Разумеется, Циолковский тоже начинал не на пустом месте. И ранние проекты его основывались на идеях, вычитанных из книг.
Впервые мысль о возможности строительства космического корабля возникла у Циолковского в 1873 году — когда он, в возрасте 16 лет, проходил курс самообучения в Москве. Устройство для запуска межпланетного снаряда по проекту Циолковского представляло собой закрытую камеру, в которой вращалась карусель с противовесами. В нужный момент камера открывалась и снаряд выбрасывался под действием центробежной силы.
Впоследствии Циолковский перебрал практически все известные схемы космических движителей: от аэростатических до электроракетных.
В 1883 году в рукописной работе «Свободное пространство» он пришел к выводу, что единственно возможным способом перемещения в пространстве, где практически не действуют ни силы тяготения, ни силы сопротивления среды, является способ, основанный на действии реакции отбрасываемых от данного тела частиц вещества. Однако начало его серьезных теоретических изысканий в этой области относится к 1896 году. Главная заслуга Циолковского заключается в том, что он объединил техническую идею ракеты с темой межпланетных полетов, создав теорию движения космических ракет.
В 1903 году Циолковский опубликовал свой классический труд «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в котором впервые была научно обоснована возможность осуществления космических полетов при помощи ракеты и даны основные расчетные формулы ее полета. В этой же работе было уделено большое внимание вопросу нахождения наилучшего топлива для космической ракеты. До конца XIX века находили применение лишь реактивные двигатели на твердом топливе — пороховые ракеты. Однако Циолковский показал, что для ракет дальнего действия наиболее эффективным явится двигатель, работающий на жидком топливе с окислителем, и дал принципиальную схему такого двигателя.
В то время Циолковский еще не давал конструктивного проекта своего звездолета, считая необходимой детальную проработку его идеи с принципиальной стороны. Поэтому в книге «Исследование мировых пространств реактивными приборами» 1903 года мы встречаем описание конструктивно очень простой ракеты:
«Ракета представляет металлическую продолговатую камеру, имеющую форму наименьшего сопротивления, снабженную светом, кислородом, поглотителями углекислоты и других животных выделений. Ракета предназначена не только для хранения различных физических приборов, но и для управляющего камерой человека. Камера имеет большой запас веществ, которые при своем смешении тотчас образуют взрывчатую смесь. Вещества эти, правильно и довольно равномерно взрываясь в определенном месте, текут в виде горячих газов по расширяющимся к концу трубам, наподобие рупора или духового музыкального инструмента. Трубы эти расположены вдоль стенок камеры по направлению ее длины. В одном, узком, конце трубы совершается смешение взрывчатых веществ, тут получаются сгущенные и пламенные газы. В другом, расширенном, ее конце они, сильно разредившись и охладившись от этого, вырываются наружу через раструбы с громадной относительной скоростью. Весь запас взрывчатого вещества расходуется в течение 20 мин. Труба, по которой текут газы, окружена кожухом с охлаждающей, быстро циркулирующей в нем жидкостью (водород или кислород), температура которой — около 200°.
Для того чтобы ракета при полете не вращалась, сила реакции должна проходить через центр ее инерции. Для восстановления случайно нарушенной инерции можно или перемещать какую-либо массу внутри ракеты, или поворачивать конец раструба или руля перед ним. Если управление устойчивостью вручную окажется затруднительным, то можно применить различные автоматические приспособления (жироскопы, магнитную стрелку, силу солнечных лучей и т. д.). Когда нарушается равновесие ракеты, изображение Солнца, полученное с помощью двояковыпуклого стекла, меняет свое относительное положение в ракете и возбуждает сначала расширение газа, потом электрический ток и затем передвижение масс (которых должно быть две), восстанавливающих равновесие ракеты. Жироскоп может состоять из двух быстро вращающихся в разных плоскостях кругов и также служит Для устойчивости ракеты, действуя на пружинки, которые при деформации возбуждают электрический ток и влияют на передвижение масс.
Толщина стенок трубы в случае стали будет не более 5 мм, однако она может расплавиться (температура плавления — 1300 °C), поэтому следует применить более тугоплавкое вещество, например вольфрам с температурой плавления до 3200 °C».
Значение работы Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами» трудно переоценить. Однако в первом десятилетии XX века эта книга осталась незамеченной как в России, так и за границей. Вторично она была напечатана (в значительно расширенном виде) в 1911–1912 годах в журнале «Вестник воздухоплавания».
В этой расширенной работе Циолковский впервые высказал мысль об использовании энергии распада атомов:
«Думают, что радий, разлагаясь непрерывно на более элементарную материю, выделяет из себя частицы разных масс, двигающиеся с поразительной, невообразимой скоростью, недалекой от скорости света. <…> Поэтому, если бы можно было достаточно ускорить разложение радия или других радиоактивных тел, каковы вероятно все тела, то употребление его могло бы давать, при одинаковых прочих условиях, такую скорость реактивного прибора, при которой достижение ближайшего солнца (звезды) сократится до 10–40 лет».
Одновременно он выдвинул идею создания электроракетных двигателей, указав, что «с помощью электричества можно будет со временем придавать громадную скорость выбрасываемым из реактивного прибора частицам».
В дальнейших работах Циолковский более подробно развивает и совершенствует свои проекты, не оставляя мысли о полетах в межпланетном пространстве. Вот как он описывает космическую ракету в 1914 году:
«Левая задняя кормовая половина «ракеты» состоит из двух камер, разделенных не обозначенной на чертеже перегородкой.
Первая камера содержит жидкий свободно испаряющийся кислород. Он имеет очень низкую температуру и окружает часть взрывной трубы и другие детали, подверженные высокой температуре.
Другое отделение содержит углеводороды в жидком виде. Две черные точки внизу (почти посредине) означают поперечное сечение труб, доставляющих взрывной трубе взрывчатые материалы. От устья взрывной трубы (см. кругом двух точек) отходят две ветки с быстро мчащимися газами, которые увлекают и вталкивают жидкие элементы взрывания в устье, подобно инжектору Жиффара или пароструйному насосу.
Свободно испаряющийся жидкий кислород в газообразном и холодном состоянии обтекает промежуточное пространство между двумя оболочками «ракеты» и тем препятствует нагреванию внутренности «ракеты» при быстром движении ее в воздухе.
Взрывная труба делает несколько оборотов вдоль «ракеты» параллельно ее продольной оси и затем несколько оборотов перпендикулярно к этой оси. Цель — уменьшить вертлявость «ракеты» или облегчить ее управляемость. Эти обороты быстродвижущегося газа заменяют массивные вращающиеся диски. Правое носовое изолированное, т. е. замкнутое со всех сторон, помещение заключает:
1. Газы и пары, необходимые для дыхания. 2. Приспособления для сохранения живых существ от упятеренной или удесятеренной силы тяжести. 3. Запасы для питания. 4. Приспособления для управления, несмотря на лежачее положение в воде. 5. Вещества, поглощающие углекислый газ, миазмы и вообще все вредные продукты дыхания».
Система управления ракетой осуществляется с помощью «газовых рулей» и выглядит следующим образом:
«Рули направления и поворота подобны аэропланным. Помещены они снаружи против выходного конца взрывной трубы. Они действуют в воздухе и в пустоте. Их уклонение, а вместе с тем и уклонение ракеты, происходит от давления стремительно мчащихся газов. Подобный же руль, но помещенный отдельно, может служить и регулятором вращения, т. е. он может заставить ракету вращаться в ту или другую сторону, слабее или сильнее, и остановить невольное вращение ракеты, происходящее от неправильного взрывания и давления воздуха. Его действие зависит от винтообразного скашивания пластинки руля, расположенного вдоль потока газов в трубе. Руль от скашивания принимает форму архимедова винта и тем заставляет вращаться продукты взрыва; это и служит причиною вращения ракеты вокруг ее длинной оси или остановки уже имеющегося вращения».
