קונסטנטין ציולקובסקי

קובץ:Tsiolkovsky.jpg

קונסטנטין ציאולקובסקי

קונסטנטין אדוארדוביץ' ציאולקובסקי (ברוסית: Константин Эдуардович Циолковский; ‏ 5 בספטמבר 1857 - 19 בספטמבר 1935) היה מדען רוסי וסובייטי, נחשב לאבי הפיתוח התאורטי בתחום האסטרונאוטיקה הטילים וחקר החלל. יחד עם ממשיכי דרכו הגרמני הרמן אוברט והאמריקני רוברט גודרד, הוא נחשב לאחד האבות המייסדים של תחום הטילים והאסטרונאוטיקה. עבודתו השפיעה בהמשך על מהנדסי טילים סובייטיים מובילים כמו סרגיי קורולייב וולנטין גלושקו והייתה לו תרומה מכרעת להצלחתה של תוכנית החלל הסובייטית. בעקרונות אותם פיתח משתמשים עד היום בפיתוח טילים למסעות חלל.

שנותיו הראשונות

ציאולקובסקי נולד ביזהבסקויה (רוסיה, כיום במחוז ספאסקי, אובלסט רייאזאן) כילד החמישי מבין 18 ילדים שנולדו למשפחה ענייה, לאב ממוצא פולני שעסק בעבודות שונות ולאם רוסיה בעלת השכלה. בגיל 9 לקה ציאולקובסקי במחלת השנית וכתוצאה ממנה הפך חירש למחצה. בגיל 13 מתה אמו.

בגיל 14 הושעה מהלימודים בבי"ס לאחר שקיבל רק שנים ספורות של השכלה פורמלית אך למד בבית באופן עצמאי. כילד שאהב להתבודד בביתו הוא העביר את מירב זמנו בקריאת ספרים והחל להתעניין במתמטיקה ופיזיקה. כנער מתבגר כשהוא מושפע ככל הנראה מסופרי מדע בדיוני מוקדמים כגון ז'ול ורן החל לשקול בדעתו את האפשרות של מסעות בחלל שהסעירה את דמיונו. ציאולקובסקי בילה את מרבית שנותיו בבקתת עץ דלה בפרברי קלוגה, עיר השוכנת כ-200 ק"מ דרום מערבית למוסקבה. כטיפוס מסתגר ומתבודד מטבעו הוא נחשב עוף מוזר בקרב תושבי עירו.

לאחר שהחל מפגר בלימודיו בגיל 16 נרשם ציאולקובסקי לספריית מוסקבה שם למד במשך שלושת השנים הבאות כאשר הוא מלווה על ידי ניקולאי פיודורוב ששימש לו כמעין חונך. בשלב מאוחר יותר החל לדגול ביישוב החלל וגרס כי בעתיד יוביל יישוב החלל את הגזע האנושי למצב אוטופי בו יתקיימו טיפולים רפואיים בחינם לכל דורש וחיי נצח.

כשהוא מושפע מספרו של ז'ול ורן מהארץ לירח, חישב שהשיטה של ז'ול ורן לשימוש בתותח ענק על מנת לירות חללית אל הירח, המופיעה בספרו, תגרום לכוחות תאוצה כאלה שיהרגו את הנוסעים בחללית. בהשראת כתביו של ז'ול ורן החל ציאולקובסקי מפתח תאוריה שכללה אספקטים נרחבים של המסע בחלל והנעת-דחף של רקטות חלל. הוא נחשב לאבי הטיסה בחלל ולאדם הראשון שהגה את הרעיון של מעלית חלל, לאחר שצפה במבנה החדש של מגדל אייפל שנחנך בפריז ב-1895.

על אף הידע הרב שהצטבר אצל הנער, אביו דאג שהוא לא יוכל לקיים את עצמו מבחינה כלכלית כמבוגר והחזיר אותו לביתו משום שחשש שהוא מעביד את עצמו יתר על המידה וסובל ממצב תזונתי ירוד. בעקבות כך (קרוב לוודאי בהשפעת האב) ניגש ציאולקובסקי לבחינות הסמכה להוראה אותן עבר בהצלחה והחל לעבוד כמורה למתמטיקה בעיר בורובסק ליד מוסקבה. בהמשך התחתן עם וארוארה סוקולובייה. על אף היותו "תקוע" בעיר קטנה המרוחקת ממרכזי ההשכלה החשובים, הצליח ציאולקובסקי להגיע לתגליות מדעיות מרובות בכוחות עצמו.

שני העשורים הראשונים של המאה ה-20 לוו אצל ציאולקובסקי בטרגדיות אישיות. בנו איגנאטי שם קץ לחייו ב-1902, וב-1908 חלק גדול מכתביו המדעיים אבד בשיטפון. ב-1911 נעצרה בתו ליובוב בשל השתתפותה בפעילות מהפכנית.

הישגים מדעיים

ציאולקובסקי עצמו ציין כי הוא פיתח את תאוריית הטילים רק כתוספת למחקר הפילוסופי בנושא. הוא חיבר יותר מ-400 עבודות, שרובן כמעט אינן ידועות לקורא הכללי. במשך חייו הוא פרסם כ-90 עבודות על המסע בחלל ונושאים קרובים. בין עבודותיו תוכניות ושרטוטים לבניית רקטות עם מדחפי היגוי, מאיצים רב שלביים, תחנות חלל, מנעלי אוויר, מערכות מיחזור ביולוגי המיועדות לספק מזון וחמצן למושבות חלל וחליפות חלל בעלות לחץ אטמוספירי.

עבודתו המדעית הראשונה מתוארכת לשנים 1880-1881. הוא פרסם מאמר בשם "התאוריה של הגזים", בו הוא התווה את הבסיס לתאוריה הקינטית של הגזים, אך לאחר שהגיש אותה לאגודה הפיזיקלית-כימית הרוסית (RPCS), התבשר שתגליותיו כבר התרחשו לפני 25 שנה. ציאולקובסקי לא אמר נואש בעקבות דחיית המאמר ופרסם מאמר נוסף בשם "המכניקה של האורגניזם החייתי". מאמר זה התקבל ביתר אהדה והוא התקבל לאגודה. עבודותיו המרכזיות של ציאולקובסקי לאחר 1884 עסקו ב-4 תחומים מרכזיים: הרציונל המדעי מאחורי בניית בלון מכוסה מתכת (דיריג'בל או צפלין), מטוסי סילון ורכבות סילון, רחפות וטילים למסע בין-פלנטרי.

ב-1892 הועבר ללמד כמורה בעירו - קלוגה שם המשיך במחקרו. במשך אותה תקופה, החל לעבוד על בעיה שהחלה מעסיקה את מרבית זמנו במשך השנים הבאות - ניסיון לבנות ספינת אויר כל-מתכתית (צפלין) שתוכל להתרחב ולהתכווץ בגודלה.

ציאולקובסקי בנה את מעבדת האוירודינמיקה הראשונה ברוסיה בדירתו. ב-1897, הוא בנה את מנהרת הרוח הרוסית הראשונה עם חלל מבחן פתוח ופיתח את שיטת המחקר הנהוגה בה. ב-1900, בעזרת מענק מהאקדמיה למדעים, ערך מחקר כשהוא משתמש במודלים של הצורות הפשוטות ביותר ובדק את מקדמי הגרר של ספרות, צלחות שטוחות, צילינדרים, חרוטים וגופים אחרים. עבודתו של ציאולקובסקי בתחום האירודינמיקה שימשה כמקור לרעיונות עבור המדען הרוסי ניקולאי זוקובסקי, אבי האירודינמיקה וההידרודינמיקה המודרניים. ציאולקובסקי תיאר את זרימת האוויר מסביב לגופים בעלי צורות גאומטריות שונות, אך מאחר שהRPCS לא סיפק כל תמיכה פיננסית לפרויקט הוא נאלץ לממן את מרביתו מכיסו הפרטי.

ציאולקובסקי חקר את המכניקה של מכונות מעופפות מונעות שכונו "דיריג'בלים" (המונח ספינת אוויר או "צפלין" טרם הומצא). ציאולקובסקי היה הראשון שהציע כיצד ניתן לבנות את הדיריג'בל הכל-מתכתי ואף בנה דגם שלו. המאמר הראשון על ספינות אויר נקרא "בלון מטאלי ניתן לשליטה" (1892), בו הוא ביסס את הרציונל הטכני והמדעי לעיצוב של ספינת אויר עם כיסוי מתכתי. הרעיון של ציאולקובסקי היה מתקדם לתקופתו והוא לא קיבל כל תמיכה או מענק מחקר לנסות ולממש את רעיונותיו. גם פנייה למטה האווירי הכללי של צבא רוסיה לא הביאה כל תוצאות.

ב-1892 הוא פנה לתחום החדש והבלתי נחקר עד אז של בניית כלי טיס כבד מהאוויר. הרעיון של ציאולקובסקי היה לבנות מטוס עם מסגרת מתכתית. במאמרו משנת 1894 "כלי טיס או מכונה מעופפת דמוית ציפור" ישנם תיאורים ושרטוטים של מטוס חד-כנפי, שבמראהו ובאירודינמיקה שלו חזה את העיצוב של המטוס שייבנה 15- 18 שנה מאוחר יותר. במטוס זה לכנפיים היה עיצוב אירודינמי של פרופיל עבה עם קצה קדמי מעוגל שהקנה להם כוח עילוי (כתוצאה מחוק ברנולי) ותרם ליציבות המטוס. אך העבודה על המטוס ועל ספינת האוויר שתכנן, לא קיבלה הכרה על ידי הנציגים הרשמיים של המדע הרוסי, ומחקריו העתידיים של ציאולקובסקי לא זכו לתמיכה מורלית או כספית. בקונגרס השנתי של אסטרונאוטיקה שהתקיים בסנקט פטרבורג ב-1914, הציג את הדגמים הכל-מתכתיים של ספינות האוויר שפיתח אך זכה בתגובות צוננות.

לנוכח אכזבתו הרבה מתוצאות הקונגרס, ויתר ציאולקובסקי על העיסוק בחקר החלל ובאסטרונאוטיקה ועם פרוץ מלחמת העולם הראשונה הפנה מרצו לעיסוק בבעיות העוני הגובר עם הימשכות המלחמה. נושא זה העסיק את מירב זמנו עד פרוץ המהפכה הרוסית ב-1917.

חקר החלל

החל מ-1896, ציאולקובסקי החל לחקור באופן שיטתי את התאוריה של תנועה של מנועי סילון. מחשבות לגבי עקרון הפעולה של רקטות חלל הובעו על ידיו כבר ב-1883, ותאוריה מפורטת של הנעת-דחף פותחה על ידיו ב-1896. ציאולקובסקי ניסח את המשוואה הקרויה נוסחת ציאולקובסקי המגדירה את היחסים בין:

• מהירות הטיל בכל רגע
• מהירות פליטת הגזים מן המנוע
• המסה של הטיל בהתחלה ($\ m_{0}$) ובסוף ($\ m$)

$v_{f}\ =v_{0}+v_{e}\ln {\frac {m_{0}}{m}}$

לאחר שניסח את המשוואה רשם לפניו את התאריך: 10 במאי 1897. באותה שנה פרסם המתמטיקאי הרוסי משצ'רסקי את הנוסחה לתנועת גופים במסה משתנה: .("Dynamics of a Point of Variable Mass," I. V. Meshchersky, St. Petersburg, 1897) עבודתו החשובה ביותר שפורסמה ב-1903 נקראה "חקר החלל הקוסמי באמצעים של התקני תגובה" (ברוסית: (Исследование мировых пространств реактивными приборами. הוא חישב באמצעות משוואת ציאולקובסקי, שהמהירות האופקית הנדרשת להביא טיל במסלול המעגלי הכי קרוב לכדור הארץ היא 8,000 מ'/שנייה (28,800 קמ"ש) ושניתן להשיג זאת על ידי שימוש בטיל רב שלבי המתודלק על ידי חמצן או מימן נוזלי.

ב-1903 הוא פרסם את המאמר "חקר מתקנים רקטיים של החלל החיצון", בו הוכח בפעם הראשונה כי הרקטה מסוגלת לבצע טיסת חלל. בעבודה זו ומאמרי המשך (1911 ו-1914), הוא פיתח מספר רעיונות לגבי טילים והשימוש במנועי רקטות על בסיס דלק נוזלי. התוצאה של הפרסום הראשון הייתה בניגוד מוחלט לציפיותיו של ציאולקובסקי. שום מדענים זרים לא העריכו באותה תקופה את מחקריו שמשמשים כיום כדיסציפלינה מדעית מרכזית בתחום החלל, למעשה ניתן לומר כי הוא הקדים את זמנו. ב-1911 פרסם את החלק השני של מאמרו "מחקר של התקנים רקטיים של החלל החיצון". ציאולקובסקי העריך את האנרגיה הנדרשת להתגבר על כוח המשיכה, קבע את המהירות הנדרשת להניע את המתקן לעבר מערכת השמש (מהירות המילוט) ובחן את חישובי זמן הטיסה. הפרסום של מאמר זה עורר גלים בעולם המדע, וזכה לתמיכה נלהבת ממדענים עמיתים.

ב-1926-1929 ציאולקובסקי מצא פתרון מעשי לבעיית השימוש בדלק הנוזלי על מנת להגיע למהירות מילוט מכדור הארץ. הסתבר שהמהירות הסופית של הרקטה תלויה בקצב זרימת הגז ממנה וביחס בין משקל הדלק ההתחלתי וירידת המשקל של הטיל תוך כדי שהוא נפטר מהדלק. ציאולקובסקי פיתח מס' רעיונות בהם השתמשו בטכנולוגיית הטילים. הם כוללים:

• מייצבי גז (גרפיט) לשליטה בטיסת הטיל ושינוי המסלול של מרכז המסה.
• שימוש ברכיבי הדלק על מנת לקרר את המעטפת החיצונית של החללית (בזמן הכניסה לאטמוספירה)
• מערכת שאיבה להזנת רכיבי הדלק
• זווית השיפוע האופטימלית של החללית בחזרה לאטמוספירה ועוד.

בתחום מנועי הדחף, ציאולקובסקי חקר מספר רב של חומרי דלק מחמצנים וחומרי דלק בעירה והמליץ על שילוב בין חמצן נוזלי למימן או לחלופין חמצן עם פחמימנים. ציאולקובסקי ביצע עבודה פוריה ביותר בתחום התאוריה של מטוסי סילון, והמציא מנוע מבוסס טורבינת גז. ב-1927 הוא פרסם תאוריה ותכנון של רכבת הנוסעת על גבי משטח אויר (הבסיס לרחפת). על פיתוח זה הוא עבד מאז שנת 1921, ופרסם עליו מאמר חשוב בשנת 1927 שכותרתו, "התנגדות אויר ורכבת האקספרס" (ברוסית: Сопротивление воздуха и скорый поезд). ב-1929 ציאולקובסקי כתב ספר בשם "רכבות חלל רקטיות" (ברוסית: (Космические ракетные поезда והציע לבנות רכבות המונעות בצורה דומה לטילי חלל רב שלביים.

ציאולקובסקי קידם את הרעיון של מגוון החיים ביקום והיה התאורטיקן ואיש המדע הראשון שקידם בהתלהבות את חקר החלל על ידי האנושות.

שנותיו האחרונות

רק בשלב מאוחר יותר בחייו קיבל ציאולקובסקי הוקרה על עבודתו החלוצית. הוא תמך במהפכה הקומוניסטית, והממשל הסובייטי החדש בניגוד למשטר הצאריסטי פעל במרץ לקידום המדע והטכנולוגיה. ב-1918 נבחר ציאולקובסקי כחבר באקדמיה הסוציאליסטית. ציאולקובסקי עבד כמורה למתמטיקה בתיכון עד פרישתו ב-1920 בגיל 63. ב-1921 זכה בפנסיה לכל החיים. עם זאת נתקל בעוינות מסוימת מצד הממסד הפוליטי בעיקר בשל תמיכתו באאוגניקה. עם זאת, החל מאמצע שנות ה-20 החל הממסד הסובייטי להכיר בחשיבותה של עבודתו בתחומים אחרים, הוא קיבל אותות כבוד ואף תמיכה כספית להמשך מחקריו. הסופרים יעקב פרלמן וניקולאי רינין היו בין אלה שתרמו במיוחד לעלייה הניכרת בפופולריות שלו בברית המועצות בשנים 1931-1932 והפיכתו לסוג של גיבור לאומי.

ציאולקובסקי מעולם לא בנה רקטת חלל או טילים מסוג כלשהו אולם השפיע על הדורות הבאים של מדעני חלל ומהנדסים. בין מסמכיו של ורנר פון בראון מדען הטילים הגרמני, שהיה ממייסדיה של תוכנית החלל האמריקאית ושיגורו של האדם הראשון לירח, נמצאו כתביו של קונסטנטין ציאולקובסקי. הטילים המוצעים של ציאולקובסקי תודלקו בתערובת של מימן וחמצן נוזליים, אותה תערובת בה השתמשו במעבורות החלל, זאת על אף שהמימן עבר ניזול בפעם הראשונה רק ב-1898.

ציאולקובסקי מת בשנת 1935. פחות מרבע מאה לאחר מותו ראה העולם את הצלחת רעיונותיו ותוכניותיו, עת שוגר לחלל ספוטניק 1, הלוויין המלאכותי הראשון של הארץ.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא קונסטנטין ציולקובסקי בוויקישיתוף

• ביוגרפיה מקוצרת (באנגלית) באתר Russianspaceweb
• היסטוריה קצרה של רקטות וטילים, המאור הקטן, איתי נבו, אתר רשת ב', יולי 2014.