Конечная скорость ракеты будет тем больше, чем больше скорость истечения газов и чем больше относительный запас топлива.

Для современных жидкостных ракетных двигателей скорость истечения равна примерно 2500 метрам в секунду, редко превышая эту величину.

Чему же равняется величина относительного запаса топлива для современных ракет?

Для тяжелой ракеты, описанной в предыдущей главе, вес топлива при взлете составляет 9 тонн при общем весе 13 тонн. Следовательно, в этом случае относительный запас топлива равен 9:13, или примерно 0,7. Формула Циолковского показывает, что увеличение относительного запаса топлива на этой ракете с 0,7 до 0,8 увеличило бы скорость ее полета в свободном пространстве на 34 процента, а дальнейшее увеличение с 0,8 до 0,9 — на 43 процента. Если бы можно было построить ракету с относительным запасом топлива 0,9, то скорость полета ракеты, по формуле Циолковского, равнялась бы 5750 метров в секунду. Для того чтобы достичь скорости отрыва, то есть примерно 11 километров в секунду, вес запаса топлива на ракете должен составлять 99 процентов от взлетного веса ракеты. Вес самой ракеты двигателя, полезной нагрузки должен в этом случае составлять только 1 процент от взлетного веса ракеты.

Однако создать такую ракету практически невозможно. Да и вообще увеличение относительного запаса топлива на ракете наталкивается в настоящее время на все большие конструктивные трудности. Вероятно, величина относительного запаса топлива около 90 процентов является практически достижимым пределом. Очевидно, решить задачу межпланетного полета путем увеличения относительного запаса топлива вряд ли удастся. Наилучшие сорта топлива, которые могут быть созданы в будущем, даже при наибольших возможных значениях относительного запаса топлива на ракете, могут обеспечить скорость полета, не превышающую примерно 9 километров в секунду. И это даже без учета различных потерь.

И все же изобретательский гений Циолковского подсказал ему замечательное решение этой задачи. Высказанная им идея coставных ракет, или, как говорил Циолковский, «ракетных поездов», заключается в том, чтобы уже в полете освобождаться от тех частей ракеты, которые стали ненужными. Как всякая выдающаяся идея, это предложение Циолковского сочетает в себе исключительную простоту с необычайной плодотворностью результата.

По идее Циолковского,[21] ракета в этом случае должна состоять из ряда самостоятельных, автономных отсеков, то есть, по существу, из ряда связанных друг с другом отдельных ракет. Представьте себе такую цепочку ракет, напоминающую обычный поезд, состоящий из железнодорожных вагонов, только установленный вертикально.

Этот ракетный поезд должен лететь следующим образом. При взлете работает двигатель самой задней ракеты,[22] который уносит весь поезд на большую высоту и сообщает ему значительную скорость. Когда все топливо на этой ракете будет израсходовано, она автоматически отделяется от поезда и падает на землю или опускается на парашюте. В то же мгновение включается двигатель следующей, второй ракеты, который продолжает увеличивать скорость всего поезда, пока и здесь не кончится топливо. После этого она также отделяется от поезда. Тогда запускается двигатель следующей ракеты и т. д.

Таким образом, этот поезд является очень своеобразным и сильно отличается от обычных поездов: он постепенно «тает» в полете. В подобном поезде все пассажиры должны находиться в самом переднем «вагоне», иначе они рискуют не добраться до цели…

Легко видеть, что скорость самой последней, передней ракеты получается значительно большей, чем была бы скорость всего поезда при выработке такого же количества топлива. Ведь в этом случае не приходится тащить с собой мертвый груз в виде отработавших и ставших бесполезными ракет.

Выгода получается тем большей, чем больше число ступеней ракеты (расчет может определить наивыгоднейшее число ступеней[23]). Так, например, чтобы ракета с полезной нагрузкой 5 килограммов приобрела скорость отрыва, она может быть пятиступенчатой и ее взлетный вес должен равняться тогда 375 тоннам. Если же увеличить число ступеней ракеты до 10, то общий вес поезда при взлете уменьшится в 6 с лишним раз и составит только 60 тонн.

Однако создание ракетных поездов с очень большим числом ступеней дает, как это установил еще Циолковский, малый выигрыш и вместе с тем наталкивается на серьезные конструктивные трудности. Достаточно указать, например, что поезд, составленный из 5 ракет, обеспечил бы в 5 раз большую скорость, чем одна ракета, но зато полезный груз при этом уменьшился бы в 10 тысяч раз и на каждую тонну веса исходной ступени пришлось бы всего… 10 граммов полезного веса.

Можно считать, что практически будет вряд ли целесообразно строить ракетные поезда с числом ступеней больше 5–6. В своей работе «Космические ракетные поезда», выпущенной в 1929 году, Циолковский подробно рассмотрел различные возможные типы поездов.

Идея создания составных ракет, предложенная Циолковским, нашла уже широкое применение в боевых ракетах. В частности, в минувшую войну немецко-фашистскими захватчиками широко применялись двухступенчатые ракеты. Применялись и более сложные составные ракеты, например боевая пороховая ракета, имевшая четыре ступени.

Ракетный поезд был не единственным типом составной ракеты, предложенным Циолковским. Он предложил и другой тип такой ракеты, названный им «ракетой с переливкой топлива». В этом случае ракета тоже состоит из нескольких ступеней, но ступени эти делаются совершенно одинаковыми и, кроме того, выстраиваются не в затылок друг другу, как в обычном ракетном поезде, а рядом. Вся эта связка ракет взлетает одновременно, причем работают двигатели всех ракет. Но когда половина топлива, запасенного на каждой ракете, вырабатывается, то связка уменьшается ровно вдвое — топливо из одной половины ракет переливается в баки другой половины и опустошившиеся ракеты отделяются от связки. Затем все повторяется сначала до тех пор, пока изо всей связки не останется одна-единственная ракета, отправляющаяся в свой далекий полет с необходимой космической скоростью.

Идея такой составной ракеты, как видно, остается той же — опустошившиеся ракеты отделяются и тем самым уменьшается масса ракеты, получающая ускорение. Но если в случае обычного ракетного поезда последняя ракета получает как бы по эстафете скорость, накопленную всеми предшествующими ракетами, то в связке ракет последняя ракета точно так же по эстафете получает топливо из этих ракет, что позволяет ее двигателю развить необходимую большую скорость.

До настоящего времени идея переливки топлива не получила широкого применения из-за ряда трудностей. Однако это вовсе ие означает, что она не будет использована и в дальнейшем. Наоборот, она обладает кое-какими преимуществами перед «поездом» и не удивительно, что некоторыми учеными серьезно рассматривается как возможная будущая конструктивная схема межпланетного корабля.

Дальнейшее развитие идеи Циолковского о составных ракетах осуществлено советским инженером Ф. А. Цандером. Очевидно, если бы можно было использовать ненужные, отбрасываемые части конструкции ракеты в качестве топлива для жидкостного ракетного двигателя, то конечная скорость ракеты при этом увеличилась бы. Именно это и является содержанием предложения Цандера. Он разработал ряд проектов межпланетных многоступенчатых ракет, в которых металлические части конструкции, становящиеся ненужными в полете — опустошившиеся баки, крылья и проч., расплавляются и подаются в камеру сгорания жидкостного ракетного двигателя. Цандеру принадлежит, как указывалось в предыдущей главе, и сама идея использования ряда металлов — алюминия и других — в качестве топлива для жидкостных ракетных двигателей. Он же провел и опыты по сжиганию такого металлического горючего.