Cosmonautica. Storia ed essenza della scoperta scientifica

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Ai nostri giorni, il volo di un'astronave è considerato un luogo comune. E a volte sembra persino strano che anche cento anni fa le persone potessero solo sognare voli del genere.

"Nel XVII secolo apparve la storia dello scrittore francese Cyrano de Bergerac sul volo verso la Luna", scrive I.A. Minasyan. "L'eroe di questa storia arrivò sulla Luna su un carro di ferro, sul quale continuava a lanciare un forte magnete più in alto si alzò sopra la Terra fino a raggiungere la Luna.Il famoso scrittore inglese HG Wells descrisse un fantastico viaggio verso la Luna in un proiettile, il cui corpo era costituito da un materiale non soggetto a gravità.

Vari mezzi sono stati proposti per l'attuazione del volo spaziale, ma nessun singolo scienziato, nessun singolo scrittore di fantascienza per molti secoli è stato in grado di nominare l'unico mezzo a disposizione dell'uomo, con l'aiuto del quale si può superare il potente forza di gravità terrestre e lasciati trasportare nello spazio interplanetario. Il grande onore di aprire la strada alle stelle per le persone è toccato al destino del nostro connazionale Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky.

Il modesto insegnante di Kaluga ha potuto vedere nel famoso razzo in polvere il prototipo delle potenti astronavi del futuro. Le sue idee servono ancora e serviranno come base per la creazione di razzi e l'esplorazione umana dello spazio attorno al Sole per molto tempo a venire.

Sono passati quasi duemila anni da quando gli inventori della polvere da sparo - gli antichi cinesi - costruirono i primi razzi, ma solo Tsiolkovsky ha dimostrato che l'unico velivolo in grado di penetrare nell'atmosfera e persino di lasciare la Terra per sempre è un razzo. Non solo ha confermato i principi generali, ma ha anche effettuato calcoli pratici dettagliati, a seguito dei quali il notevole scienziato è giunto alla conclusione che era necessario creare anche treni a razzo o, come si dice ora, razzi a più stadi come la necessità di creare satelliti artificiali della Terra.

Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky (1857–1935) nacque nel villaggio di Izhevsk, nella provincia di Ryazan, nella famiglia di un guardaboschi. All'età di dieci anni, Kostya si ammalò di scarlattina e perse l'udito. Il ragazzo non poteva andare a scuola e doveva studiare da solo.

Ecco come lo stesso scienziato ha ricordato gli anni della sua giovinezza:

"Ho sfogliato con curiosità e comprensione diversi libri di mio padre sulle scienze naturali e matematiche (mio padre è stato per qualche tempo insegnante di queste scienze in corsi di tassazione) E ora sono affascinato dall'astrolabio, che misura la distanza da oggetti inaccessibili , prendere piani, determinare le altezze. Organizzo un altimetro. Con l'aiuto di un astrolabio, senza uscire di casa, determino la distanza dalla torre di fuoco. Trovo 400 arshins. Vado e ci credo. Si scopre che è vero Quindi ho creduto alla conoscenza teorica ... "

Quando Konstantin aveva sedici anni, suo padre lo mandò a Mosca dal suo amico N. Fedorov, che lavorava come bibliotecario al Museo Rumyantsev. Sotto la sua guida, Tsiolkovsky studiò molto e nell'autunno del 1879 superò l'esame per il titolo di insegnante di scuole pubbliche. Dopo il Natale del 1880, Tsiolkovsky ricevette la notizia della sua nomina a insegnante di aritmetica e geometria presso la scuola distrettuale di Borovsk...

Tsiolkovsky lavorò a Borovsk per diversi anni e nel 1892 fu trasferito a Kaluga. Fu in questa città che trascorse tutta la sua vita. Qui insegnò fisica e matematica al ginnasio e alla scuola diocesana e dedicò tutto il suo tempo libero all'attività scientifica. Non avendo fondi per acquistare strumenti e materiali, ha realizzato tutti i modelli e i dispositivi per esperimenti con le proprie mani.

La gamma degli interessi di Tsiolkovsky era molto ampia. Tuttavia, a causa della mancanza di un'istruzione sistematica, è arrivato spesso ai risultati già noti nella scienza. Ad esempio, questo è accaduto con il suo primo lavoro scientifico sui problemi della dinamica dei gas.

Ma per la seconda opera pubblicata - "The Mechanics of the Animal Organism" - Tsiolkovsky è stato eletto membro a pieno titolo della Russian Physico-Chemical Society. Questo lavoro ha ottenuto recensioni positive dai più grandi scienziati di quel tempo - Mendeleev и Stoletov.

Stoletov presentò Tsiolkovsky al suo studente Nikolai Zhukovsky, dopo di che Tsiolkovsky iniziò a studiare la meccanica del volo controllato. Lo scienziato ha costruito una primitiva galleria del vento nella soffitta della sua casa, sulla quale ha fatto esperimenti con modelli in legno.

Il materiale che ha accumulato è stato utilizzato come base per il progetto di un pallone controllato. Così Tsiolkovsky chiamò il dirigibile, poiché la parola stessa non era ancora stata inventata in quel momento. Tsiolkovsky non è stato solo il primo a proporre l'idea di un dirigibile interamente in metallo, ma ne ha anche costruito un modello funzionante. Allo stesso tempo, lo scienziato ha creato un dispositivo originale per il controllo automatico del volo del dirigibile, nonché uno schema originale per regolare la sua portanza.

Tuttavia, i funzionari della Russian Technical Society hanno respinto il progetto di Tsiolkovsky perché l'inventore austriaco Schwartz ha avanzato una proposta simile allo stesso tempo. Tuttavia, Tsiolkovsky è riuscito a pubblicare una descrizione del suo progetto sulla rivista "Scientific Review" e quindi a garantire la priorità per questa invenzione.

Dopo il dirigibile, Tsiolkovsky si dedicò allo studio dell'aerodinamica degli aerei. Ha studiato in dettaglio l'influenza della forma dell'ala sulla quantità di portanza e ha derivato la relazione tra la resistenza dell'aria e la potenza del motore richiesta dell'aereo. Questi lavori furono usati da Zhukovsky per creare la teoria del calcolo delle ali.

Successivamente, gli interessi di Tsiolkovsky passarono all'esplorazione dello spazio. Nel 1903 pubblicò il libro Esplorazioni degli spazi del mondo di Jet Instruments, dove dimostrò per la prima volta che il razzo era l'unico veicolo in grado di effettuare un volo spaziale. È vero, Tsiolkovsky mancava di conoscenze matematiche e non poteva fornire calcoli dettagliati del suo design. Tuttavia, lo scienziato ha avanzato una serie di idee importanti e interessanti.

Quei primi lavori dello scienziato passarono quasi inosservati. La dottrina di un'astronave a reazione fu notata solo quando iniziò ad essere stampata una seconda volta, nel 1911-1912, nella nota rivista metropolitana ampiamente e riccamente pubblicata Vestnik Aeronautics. Poi molti scienziati e ingegneri all'estero hanno dichiarato la loro priorità. Ma grazie ai primi lavori di Tsiolkovsky, la sua priorità è stata dimostrata.

In questo articolo e nelle sue successive continuazioni (1911 e 1914), ha gettato le basi per la teoria dei razzi e di un motore a razzo liquido. Fu il primo a risolvere il problema dell'atterraggio di un veicolo spaziale sulla superficie di pianeti privi di atmosfera.

Nel 1926-1929, Tsiolkovsky risolve una questione pratica: quanto carburante dovrebbe essere portato in un razzo per ottenere una velocità di decollo e lasciare la Terra.

I.A. Minasyan: "Tsiolkovsky ha derivato una formula che consente di calcolare la velocità massima che un razzo può sviluppare. Questa velocità massima raggiungibile dipende principalmente, ovviamente, dalla velocità di deflusso dei gas dall'ugello del razzo. E dalla velocità dei gas, a sua volta, dipende principalmente dal tipo di carburante e dalla temperatura del getto di gas. Maggiore è la temperatura, maggiore è la velocità.

Ciò significa che per un razzo è necessario selezionare il carburante più calorico, che, una volta bruciato, fornisce la maggior quantità di calore.

Ma la velocità massima di un razzo dipende non solo dalla velocità del deflusso dei gas dall'ugello. Dalla formula risulta che dipende anche dalla massa iniziale e finale del razzo, cioè da quale parte del suo peso ricade sul carburante e quale parte - su strutture inutili (in termini di velocità di volo): corpo, meccanismi di controllo, timoni e persino la camera di combustione stessa e l'ugello.

Questa formula di Tsiolkovsky è la base su cui si basa l'intero calcolo dei razzi moderni.Il rapporto tra la massa totale iniziale di un aeromobile e il suo peso alla fine del funzionamento del motore (cioè essenzialmente con il peso di un razzo vuoto ) è chiamato il numero di Tsiolkovsky in onore del grande scienziato.

La conclusione principale di questa formula è che nello spazio senz'aria il razzo si svilupperà maggiore è la velocità, maggiore è la velocità del deflusso dei gas e maggiore è il rapporto tra la massa iniziale del razzo e la sua massa finale, cioè il maggiore è il numero di Tsiolkovsky. Avendo stabilito che il limite di velocità di un razzo dipende dalla qualità del carburante e dal rapporto tra massa utile e "inutile", Tsiolkovsky ha studiato il potenziale calorifico dei combustibili in polvere. I suoi calcoli hanno mostrato che questi combustibili non sarebbero in grado di fornire la temperatura di combustione richiesta, e quindi la velocità di scarico, necessaria per vincere la gravità terrestre. Inoltre, la polvere sciolta occupa un grande volume, è necessario aumentare il corpo e, di conseguenza, la massa finale del razzo.

Il calcolo mostra che affinché un razzo a propellente liquido con persone sviluppi una velocità di decollo e parta per un volo interplanetario, è necessario assumere carburante cento volte più del peso del corpo del razzo, del motore, dei meccanismi, degli strumenti e passeggeri insieme. Ancora una volta un ostacolo molto serio.

Lo scienziato ha trovato una via d'uscita originale: un treno a razzo, una nave interplanetaria a più stadi. Consiste di molti missili interconnessi. Nel razzo anteriore, oltre al carburante, ci sono passeggeri e attrezzature. I razzi funzionano a turno, disperdendo l'intero treno. Quando il carburante in un razzo si esaurisce, viene scaricato, mentre i serbatoi vuoti vengono rimossi e l'intero treno diventa più leggero. Quindi il secondo razzo inizia a funzionare e così via Il razzo anteriore, come in una staffetta, riceve la velocità acquisita da tutti i razzi precedenti.

Può sembrare che sia più redditizio realizzare il maggior numero possibile di stadi di razzi. Tuttavia, i calcoli dimostrano in modo convincente che non è così: la velocità massima aumenta notevolmente fino a tre o quattro passi, quindi difficilmente cresce. La velocità del razzo dopo sei stadi rimane praticamente costante.

È curioso che, praticamente senza strumenti, Tsiolkovsky abbia calcolato che l'altezza ottimale per un volo attorno alla Terra è un intervallo da trecento a ottocento chilometri sopra la Terra. È a queste altitudini che hanno luogo i moderni voli spaziali.

Con molti anni di anticipo rispetto ai suoi contemporanei, il grande scienziato, usando l'esatto linguaggio della matematica, mostrò per la prima volta le vie della padronanza dello spazio esterno da parte dell'uomo e indicò le vere vie lungo le quali doveva andare la tecnica delle comunicazioni interplanetarie.

Dopo aver appreso delle opere di Tsiolkovsky, lo scienziato tedesco Hermann Oberth gli scrisse: "Conoscendo il tuo eccellente lavoro, potrei fare a meno di molte vane fatiche e oggi sarei andato molto oltre".

Nel 1911 Konstantin Eduardovich pronunciò parole profetiche: "L'umanità non rimarrà per sempre sulla Terra, ma, alla ricerca della luce e dello spazio, prima penetrerà timidamente oltre l'atmosfera, e poi conquisterà tutto lo spazio circumsolare".

Oggi siamo tutti testimoni di questa grande predizione che si avvera.

Autore: Samin D.K.

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