Привет, Хабр! Меня зовут Марат Айрапетян, я космический инженер и пишу для блога МТС на Хабре. В прошлых постах рассказал, как поучаствовать в миссии по подготовке полета на Марс и зачем нам вообще исследовать другие планеты. А сегодня предлагаю поговорить об изобретениях отца космонавтики Константина Эдуардовича Циолковского. 

Думаю, вы знаете его цитату: «Земля — это колыбель разума, но нельзя же вечно жить в колыбели». Интересно, что за ней стоит не только романтическое стремление к новым горизонтам, но и хардкорная практика. Представьте: на дворе позапрошлый век, а Циолковский уже рассчитал, как из этой самой колыбели вырваться. Сначала его идеи казались безумными, а потом начали сбываться одна за другой. Многие чертежи Циолковского используются в космонавтике до сих пор. Давайте вместе посмотрим, какие из фантастических проектов уже стали реальностью, а какие ждут своего часа.

Начну с чистосердечного признания: я всегда восхищался Циолковским. Калужская губерния, глушь, свечи вместо светильников, никаких гаджетов, только появляются первые самолеты — а он уже закладывает фундамент для будущих полетов в космос. Какой же это масштаб мысли!  В универе я столкнулся с его работами уже не в теории, а на практике: при расчете траектории запуска космических ракет мы как раз использовали уравнение Циолковского. Так что мое восхищение только крепло.

Во всем мире Циолковский известен как отец космонавтики, но его изобретательский гений простирался далеко за пределы ракет. Он проектировал дирижабли и вертолеты, построил одну из первых в России аэродинамических труб, предлагал энергоэффективные печи, винтовые насосы для воды и даже писал научную фантастику. В своих повестях описывал будущее человечества, экологичные дома и школы на орбите, а в реальности — преподавал физику, создавал образовательные методики и верил, что наука сделает людей лучше. 

Судьба у этого человека тоже уникальная: серьезно заболел, еще в детстве потерял слух, из-за проблем со здоровьем выгнали из школы. Но тяга к знаниям и любовь к своему делу все преодолела. Вспоминаю об этом, когда ленюсь начать новый текст и не могу оторваться от рилсов. Но давайте обо всем по порядку!

Из сельской глуши — к законам космоса

Константин родился в 1857 году в селе Ижевское Рязанской губернии в небогатой, но образованной семье. Отец, Эдуард Игнатьевич Циолковский,  был из польских обедневших дворян. Мать, Мария Ивановна Юмашева, закончила гимназию и сама занималась начальным образованием детей. С детства Константин был приучен читать много и поглощал все, что находил в родительской библиотеке.

А потом произошел переломный момент: Константин перенес скарлатину и почти полностью оглох. Из-за этого в 1873 году его исключили из Вятской классической гимназии: проблемы со слухом не позволяли ему поспевать за программой. Вот его цитата из сочинения «Черты моей жизни»:

Лет 10–11, в начале зимы, я катался на салазках. Простудился. Простуда вызвала скарлатину. Она очень мучила меня. Я ковырял в ушах, вытягивал пальцем воздух, как насосом, и думаю, сильно себе этим повредил, потому что однажды показалась из ушей кровь.

Последствия болезни, отсутствие ясных звуков, ощущений, разобщение с людьми, унижение калечества — сильно меня отупили. Братья учились, я не мог. Было ли это последствием отупления или временной несознательности, свойственной моему возрасту и темпераменту, я до сих пор не знаю.

Известно, что и глухие прекрасно учатся: по учебникам, не слушая учителей. Отец рассказывал про себя, что он стал умственно развиваться с 15 лет. Может быть, и у меня отчасти сказалась эта черта позднего развития…

Казалось бы, на этом все могло закончиться, но Константин не сломался и с головой ушел в книги. Математика, физика, астрономия — все изучал самостоятельно. Теорией дело не ограничивалось: уже в юном возрасте Константин начал строить машины с крыльями (подобие самолета) и собрал паровую установку.

В 16 лет Константин приехал в Москву. Жил буквально на хлебе и воде, а имеющиеся деньги тратил на книги. В библиотеках изучал механику и химию. Озадачился тремя осями управления самолета — задолго до братьев Райт. В 1876 году вернулся в Вятку, а в 1878 году сдал экзамен на звание народного учителя и до 1921 года преподавал математику и физику в училищах Боровска и Калуги. 

Параллельно с преподавательской деятельностью Циолковский занимался наукой. В 1882—1883 годах написал свои первые научные работы, посвященные кинетике газов и аэродинамическому подобию. На свои деньги построил аэродинамическую трубу, одну из первых в России, и провел сотни экспериментов. На их основе он теоретически описывал физику обтекания и исследовал, какие формы эффективнее для полетов с точки зрения аэродинамики. 

Только спустя годы государство выделило ему 470 рублей субсидии, на которые он построил трубу большего масштаба. Это позволило изучать аэродинамику более крупных тел — дирижаблей и аэропланов.

Постепенно Константин начал задумываться о более смелом — космосе! Но он не просто мечтал — он рассчитывал. Первым сформулировал уравнение реактивного движения, создал поэтапный план освоения внеземного пространства. Когда ракеты были еще фантастикой, Циолковский уже знал, как они должны летать.

Предлагал орбиту — история выбрала Луну

Особенно поразителен труд Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами», опубликованный в 1903 году. В нем он четко сформулировал этапы освоения космоса — задолго до того, как первые ракеты вообще покинули Землю. 

Если упростить, этапы развития космонавтики он видел так:

1. Оборудование самолета реактивными двигателями. Реальность: 1939 год — первый полет, самолет Heinkel He 178.

2. Первая ракета на жидком топливе. Реальность: 1926 год — тесты ученого Годдарда, 1957 год — Р7, первая межконтинентальная баллистическая ракета.

3. Первые корабли и спутники. Реальность: 4 октября 1957 года —  в СССР был запущен первый в мире искусственный спутник Земли  «Спутник-1».

4. Человек в космосе. Реальность: 12 апреля 1961 года — Юрий Гагарин впервые за историю человечества облетел землю.

5. Орбитальные станции. Реальность: 1971 — станция «Салют». В широком смысле стыковку кораблей «Союз-4» и «Союз-5» в 1967 году тоже можно считать своего рода станцией.

6. Освоение ближайших планет и Луны. Реальность: 1969 год — первая высадку на Луну, миссия «Аполлон-11». В очереди — Красная планета.

7. Расселение человека по Вселенной. Реальность: над этим пока работаем. 

И самое удивительное — эта схема почти полностью сбылась. Не по плану пошел всего один момент: пункты 5 и 6 поменялись местами. Причина — политика. В 1970-е гонка за Луну стала не научным, а геополитическим театром. СССР первым запустил спутник (1957), первым отправил человека в космос (1961) — и США бросили все силы, чтобы не просто догнать, а перегнать. Так родилась программа «Аполлон» и высадка на Луну в 1969-м.

С научной точки зрения это был скачок через ступеньку: мы только научились отправлять человека в космос — и сразу решили лететь по сути на другую планету. Без развитой инфраструктуры, орбитальных станций и выверенной логистики. Но задача тогда была не в этом. Нужно было показать, кто главный в космосе.

Формула Циолковского: закон ракетного полета

Одна из главных заслуг Циолковского — формулировка закона реактивного движения, того самого, на котором работает вся современная космонавтика. Это и есть знаменитая ракетная формула Циолковского — простая на вид, но фундаментальная по сути. По формуле Циолковского летают все ракеты — от первого советского спутника до современных аппаратов SpaceX.

Вспомним физику 8-го класса. Суть реактивного движения в том, что тело ускоряется, отбрасывая часть своей массы — как ракета, выбрасывающая сзади струю раскаленного газа. Циолковский первым математически описал эту логику: его формула связывает изменение скорости ракеты с параметрами топлива и характеристиками двигателя.

Когда я работал в Роскосмосе, мы использовали эту формулу при расчетах полетов ракет и спутников. Более того, она стала основой всей дальнейшей теории космических полетов — без нее невозможно проектировать даже самую простую миссию. Часто именно ракета — важнейший фактор. Например, одним из блокеров полета на Луну и Марс сейчас является отсутствие хорошей ракеты под эти задачи. А основная задача ракеты — доставить груз в определенную точку с определенной скоростью. Тут-то и помогает формула Циолковского: она позволяет посчитать, сколько нужно топлива, чтобы разогнать ракету до нужного значения. Поэтому если вдруг вам захочется быстро прикинуть характеристики ракеты — смело ее используйте. А вот вам калькулятор на поиграться. 

Ракетный поезд и изобретение многоступенчатых ракет

Циолковский не просто вывел ракетную формулу — он первым предложил ее инженерное применение. Так родилась идея, которую он назвал «ракетный поезд».

Главная проблема космических полетов — масса топлива. Чтобы ускорить ракету, нужно сжигать топливо. Но оно тоже весит немало, а чтобы унести больше топлива, нужно еще больше топлива. Получается замкнутый круг. В итоге основная масса ракеты — это баки, а полезная нагрузка — всего несколько процентов.

Циолковский предложил гениальное решение: если топливо израсходовано, зачем тащить пустой бак? Нужно сбрасывать лишнее по ходу полета.

В 1920 году в повести «Вне Земли» он впервые описал идею ракеты, состоящей из нескольких последовательно отсоединяемых ступеней. А в 1929-м выпустил брошюру «Космические ракетные поезда», где подробно описал два возможных варианта архитектуры:

• Последовательный поезд — классическая схема: ступени соединены в линию и отстреливаются одна за другой. Именно она позже и легла в основу реальных запусков — от «Востока» до Falcon 9.

• Эскадрилья — более сложный вариант. Несколько модулей летят параллельно, топливо между ними перераспределяется, а пустые отсеки возвращаются на Землю для повторного использования.

Фактически Циолковский задумал принципы первой многоразовой ракеты — за десятилетия до Илона Маска. Хотя расчеты были точны, проверить их удалось только в 1948 году, когда произошел первый успешный пуск двухступенчатой жидкостной ракеты от Jet Propulsion Laboratory. После этого принцип Циолковского полностью лег в основу современной космонавтики: все ракеты-носители «строятся» из ступеней, и каждая из них последовательно отстыковывается.

Проекты на грани фантастики (пока)

Ракета комфорт-класса

Во многих музеях выставлен макет ракеты Циолковского. Выглядит он примерно так:

Важно понимать, что это символическое изображение, собирательный образ, основанный на идеях, описаниях и чертежах Циолковского. 

Какие это были идеи:

• Заостренная форма ракеты для снижения сопротивления воздуха.

• Отсеки с криокамерами, где космонавты будут спать во время дальних полетов.

• Приборный отсек, где находятся все обеспечивающие системы корабля.

• Центр управления, откуда космонавты могут контролировать ракету. При этом кресла экипажа свободно вращаются, перед каждым — приборная панель.

• Бытовой отсек, который напоминает просторный дом. Ну и, конечно, много места для досуга в принципе.

Пока такие корабли, к сожалению, можно увидеть только в фантастических фильмах. 

Криосон

Интересно, что Циолковский не ограничивался «твердыми» инженерными расчетами — он создавал красочные картины жизни в космосе. Например, в своих работах описывал анабиоз космонавтов, то есть своеобразный криогенный сон для межзвездных перелетов. А еще — замкнутые биологические экосистемы и сложные жилые модули. 

Хотя до сих пор нет полноценного криогенного сна для космонавтов, NASA проводит начальные исследования по индуцированному «торпору». Это кратковременное состояние сниженного метаболизма, позволяющее экономить ресурсы во время длительных миссий. 

Эксперименты по торпору находятся в начальной фазе, и длительность такого состояния у людей пока не превышала нескольких суток. Но в исследованиях для космических миссий NASA и частные компании рассматривают возможность продления торпора до двух недель, а в перспективе — до нескольких месяцев.

Космические станции

В той же «Вне Земли» Циолковский описал то, что сегодня мы называем жизнеобеспечивающим модулем.

Ученые на орбите разворачивают надувную оранжерею — цилиндр с почвой, в котором растут овощи и деревья. По трубкам подается кислород, углекислый газ, и отходы перерабатываются самими растениями. Получается замкнутый биологический цикл, где все работает как в мини-экосистеме. Фантастика? Возможно. Но в 1970-х она стала реальностью.

Проект БИОС-3, запущенный в Красноярске в 1972 году, стал первой убедительной проверкой этой идеи. В герметичном комплексе объемом 315 м³ трое добровольцев жили 180 суток в полной изоляции:

• дышали кислородом, вырабатываемым водорослью хлореллой и сельскохозяйственными растениями;

• питались овощами и хлебом, выпеченным из собственной пшеницы;

• пили воду, очищенную из отходов жизнедеятельности.

Автономность по питанию достигала 80%, остальное — сублиматы и консервы. В итоге получилась полностью рабочая модель замкнутой экосистемы, подтвержденная медицинскими данными: здоровье участников не пострадало.

Через полвека после «Вне Земли» мир получил доказательство: идеи Циолковского о жизни в космосе не фантастика, а инструкция к будущему.

Искусственная гравитация 

Циолковский воображал и вращающиеся космические станции. На его эскизах встречается станция в виде скрученной кольцом колбасы. Он объяснял, что при достаточной скорости вращения возникает центробежная сила, которая создает эффект веса, заменяя земную тяжесть. В своих эскизах, особенно в «Альбоме космических путешествий» (1933), Константин проработал детали конструкции — от шлюзов и модулей до способов крепления оборудования. 

В реальности ни один большой кольцевой космический поселок так и не был построен. Реализовать такую концепцию было бы очень дорого, а раскрутить и контролировать вращение станции массой около 400 тонн (МКС) — очень сложно. Но, возможно, когда-нибудь в будущем мы примем этот вызов!

Космический лифт

В 1895 году, вдохновленный недавно построенной Эйфелевой башней, Циолковский задумался: а что, если бы подобное строение уходило прямо в космос? Идея проста: если построить башню до орбиты, по ней можно будет поднимать грузы без ракет и топлива — на подъемниках. Именно это и стало первой концепцией лифта в космос, хоть Циолковский и не использовал этого слова.

Идея космического лифта по-прежнему возможна в теории, но технически пока она тоже из области фантастики. Главная проблема — материал троса. Он должен выдерживать колоссальное растяжение на десятки тысяч километров и огромный вес конструкции сверху. Никакой известный на сегодня материал с этим не справится, кроме, возможно, углеродных нанотрубок или графена. Но пока не умеем делать их достаточно длинными и прочными одновременно. В лаборатории получаются микроскопические кусочки, а трос лифта — это десятки тысяч километров. Представьте, что вы хотите протянуть кабель от Земли до орбиты хотя бы 500 км, а у вас в руках только миллиметровые ниточки. Сшить из них надежный канат — задача будущего.

Символ космоса

Всего Циолковский написал больше 500 трудов по теме космических путешествий и смежным отраслям. Его формула реактивного движения, опубликованная еще в 1903 году, до сих пор лежит в основе всех расчетов траектории полёта. Он первым предложил многоступенчатую ракету, обосновал необходимость сбрасывать отработанные ступени, разработал проекты космических кораблей и орбитальных станций, предложил замкнутую экосистему на борту. Эти идеи стали теоретической базой, на которую уже в середине XX века опирались Королев, Глушко и их команды. Без этих разработок — не было бы ни «Спутника», ни Гагарина, ни 1961 года.

В Советском Союзе Циолковский быстро стал символом научного прогресса. Уже к середине XX века его официально называли основоположником космонавтики. На юбилейных торжествах — 90-летии и 100-летии со дня его рождения — выступали главные конструкторы страны Королев и Глушко. Они подчеркивали, что многие идеи Циолковского были поняты слишком поздно. 

В 1957 году, в год запуска «Спутника», в Калуге Циолковскому установили памятник. Началось формирование культа «отца космоса»: его именем называли улицы, университеты, медали и корабли.

Циолковский не запускал ракеты и не стоял у пульта управления, но все, что мы запускаем сегодня, летит по его траектории в прямом и переносном смысле. Только представьте: деревенский дом, никакого интернета, ни о каких полетах в космос нет и речи — а человек с бумагой и карандашом описывает архитектуру космических станций и биосфер.

Циолковский не строил будущее — он его вычислял, причем в одиночестве и без лабораторий. Он дал нам четкую карту действий — и со многими вызовами мы уже справились. Остался вопрос, сможем ли мы превратить в реальность все пункты? 

Лично я делаю ставку на криосон и искусственную гравитацию. Мне близка идея, что рано или поздно человек расселится по Вселенной. А вот на космическом лифте прокатиться нам вряд ли удастся. Думаю, мы быстрее создадим дешевые и эффективные ракеты, чем построим такую махину.  

А что вы думаете про труды Циолковского? Пишите в комментариях — с удовольствием почитаю!