108 минут, изменившие мир

1.1. Формула Циолковского

Отсчет истории космонавтики принято вести с 1903 года. Именно тогда в майском номере журнала «Научное обозрение» была опубликована статья калужского ученого-самоучки Константина Эдуардовича Циолковского[1] «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В ней ученый показал, что полеты в космос могут быть осуществлены только при помощи ракет с двигателями на жидком топливе.

У открытия Циолковского есть предыстория. Активное развитие воздухоплавания и первые попытки создать аппарат тяжелее воздуха, предпринятые в XIX веке, способствовали появлению проектов межпланетных кораблей. Фантасты с энтузиазмом ухватились за новую идею, тем более что в мифологии и предшествующей литературе можно было встретить описания сказочных путешествий на Луну и планеты. Не заставили себя ждать и деятельные изобретатели.

Однако на пути в космос предстояло преодолеть первое и, пожалуй, самое главное препятствие – земную гравитацию. Еще в 1685 году знаменитый английский физик Исаак Ньютон доказал[2], что для выхода на околоземную орбиту необходимо развить как минимум первую космическую скорость – 7,91 км/с, а для полета к Луне и другим планетам требуется уже вторая космическая скорость – 11,2 км/с. Но как достичь таких скоростей?

К середине XIX века были хорошо известны пороховые ракеты, однако их скорость и управляемость оставляли желать лучшего. Зато артиллерия добилась немалых успехов – появились нарезные орудия, обеспечивающие высокую кучность стрельбы на расстоянии нескольких километров. При этом считалось, что чем больше ствол и пороховой заряд, тем большую скорость разовьет снаряд. Более поздние исследования показали, что максимальная скорость, которую может развить артиллерийский снаряд, лишь ненамного превышает 2 км/с, а увеличение ствола и размера заряда вовсе не способствует росту эффективности – снаряд летит дальше и быстрее, но не достигает теоретически ожидаемых результатов[3].

Однако в XIX веке на артиллерию возлагались большие надежды, и поэтому не приходится удивляться, что первый технически обоснованный проект полета в космос был связан с пушками.

Французский фантаст Жюль Верн

В 1865 году вышел третий роман быстро набиравшего популярность французского писателя Жюля Верна «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут»[4]. В романе описывалось орудие длиной 274 м и весом 68 тыс. т. В качестве взрывчатого вещества использовался пироксилин в количестве 164 тыс. т. Сначала предполагалось при помощи этого орудия послать к Луне снаряд без пассажиров, но потом внутри необыкновенного ядра была устроена каюта, в которой решились отправиться в космическое путешествие трое смельчаков. Разумеется, в романе старт к Луне прошел удачно, а межпланетные путешественники не только выжили, но и отправились в полный приключений полет к соседнему небесному телу. Однако в реальности дела обстояли бы намного хуже.

Допустим, полый снаряд, выпущенный из такой пушки, развил вторую космическую скорость. Однако элементарный расчет показывает, что его ускорение на самом первом и самом коротком отрезке пути по пушечному жерлу оказалось бы столь велико, что все тела внутри приобрели бы вес в 60 тыс. раз больший, чем вес самого тела. То есть пассажиры испытали бы ударную перегрузку в 60 тыс. g[5].

Космический снаряд Жюля Верна

Жюль Верн догадывался, что на описываемых в романе межпланетных путешественников будет воздействовать сильная перегрузка, и даже снабдил снаряд примитивным амортизирующим устройством, полагая, что оно поможет им отделаться легкими ссадинами и ушибами. В XIX веке ученые еще не могли сказать, какую перегрузку способен выдержать человек, но чудовищность названного числа пугала, и, критикуя проект Верна, исследователи писали, что пассажиров такого снаряда буквально размазало бы по полу. И были недалеки от истины – сегодня доподлинно установлено, что смертельной для человека является ударная перегрузка свыше 300 g[6].

Однако персонажей романа поджидала еще одна опасность – сопротивление воздуха. Ведь оно возрастает куда быстрее, чем скорость снаряда. А кроме того, чем быстрее летит тело, тем оно быстрее нагревается и разрушается – свидетельством служат регулярные метеорные дожди. Сопротивление воздуха на выходе из пушки Жюля Верна при указанном им ускорении в буквальном смысле остановило бы снаряд, а жерло разорвало бы на части.

Несмотря на эти серьезные недостатки, проект французского писателя вызвал общественный резонанс. Его обсуждали, и даже выдвигались варианты исправления ситуации. Если сделать орудие длиной в 300 км, удалить из ствола воздух, дуло «вывести» за пределы атмосферы, а снаряд изнутри заполнить водой, которая является идеальным естественным амортизатором, то теоретически можно обойти все проблемы. Вот только эта теоретическая задача не решаема технически – ни во времена Жюля Верна, ни поныне.

Но сама идея захватывала воображение. Позднее многие из основоположников космонавтики признавались, что заняться этой областью их побудил именно фантастической проект «лунной» пушки.

Ознакомился с романом и Константин Циолковский. Еще в юности будущий знаменитый ученый увлекся воздухоплаванием, и это предопределило главный предмет его научных интересов – создание более совершенных аэростатов, дирижаблей и летательных машин.

Константин Эдуардович Циолковский в своей библиотеке

Долгое время космонавтика оставалась для Циолковского на втором плане, но любовь к астрономии привела его к проблематике достижимости космических высот и скоростей. Циолковский сразу разглядел все огрехи проекта гигантской пушки и отказался от него. При этом он рассматривал разные способы выхода в космос, сосредоточившись на использовании центробежной силы – идея разгонной эстакады вокруг экватора или гигантской башни была куда перспективнее, но столь же сложна для реализации[7].

Хотя в ранних рукописях Циолковского уже описана возможность применения силы отдачи для движения в пустоте[8], он еще не думал о ракетах. В 1896 году калужский ученый ознакомился с брошюрой Александра Петровича Федорова «Новый принцип воздухоплавания, исключающий атмосферу как опорную среду»[9]. В ней молодой изобретатель излагал принцип действия придуманного им «прибора», имеющего несколько двигателей: одни служили ему для подъема, другие – для движения в горизонтальном направлении, третьи выполняли роль реактивных рулей. Каждый двигатель состоял из генератора газа и «трубы». Газ под давлением поступал в «трубу» и вырывался наружу, создавая реактивную тягу и тем самым двигая «прибор» в противоположную сторону.

Идея Федорова поразила Циолковского, позднее он писал: «Она толкнула меня к серьезным работам, как упавшее яблоко к открытию Ньютоном тяготения».

Ракетный двигатель Александра Федорова

В своей работе Федоров не приводил никаких расчетов, и ученому пришлось проделать их самостоятельно. 10 мая 1897 года Константин Эдуардович вывел формулу, которая сегодня по праву носит его имя.

Формула Циолковского устанавливает связь между четырьмя параметрами: скоростью ракеты в любой момент времени, скоростью истечения продуктов сгорания из сопла, массой ракеты, массой взрывных веществ[10]. Допустим, необходимо запустить спутник на околоземную орбиту. Значит, скорость ракеты после исчерпания топлива должна равняться первой космической скорости. Скорость истечения для каждого вещества индивидуальна. Располагая этими двумя величинами, можно перебирать соотношения масс топлива и ракеты – и добиться оптимального значения.

Вывод формулы Циолковского (автограф)

Формула сразу дала Циолковскому доказательство того, что полеты к другим планетам посредством ракет возможны. Она же позволила ему установить идеальное топливо для ракеты: если использовать в качестве горючего жидкий водород, а в качестве окислителя жидкий кислород, то грузоподъемность ракеты существенно возрастает.

Обложка журнала «Научное обозрение», в котором впервые была опубликована основополагающая статья Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами»

На основе своих расчетов Циолковский написал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Ее первая часть и была опубликована в 1903 году. В ней, кроме прочего, описана ракета с прямой дюзой, использующая водородно-кислородное топливо. Главное, что давала такая ракета по сравнению с пороховыми, – возможность ускоряться постепенно, избежав ударных перегрузок при старте.

Схема ракеты с прямой дюзой Константина Циолковского (1903)

Статья осталась не замеченной широкой публикой, поэтому ее вторая часть увидела свет только через восемь лет – в 1911 году – на страницах журнала «Вестник воздухоплавания». Здесь Циолковский привел результаты своих вычислений по преодолению силы земного тяготения, полету к другим планетам и выдвинул идею автономной системы жизнеобеспечения для космических кораблей. В эту часть статьи Константин Эдуардович вставил фразу, которая ныне считается девизом космонавтики: «Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели».

1.2. Ракеты Оберта

О Циолковском и его работах появилось множество публикаций[11], однако подлинное признание к нему пришло только в 1923 году, после того как в советской прессе появились сообщения о ракетных достижениях Германии.

Основоположником немецкого ракетостроения по праву считается Герман Оберт[12]. С юности он занимался проблемами теоретической космонавтики. В десять лет прочитал роман Жюля Верна «С Земли на Луну…» и, проделав с помощью учителя физики простейшие расчеты, понял, что проект космической пушки неосуществим. В четырнадцать лет Оберт пришел к выводу, что космос покорится только ракетам. В пятнадцать лет самостоятельно вывел формулу Циолковского. В восемнадцать лет разработал проект ракеты с жидкостным двигателем. В 1917 году Оберт, будучи на военной службе, сконструировал боевую баллистическую ракету высотой 25 м. Компоненты топлива – этиловый спирт и жидкий кислород – нагнетались в ракетный двигатель с помощью насоса. Для стабилизации полета применялся гироскоп[13]. Таким образом, была намечена принципиальная схема жидкостной ракеты, используемая в конструкторских разработках до сих пор.

Основоположник немецкого ракетостроения Герман Оберт

Расчеты показывали, что спиртовая одноступенчатая ракета улетит дальше любого снаряда, но для космических путешествий непригодна – топливные баки постепенно опорожняются и с какого-то момента становятся бесполезной нагрузкой, не ускоряющей, а замедляющей полет. Оберт нашел выход и летом 1920 года описал проект двухступенчатой ракеты. Первая ступень использовала в качестве топлива пару спирт-кислород, а вторая – водород-кислород.

Позднее Герман Оберт обобщил свои изыскания, и в июне 1923 года вышла его монография «Ракета для межпланетного пространства»[14]. Эта книга оказалась первой в мировой литературе, в которой с научной добросовестностью была показана техническая реальность создания больших жидкостных ракет и обсуждались ближайшие цели их практического применения. Привлекали внимание детально проработанные чертежи – ничего похожего в те годы у других пионеров космонавтики просто не было. Благодаря этой книге все увидели, что космонавтика – не только область профессиональных интересов писателей-фантастов, но и вид деятельности, в которой могут проявить свои способности инженеры и промышленники.

Обложка книги Германа Оберта «Пути осуществления космического полета» (1929)

В Советском Союзе книга Оберта тоже вызвала резонанс. 2 октября 1923 года в газете «Известия» появилась рецензия на нее. Всё это возмутило Константина Циолковского, поскольку в рецензии ничего не говорилось о его работах. Чтобы исправить допущенную несправедливость, в 1924 году он выпустил в виде отдельной брошюры второе издание своей статьи 1903 года и разослал ее заинтересованным лицам. Отдадим должное Оберту – он сразу признал приоритет русского ученого, о чем немедленно раструбили советские популяризаторы. В итоге книга Оберта не только послужила толчком для подтверждения приоритета Циолковского, но и способствовала пропаганде ракетно-космической тематики в Советской России.

Следующий труд Германа Оберта под названием «Пути осуществления космического полета»[15] увидел свет в 1929 году. В ней немецкий ученый обобщил и скрупулезно проанализировал свои предыдущие и новые разработки в области ракетостроения. Оберт рассматривал два типа ракет. «Modell B» служила носителем научных приборов для исследования верхних слоев атмосферы, а «Modell E» была предназначена для полета в космическом пространстве. Особый интерес представляет второй тип, поскольку в нем воплотились технические идеи, оказавшие значительное влияние на дальнейшее развитие ракетостроения.

«Modell E» – это ракета с одной большой дюзой и широким основанием, к которому прикреплены четыре опоры-стабилизатора. Она состоит из двух частей: первая разгонная ступень работает на спирте и жидком кислороде, а вторая при том же окислителе использует жидкий водород. В верхней части второй ступени размещена каюта с иллюминаторами, позволяющими вести астрономические наблюдения, – Оберт назвал ее «аквариумом для земных жителей». Высота всей ракеты, рассчитанной на двух пассажиров, оценивалась Обертом как «примерно соответствующая высоте четырехэтажного дома». Общий вес заправленной ракеты перед стартом – 288 т. В ходе космического рейса пассажиры могли на время покидать «аквариум» в специальных костюмах, сходных с водолазными. Торможение в атмосфере при возвращении пассажирской кабины на Землю Оберт предлагал осуществлять посредством парашюта или при помощи специальных несущих поверхностей и хвостовых стабилизаторов, позволяющих планировать и таким образом уменьшающих перегрузку при сбросе скорости.

Modell B – «регистрирующая» ракета Германа Оберта для изучения высших слоев атмосферы

Modell E – двухступенчатая космическая ракета Германа Оберта на рекламном плакате фильма «Женщина на Луне»

Продуманные и технически детализированные работы Германа Оберта произвели фурор. В республиканской Германии и дружественной Австрии за пять лет после издания «Ракеты для межпланетного пространства» вышло более восьмидесяти книг по ракетно-космической технике. Возник своего рода ракетный бум.

5 июля 1927 года, на пике бума, в немецком городке Бреслау (ныне – польский город Вроцлав) собрались несколько человек, увлекавшихся идеей космических полетов, и учредили Общество межпланетных сообщений[16]. Почти сразу члены Общества занялись согласованным проектированием небольших ракет.

В мае 1929 года популярный режиссер Фриц Ланг, наслышанный об Оберте, пригласил его стать научным консультантом фильма «Женщина на Луне»[17]. Когда Оберт приехал в Берлин, возникла еще одна идея – в качестве рекламного трюка запустить перед премьерой настоящую ракету. Ланг ее одобрил, и из бюджета фильма было выделено 10 тыс. рейхсмарок. Назначили дату старта – 19 октября 1929 года.

Рекламный отдел киностудии тут же распространил эту информацию. О ракете Оберта начала усиленно писать пресса. Хуже обстояло дело с самой ракетой. Ведь одно дело – выдвинуть идею и даже обосновать, и совсем другое – воплотить ее в металле.

Принцип действия жидкостного ракетного двигателя кажется простым. Из одной емкости в камеру сгорания поступает горючее (жидкий водород, бензин, керосин, спирт), из другой – окислитель (жидкий кислород), обеспечивающий горение. Смесь в камере поджигается, продукты сгорания вылетают через сопло. Но реализовать этот принцип – сложнейшая задача. Камера сгорания работает в условиях высоких температур, давлений и скоростей.

Kegeldüse – первый жидкостный ракетный двигатель Германа Оберта

Подобная среда не встречается ни в природе, ни в промышленных установках, поэтому к моменту появления идеи жидкостных ракет наука не изучала эти сложные процессы. Однако, чтобы изучить их, нужно иметь хотя бы один работающий двигатель. А его не было. Замкнутый круг.