Ракетный бум ХХ века

Иначе обстояли дела в промышленности. Бурно развивалась металлургия, формировалась металлообрабатывающая отрасль. Английский инженер Г. Корт в 1784 году запатентовал способ выделки листового железа методом прокатки заготовки металла между вращающимися валками. К началу восемнадцатого столетия листовой прокат производился уже в промышленных объемах.

В эти же годы, во время обороны города Серингапатам, индусы успешно применяли против английских захватчиков боевые пороховые ракеты, изготовленные из бамбука и снабженные деревянными хвостами для стабилизации полета. Учитывая эффективность нового оружия, некоторые образцы были вывезены в Англию. Там ими заинтересовался полковник Уильям Конгрев.

Изучив конструкцию оружия противника и технологию изготовления ракет, он первым заменил общепринятый в ракетной технике того времени картонный корпус ракеты металлическим. Кроме этого, путем логических умозаключений У. Конгрев перенес рейку, стабилизирующую полет ракеты, в центр, по продольной оси ракеты. Такое техническое решение способствовало повышению стабильности траектории полета ракеты [98].

Однако, как уже отмечалось, середина восемнадцатого века принципиальных новшеств в конструкцию пороховых ракет не привнесла. Обусловлено это было как отсутствием теории работы порохового двигателя, так и методик аэродинамических расчетов корпуса ракеты. А все усовершенствования ракет, из десятилетия в десятилетие, осуществлялись методом проб и ошибок, базировались на интуиции и догадках людей, занимающихся ракетным оружием.

Традиционная, выработанная веками технология изготовления пороховых ракет из картона, выявила самый простой, наиболее технологичный прием изготовления донной части ракеты – в виде выпуклой полусферы. При изготовлении дна из дерева для закрепления картонной гильзы с помощью затяжки бандажом на наружной поверхности заготовки протачивали кольцевые выемки.

Для того чтобы в этом месте не ослаблять деревянную конструкцию и одновременно уменьшить массу дна, внутреннюю поверхность дна вытачивали вогнутой, а внешнюю поверхность – выпуклой. Таким образом, не имея представления о законах аэродинамики сопла, древние создатели ракет нашли оптимальную конструкцию донной части ракеты.

Полковнику У. Конгреву достались индийские ракеты, изготовленные из бамбука.

Бамбук имеет полый стебель, от которого отходят побеги. В местах, где побеги выходят из стебля, образуются утолщения. Они называются узлами, а части ствола между узлами – междоузлиями. Высокая прочность междоузлия обеспечивается тем, что и верхнюю и нижнюю его поверхности природа сформировала в виде полусфер, направленных навстречу друг другу выпуклыми криволинейными поверхностями.

Индийскому создателю ракеты оставалось лишь просверлить по центру междоузлия отверстие и получалось вполне приличное сопло. Так благодаря простоте технологии изготовления ракет из картона с использованием дерева и ракет из бамбука, форма которого обусловлена природой самого бамбука, их сопла имели идентичные конфигурации.

Конгрев проигнорировал природную форму бамбукового сопла и пошел по технологическому пути. Дно своей железной ракеты он тоже сделал в виде полусферы. Но с целью упрощения операции присоединения дна к корпусу выпуклую часть дна он направил вовнутрь ракеты. Это была его грубая ошибка. Форма сопла бамбуковой ракеты способствует формированию ламинарного потока газообразных продуктов сгорания пороха. Поэтому увеличивается скорость истечения газов и, как следствие, увеличивается сила тяги реактивного двигателя.

Для случая металлической ракеты У. Конгрева в зоне вогнутой внутрь чашки сопла по ходу потока газов образуется зона турбулентности, то есть завихрения. В результате резко уменьшается коэффициент полезного действия двигателя и снижается его сила тяги. Поэтому, несмотря на то, что прочный железный корпус ракеты позволял загружать в ее двигатель значительно большее количества пороха, чем в бамбуковую ракету, изделия полковника У. Конгрева летали ненамного дальше, чем индийские бамбуковые ракеты [23].

В России разработкой боевых ракет в начале XIX века занимались чиновник пятого класса провиантского штата Алексей Иванович Картмазов и полковник Александр Дмитриевич Засядко. Свою деятельность в ракетной технике они начинали не с нуля.

Наследник английского престола Георг IV подарил несколько английских ракет Конгрева российскому императору Александру I, которые в 1811 году были переданы для исследования А.И. Картмазову. Тактико-технические характеристики разработанных на их основе Картмазовым и Засядко ракет несколько превышали лучшие показатели ракет Конгрева, в частности дальность полета ракет увеличилась до 3000 метров. Однако никаких принципиально новых конструкторско-технологических решений при создании этих ракет найдено не было [5].

Подводя промежуточный итог нашего анализа, можно сказать, что характерной чертой развития ракетной техники до XIX века было преобладание эмпиризма, отсутствие теоретических основ конструирования и производства ракет. Усовершенствования, вносимые в конструкцию ракет, как правило, не опирались на результаты теоретических или экспериментальных исследований. Практика опережала теорию, умели больше, чем понимали.

Процесс накопления информации всегда продолжается до тех пор, пока ее количество не станет критическим и не начнет переходить в качество. И такой переломный момент в истории ракетостроения наступил. Здесь уместно привести фразу выдающегося ученого, российского химика Д.И. Менделеева – «Наука начинается там, где начинаются измерения».

Первые измерения эксплуатационных параметров пороховых ракет осуществил Константинов Константин Иванович, генерал-лейтенант, российский учёный и изобретатель в области артиллерии и ракетной техники.

Ракеты XIX века были оружием кустарным, изготовлялись вручную, на глазок и уже поэтому не были одинаковыми. Каждая ракета хоть и немного, но отличалась от другой ракеты. К.И. Константинов писал, что необходимо создать «математическую теорию конструкции и стрельбы ракет». Теория требовала практической проверки, и Константинов стал первым в мире инженером, который понял, что качество ракеты нуждается в объективной научной оценке.

В 1847 году Константинов построил ракетный баллистический маятник, на котором установил закон изменения движущей силы ракеты во времени. При помощи этого прибора он исследовал влияние формы и конструкции ракеты на её баллистические свойства, заложив научные основы расчёта и проектирования ракет.

Примечательно то, что спустя почти сотню лет маятник К.И. Константинова использовался в 1933 году сотрудниками Ленинградской газодинамической лаборатории, при доводке первого в мире электрического ракетного двигателя конструкции В.П. Глушко.

Бывший сотрудник и соратник академика В.П. Глушко, Соколов В.С., в монографии, посвященной освоению космоса, пишет: «Особо следует отметить значение изобретенного Константиновым устройства для опытного определения скорости полета на отдельных участках траектории ракет и артиллерийских снарядов. В основе действия устройства лежали измерения дискретных интервалов времени между импульсами электрического тока, точность которых была доведена до 0,00006 с. Это было поразительным по тому времени достижением практической метрологии» [135].

В 1861 году К.И. Константинов опубликовал в Париже на французском языке книгу «О боевых ракетах». В 1864 году ее опубликовали на русском языке в России. На тот момент это была единственная в мире фундаментальная монография по данной теме. Выдающейся заслугой К.И. Константинова является то, что им впервые была сделана попытка научного подхода к вопросам конструирования ракет и заложены основы экспериментальной ракетной динамики. Наступал конец эмпирики.

Время неумолимо продолжало свой бег, заканчивался девятнадцатый век. К этому моменту в армиях большинства развитых стран на вооружение была принята нарезная артиллерия. В 1864 году немецкий инженер А. Крупп изобрел клиновой затвор для орудий, заряжаемых с казенной части.

Впоследствии орудия снабдили противооткатными устройствами, дуговыми и оптическими прицелами. Были разработаны новые сорта артиллерийского бездымного пороха. В результате к началу двадцатого века скорострельность орудий достигала до 10 выстрелов в минуту при дальности стрельбы до 8000 метров, повысилась точность стрельбы [24].

К началу двадцатого века были созданы новые дымные и бездымные пороха, производство ракет уже базировалось на научной основе, и заранее можно было рассчитать тяговую силу ракеты, её тактико-технические характеристики. Но при всем при этом ракеты того периода по всем показателям многократно уступали артиллерийским системам. Поэтому производство боевых ракет пошло на убыль, на вооружении войск остались только сигнальные и осветительные ракеты. В большом количестве продолжали выпускать ракеты только для праздничных фейерверков.

Глава 4. Ракетный бум начала двадцатого века

Мечта человечества о полётах в воздушном пространстве, возможно, впервые была реализована в Китае. В рукописях VI века нашей эры описан полёт человека, привязанного в виде наказания к бумажным змеям [62]. Реально же первый полёт на аппарате тяжелее воздуха совершил Касим Аббас ибн Фирнас – андалусский врач, инженер, изобретатель метронома и водяных часов. В 875 году он прыгнул с небольшого холма с изготовленным им аппаратом, который представлял собой каркас с крыльями из шёлка. Потоки воздуха подхватили его, полет продолжался около десяти минут. Поэтому Аббаса ибн Фирнаса можно считать первым изобретателем дельтаплана [1].

Начало двадцатого века характеризуется бурным развитием всех отраслей металлургической промышленности, химии, электроэнергетики и всего того, что со временем послужило фундаментом для создания атомной бомбы и космического корабля. Европа покрылась сетью железных дорог, соединяющих практически все крупные промышленные центры континента.

Человек наконец-то по-настоящему оторвался от Земли, построив летательные аппараты легче воздуха большой грузоподъемности – дирижабли. Соорудил летательные аппараты тяжелее воздуха, без мотора – планеры, часами парящие в восходящих потоках воздуха. Изобретя двигатель внутреннего сгорания, создал самолет, автомобиль, глиссер, аэросани и еще множество полезных и опасных для человека и природы устройств. И наконец, создав каучуковые шины, накачиваемые воздухом, получил самый популярный вид транспорта – велосипед.

Но на фоне всего этого очевидного благополучия, возможностей перемещаться по и над поверхностью морей и суши, человек не оставил мысли заглянуть за горизонт своей планеты. Не смог забыть вопрос, заданный еще его пращурами: «А что там, на звездах и дальше?»

И нетрудно понять наших талантливых предков. Имея хорошо отработанную технологию изготовления пороховых ракет и самые разнообразные новейшие виды транспорта, они решили начать путешествие к звездам с создания наземных ракетных и воздушно-ракетных конструкций.

Пороховые ракеты дали толчок конструкторской мысли, направленной на исследование принципов реактивного движения. Законы физики, открытые и опубликованные Исааком Ньютоном в 1731 году, показали теоретическую возможность преодолеть земное притяжение и вылететь человеку в бескрайние космические просторы. Однако скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается. Реализацию всех фантастических идей во все века начинали романтики. Для этих представителей рода человеческого окружающая среда и личная жизнь вторичны, а все их устремления направлены на достижение цели.

Но, увы, движение к цели требует значительного количества труднодоступных материальных ресурсов. Сосредоточившись на решении научно-технических вопросов, отключившись от реальной жизни, они совершенно беспомощны в вопросах добычи финансов. И здесь считаю уместным провести небольшой автобиографический экскурс, связанный с эпизодом общения с австралийским миллионером из города Сараматта, пригород Сиднея.

Мишель Болгофф, российский потомственный дворянин. Родители до революции работали в одной из восточных стран. После революции уехали в Австралию. В 1998 году Мишель гостил у своих знакомых в Москве. По стечению обстоятельств целую неделю мы провели вместе. При расставании он сказал: «Анатоль, я за тобой постоянно наблюдал. Ты романтик! А романтики все дураки! Ты никогда не будешь богатым!»

Поэтому становятся понятны проблемы одного из немецких пионеров ракетной техники Макса Валье. Он разработал программу использования ракет в качестве двигателей различных транспортных средств. В своей автобиографии он пишет:

«К сожалению, у меня не было ни денег, ни технических средств, для того чтобы доказать на практике справедливость защищаемых мною положений. Тщетно я пытался путем прочтения более двухсот лекций во всех странах, говорящих на немецком языке, и литературной деятельности собрать средства, необходимые для осуществления моего проекта собственными силами. При таком положении вещей я, наконец, осенью 1927 г. отказался от мысли об осуществлении моего проекта собственными силами и решил искать финансовой поддержки на стороне» [32].

Ему удалось заинтересовать своей программой владельца автомобильной фирмы Фрица фон Опеля. Второй «жертвой» Валье стал инженер Фридрих Зандер, который был владельцем и директором завода, выпускавшего сигнальные ракеты. Таким образом, собралась компания, решившая реализовать фантастическую идею – езду человека на экипаже по земной поверхности, используя в качестве двигателей пороховые ракеты.

Совместные усилия М. Валье и Ф. Зандера при разработке мощных по тем временам пороховых ракет увенчались успехом. На заводе фирмы «Опель», в Рюссельсхейме на Майне, на серийный автомобиль «Опель» была установлена деревянная насадка, на которой были закреплены две пороховые ракеты. В три часа дня 12 марта 1928 года известный автомобильный гонщик Курт Фолькхарт стартовал на этой диковинной машине. После включения поджигания ракет автомобиль пришел в движение. Первый в мире автопробег с ракетными двигателями длился 35 секунд, в течение которых он преодолел 150 метров.

Для официального старта первого в мире ракетного автомобиля на фирме «Опель» был построен специальный автомобиль под названием «Опель Рак 1». По форме он напоминал гоночную машину. На нем были установлены двенадцать ракет. Время горения одной ракеты составляло полторы-две секунды. Пилотируемый Куртом Фолькхартом автомобиль развил скорость 120 километров в час, проехав по автомобильному полю 1500 метров. Затем были «Опель Рак 2» с двадцатью четырьмя ракетами и другие ракетомобили. Но первые два были первыми в истории транспортными средствами, которые пороховые ракетные двигатели привели в движение.

Одновременно с проектом наземного ракетного транспорта М. Валье в сотрудничестве с авиаконструктором А. Липпишем работал над созданием модели бесхвостого планера, оснащенного двумя пороховыми ракетами. Успешные испытания модели, проведенные в начале июня 1928 года, подтвердили реальность полета человека на планере с ракетными двигателями [125].

Для реализации этой идеи был выбран планер типа «Утка». Особенности его конструкции заключаются в том, что рули высоты и направления вынесены на нос фюзеляжа планера, впереди пилота. А фюзеляж с крылом, установленным на его верхней поверхности, заканчивается за его спиной. Планеры такого типа обладают гораздо большей статической устойчивостью и лучшей способностью выдерживать большие ускорения, чем бесхвостые планеры типа «летающее крыло». Две пороховые ракеты были закреплены на конце фюзеляжа, позади пилота. Поэтому вырывающиеся из ракет языки пламени не могли задеть каких-либо частей планера. Такая конструкция планера обеспечивала его полную пожарную безопасность.

Первый успешный полет на ракетоплане с пороховыми ракетными двигателями совершил в июне 1928 года известный немецкий авиатор и руководитель Рёнской школы летчиков Фридрих Штамер. Его полёт длился около восьмидесяти секунд и пролетел он за это время приблизительно полтора километра [125]. Это был первый в истории нашей цивилизации полет человека с использованием ракетных двигателей!

Но этим полётом идеи М. Валье не были исчерпаны. Его проект железнодорожной дрезины с ракетными двигателями реализовали Фриц фон Опель и Фридрих Зандер. Ими была сконструирована и построена железнодорожная дрезина, получившая название «Опель Рак 3». На участке железнодорожного пути Ганновер – Целле 23 июня 1928 года был произведен первый в мире заезд ракетного железнодорожного транспорта. Дрезина весом около 400 килограммов, движимая 10 ракетами, сдвинулась с места и развила скорость 281 км/час [32].

Следующее использование ракетных двигателей в наземном транспорте Валье осуществил зимой. Он изготовил ракетные сани, названные «Валье-Рак-Боб 1». Их длина равнялась шести метрам. Пятьдесят шесть пороховых ракет были укреплены непосредственно позади спинки сиденья водителя. Первый пробег саней был осуществлен 22 января 1929 года, на шлейсхеймском аэродроме близ Мюнхена. Несмотря на сырой снег, сани легко сдвинулись с места, развили скорость, доходившую до 110 км/ час, и проехали расстояние в 130 метров.

Проведение экспериментов с пороховыми ракетами широко освещалось в средствах массовой информации. Доступность выпускаемых пороховых ракет привела к настоящему буму в Европе. Автор статьи «1930 годы – ракетные велосипеды» пишет: «Вообще, ракеты тогда лепили куда попало и с разной степенью успеха. Но максимальную популярность имели ракетные велосипеды. Устраивались даже гонки на ракетных велосипедах. Немецкий инженер Herr Rihter на своём ракетном велосипеде «Raketenrad» 23 марта 1931 года достиг скорости 90 километров час» [112].

Однако всё это было лишь увертюрой к главному назначению ракет – полётам человека в космическое пространство. По мнению М. Валье, первым высказавшим убеждение в технической осуществимости космического корабля и предложившим всесторонне продуманную его конструкцию был Герман Гансвиндт. В 1893 году в докладе, прочитанном в Берлинской филармонии, он представил свой проект обитаемого «корабля вселенной». Двигатель такого корабля Гансвиндт представлял себе в форме толстостенного стального колокола. В его камеру сгорания автоматическое устройство поочерёдно загружает динамитные патроны, размещённые на длинной ленте. Изменение направления полета достигается поворотом взрывного цилиндра. Для спуска необходимо производить взрывы в обратном направлении [32].

Проект Гансвиндта подарил энтузиастам космических полетов надежду на полёты за пределы Земли и досягаемость звездных миров. Много сил, энергии и средств было затрачено ими на совершенствование пороховых ракет и их использование в наземных средствах передвижения. Анализируя результаты экспериментов по использованию пороховых ракет, можно сказать, что нереализованный проект Гансвиндта для своей эпохи был вершиной творчества конструкторов машин с ракетными твёрдотопливными двигателями. Однако ракеты с топливом в виде взрывчатых веществ имели большие недостатки. Прежде всего, уровень развития химии не позволял создавать вещества с большим запасом тепловой энергии. Время горения пороховой ракеты очень мало, и её нельзя включить повторно.

Поэтому создатели ракетной техники вынуждены были начать поиск новых видов высококалорийного горючего и принципиально новых конструкций ракетных двигателей.

Русский инженер Александр Петрович Фёдоров в 1896 году издаёт книгу «Новый принцип воздухоплавания, исключающий атмосферу как опорную среду». В ней он пишет, что до настоящего времени все теоретические положения и практика летательных аппаратов имеют общую основу: «атмосфера принимается за опорную среду», как при плавании в море опорной средой является вода.

Он первым в мире предложил схему аппарата, который может летать без опорной среды, то есть в безвоздушном пространстве, в космосе. По существу, это был проект жидкостного ракетного двигателя. В своих экспериментах в качестве рабочего тела А.П. Фёдоров использовал жидкую углекислоту, водяной пар или сжатый воздух. Отсутствие денежных средств не позволило ему продолжать эти работы [145].

Однако его труд не был напрасным. Книга попала в руки К.Э. Циолковскому. Идеи, изложенные в ней А.П. Фёдоровым, Циолковский, по его словам, использовал при разработке схемы своей космической ракеты. Но, увы, из-за отсутствия массовых средств информации и каналов обмена научно-техническими достижениями между странами о разработках А.П. Фёдорова и К.Э. Циолковского ничего не было известно ни в европейских государствах, ни в Америке.