Начнем с вопроса о тяге, которая в реактивных двигателях создается в соответствии с третьим законом Ньютона. В 1687 году Исаак Ньютон при изучении воздействия сил на тела предположил, что каждому действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие. Если тело А испытывает на себе действие силы тела В, то тело В, в свою очередь, действует с той же силой на тело А. То есть как аукнется, так и откликнется! В повседневной жизни можно часто наблюдать проявления этого закона. Например, отдача пистолета во время выстрела – это ни что иное, как реакция оружия на действие пороховых газов.
Чтобы понять, как третий закон Ньютона может быть полезен в нашем случае, давайте проведем небольшой мысленный эксперимент. Такого рода эксперименты очень любил Альберт Эйнштейн. Давайте представим, что вы оказались на середине замерзшего пруда, ровный лед которого не обладает трением. В этих идеальных условиях добраться до берега будет весьма трудно, потому что, по данной гипотезе, ни подошва обуви, ни перчатки, ни любая другая часть человека и его одежды не будут иметь сцепления с поверхностью льда. Все, что возможно, – это крутиться вокруг собственного центра тяжести, но с места не сдвинуться, потому что, в отличие от мифологического Атласа, нет «точки опоры». Просто беда. Очень холодно и приближается ночь. Есть риск замерзнуть. Что же делать? Применить законы элементарной физики. Достаточно, к примеру, снять ботинок и изо всей силы бросить его. Что при этом происходит? По закону равенства действия и противодействия вы скользите по льду в противоположном направлении и, если набраться терпения, то возможно достичь берега и спастись. Конечно, возможно быстрее выбраться на берег, если вместо легкого ботинка бросить что-то более существенное, например шар для боулинга, который вы случайно прихватили с собой{16}.
Реактивный двигатель ведет себя так же. Он преобразует химическую энергию (часть той, которую атомы удерживают в своих электронных оболочках) в энергию тепловую (хаотическое перемешивание частиц газа) путем окисления горючего определенной природы, например спирта, а затем преобразует ее в механическую энергию путем выброса газа из одного или двух сопел. Точно так же, если надуть воздушный шарик, а затем проколоть его булавкой, генерируется движение шарика от динамической реакции на выталкиваемый газ, которая, в свою очередь, тем сильнее, чем больше масса струи воздуха и ее скорость.
Казалось бы, все просто и ясно, но это не так. Чтобы понять, в чем подвох, вернемся к эксперименту с замерзшим прудом. Чтобы обрести скорость, придется пожертвовать ботинком. А шарик, летящий, когда его прокалывают, сдувается. Одним словом, для создания реактивного движения необходимо разделить одну величину на две или более части, необязательно равные. Реактивный двигатель постепенно расходует топливо, но в самолетных воздушно-реактивных двигателях большую часть рабочего тела (смесь атмосферного воздуха и продуктов сгорания топлива) он забирает из окружающей среды – атмосферы, в том числе и кислород, используемый в качестве окислителя. Для создания реактивной струи давление рабочего тела в двигателе должно быть больше атмосферного, т. е. воздух необходимо сжимать.
В ракетах же такое невозможно. Эти летательные аппараты должны нести с собой все, что им нужно, чтобы произвести химическую реакцию, которая питает энергией движение и, постепенно тратя ее, отбрасывает отработавшую ступень. Таким образом, их масса со временем меняется, как у телеги с песком, утекающим через щели в досках. Последствия ощутимы.
Именно Циолковский, скромный ученый из русской провинции, математически рассчитал и представил в фундаментальном труде 1903 года уравнение, которое названо его именем и которое было выведено шестью годами раньше в его рукописи под названием, не оставляющим сомнений: «Ракета». Согласно формуле, разработанной Циолковским на основе механики Ньютона, тяга, производимая двигателем, пропорциональна как скорости, с которой выходят газообразные продукты сгорания относительно ракеты, так и логарифму относительной конечной массы, которая очень мала на старте и растет по мере того, как пустеют баки. Вспомним, что и машины на «Формуле-1» к концу гонки бегут быстрее (если позволяет резина), потому что становятся легче.