменным, можно соответствующим
подбором этих сечений по длине трубки
достигнуть весьма больших скоростей
истечения выбрасываемых газов. Чтобы
не возить с собой двигатель для вращения
вентилятора, можно заставить струю текущих
по трубке газов вращать его с нужным числом
оборотов. Некоторые трудности будут возникать
только при запуске такого двигателя. Простейшая
схема воздушно-реактивного двигателя
была предложена еще в 1887 году русским инженером
Гешвендом. Идея использования воздушно-реактивного
двигателя для современных типов самолетов
была с большой тщательностью самостоятельно
разработана К. Э. Циолковским. Он дал первые
в мире расчеты самолета с воздушно-реактивным
двигателем и турбокомпрессорным винтовым
двигателем. На рис. 5 дана схема прямоточного
воздушно-реактивного двигателя, у которого
движение частиц воздуха по оси трубы создается
за счет начальной скорости, полученной
ракетой от какого-либо другого двигателя,
а дальнейшее движение поддерживается
за счет реактивной силы, обусловленной
увеличенной скоростью отброса частиц
по сравнению со скоростью входящих частиц.
|
Рис. 5. Схема прямоточного воздушно-
реактивного двигателя
Энергия движения воздушного
реактивного двигателя
Направленная соответствующим образом
струя выбрасываемых частиц – основное
в конструкциях всех реактивных аппаратов.
Методы получения мощных потоков извергающихся
частиц очень разнообразны. Проблема получения
потоков отбрасываемых частиц простейшим
и наиболее экономичным способом, разработка
методов регулирования таких потоков
– важная задача изобретателей и конструкторов.
Если рассмотреть движение простейшей
ракеты, то легко понять, что ее вес изменяется,
так как часть массы ракеты сгорает и отбрасывается
с течением времени. Ракета представляет
собой тело переменной массы. Теория движения
тел переменной массы создана в конце XIX века
у нас в России И. В. Мещерским и К. Э. Циолковским.
Замечательные работы Мещерского и Циолковского
прекрасно дополняют друг друга. Изучение
прямолинейных движений ракет, проведенное
Циолковским, существенно обогатило теорию
движения тел переменной массы, благодаря
постановке совершенно новых проблем.
К сожалению, работы Мещерского не были
известны Циолковскому, и он в ряде случаев
повторял в своих работах более ранние
результаты Мещерского.
Изучение движения реактивных аппаратов
представляет большие трудности, так как во время
движения вес любого реактивного аппарата
значительно изменяется. Уже сейчас существуют
ракеты, у которых во время работы двигателя
вес уменьшается в 8–10 раз. Изменение веса
ракеты в процессе движения не позволяет
использовать непосредственно те формулы
и выводы, которые получены в классической
механике, являющейся теоретической базой
расчетов движения тел, вес которых постоянен
во время движения.
Известно также, что в тех задачах техники,
где проходилось иметь дело с движением
тел переменного веса (например, у самолетов с большими
запасами горючего), всегда предполагалось,
что траекторию движения можно разделить
на участки и считать на каждом отдельном
участке вес движущегося тела постоянным.
Таким приемом трудную задачу изучения
движения тела переменной массы заменяли
более простой и уже изученной задачей
о движении тела постоянной массы. Изучение
движения ракет как тел переменной массы
было поставлено на твердую научную почву
К. Э. Циолковским. Мы называем теперь теорию
полета ракет ракетодинамикой. Циолковский является основоположником
современной ракетодинамики. Опубликованные
труды К. Э. Циолковского по ракетодинамике
позволяют установить последовательное
развитие его идей в этой новой области
человеческого знания. Каковы же основные
законы, управляющие движением тел переменной
массы? Как рассчитывать скорость полета
реактивного аппарата? Как найти высоту
полета ракеты, выпущенной вертикально?
Как выбраться на реактивном приборе за пределы
атмосферы – пробить «панцирь» атмосферы? Как преодолеть
притяжение земли – пробить«панцирь»
тяготения? Вот некоторые из вопросов, рассмотренных
и решенных Циолковским.
С нашей точки зрения, самой драгоценной
идеей Циолковского в теории ракет является
добавление к классической механике Ньютона
нового раздела – механики тел переменной
массы. Сделать подвластной человеческому
разуму новую большую группу явлений,
объяснить то, что видели многие, но не понимали,
дать человечеству новое мощное орудие
технических преобразований – вот те задачи,
которые ставил перед собой гениальный
Циолковский. Весь талант исследователя,
вся оригинальность, творческая самобытность
и необычайный взлет фантазии с особой
силой и продуктивностью выявились в его работах
по реактивному движению. Он на десятилетия
вперед предсказал пути развития реактивных
аппаратов. Он рассмотрел те изменения,
которым должна была подвергнуться обыкновенная
фейерверочная ракета, чтобы стать мощным
орудием технического прогресса в новой
области человеческого знания.
В одной из своих работ (1911 г.) Циолковский высказал глубокую
мысль о простейших применениях ракет,
которые были известны людям очень давно: «Такие жалкие реактивные явления мы обыкновенно
и наблюдаем на земле. Вот почему они никого
не могли поощрить к мечтам и исследованиям.
Только разум и наука могли указать на преобразование
этих явлений в грандиозные, почти непостижимые
чувству».