108 минут, изменившие мир
Проведя предварительные расчеты, Оберт выбрал в качестве горючего бензин. В то время считалось, что смешение жидкого кислорода с бензином тут же приведет к взрыву. Желая переломить такую точку зрения и добиться устойчивого горения, Оберт начал опыты не с конкретным прототипом двигателя, а в «академической» постановке. Он провел серию экспериментов, изучая поведение тончайшей струйки бензина, направленной в сосуд с жидким кислородом. И однажды взрыв все-таки произошел – ударной волной ученого швырнуло через всю лабораторию. У Оберта лопнула барабанная перепонка и был поврежден левый глаз. Для полного излечения врачи посоветовали ему уйти в отпуск, но упорный ученый продолжил эксперименты.
В итоге Герман Оберт создал уникальную коническую камеру сгорания, названную Kegeldüse[18]. Несмотря на опасения, камера показала стабильную работу. По сути, это был первый в Европе действующий ракетный двигатель на жидком топливе.
Возникали проблемы и другого рода. Требовалось проверить аэродинамические характеристики ракеты. Обычно это делается путем продувки в аэродинамической трубе, но такой эксперимент был очень дорогим и отнял бы много времени. Оберт решил, что качественное представление может дать опыт, сводящийся к наблюдению характера падения модели с большой высоты. Была найдена соответствующая фабричная труба и с нее сброшена деревянная модель ракеты – ее даже удалось сфотографировать в этот момент. «Рекламщики» продемонстрировали смекалку: перевернули фотографию и, сделав таким образом падающую ракету взлетающей, сообщили о «первом экспериментальном старте ракеты Оберта».
Построить полноценную ракету к премьере «Женщины на Луне» Оберт так и не успел. Он допустил перерасход средств и был вынужден на несколько месяцев покинуть Германию.
Герман Оберт и члены немецкого Общества межпланетных сообщений (молодой человек справа – Вернер фон Браун)
В конце концов Общество межпланетных сообщений выкупило у киностудии незаконченную ракету, двигатель Kegeldüse и пусковую установку. В начале 1930 года состоялась конференция, на которой обсуждались дальнейшие планы. В итоге было решено строить упрощенную ракету, которая получила название Mirak[19]. В июле двигатель Kegeldüse успешно испытали на стенде. Теперь предстояло запустить саму ракету.
27 сентября 1930 года Общество приобрело небольшой участок земли, расположенный в районе Рейникендорфа (пригород Берлина). Там возник испытательный полигон, вошедший в историю как Raketenflugplatz – Ракетодром. До конца 1933 года на ракетодроме было осуществлено 87 стартов ракет Mirak и 270 запусков двигателей на стенде[20].
Последним крупным предприятием немецкого Общества межпланетных сообщений стала пилотируемая ракета Pilot-Rakete[21]. По проекту она должна была иметь огромные для того времени размеры (высота – почти 8 м) и мощный ракетный двигатель с «носовой» тягой[22], работающий на смеси бензин-кислород. В одном отсеке планировалось разместить кабину с пассажиром и топливные баки, в другом – двигатели и парашют. Создатели ракеты надеялись, что она достигнет высоты 9 км.
«Pilot-Rakete» – пилотируемая ракета немецкого Общества межпланетных сообщений
В реализации проекта проявила заинтересованность администрация Магдебурга, выделив на него 40 тыс. рейхсмарок. Нашелся даже смельчак, готовый отправиться в ракетный полет, – некто Курт Хайниш.
На начальном этапе члены Общества собирались построить прототип – ракету той же схемы, что и Pilot-Rakete, но меньших размеров. Работа началась в рождественские праздники 1932 года, а первый старт был запланирован на июнь 1933 года. Поблизости от Магдебурга члены Общества соорудили большую пусковую направляющую. 29 июня, после двух неудачных попыток запуска, ракета все же стартовала. При этом один из роликов сошел с направляющего рельса, из-за чего ракета взлетела почти горизонтально и упала плашмя на землю в 300 м. Максимальная высота полета составила около 30 м. На этом проект был закрыт.
В роковом 1933 году к власти в Германии пришли нацисты. Уже зимой количество членов Общества межпланетных сообщений сократилось до трехсот человек, а многие из них лишились средств к существованию. Общество пыталось найти поддержку у военных, однако показательный запуск ракеты Mirak на полигоне Куммерсдорф южнее Берлина не произвел должного впечатления на боевых офицеров – ракета упала всего лишь на расстоянии 3 км от старта.
1.3. Группа изучения реактивного движения
В Советской России также предпринимались попытки создать организацию ракетчиков, занимающихся проектированием систем для космических полетов. Наибольшую активность на этом поприще проявил выпускник Рижского политехнического института Фридрих Артурович Цандер[23].
Позднее Цандер вспоминал, что на его жизненный выбор повлияли два текста: роман Жюля Верна «С Земли на Луну…» и статья Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами», фрагменты из которой зачитал его классу школьный учитель. Цандер верил, что Марс обитаем, и, добравшись до красной планеты, земляне встретят там высокоразвитую цивилизацию. На всю жизнь лозунгом Фридриха Артуровича стал призыв: «Вперед! На Марс!»
Фридрих Артурович Цандер
Внимание Цандера привлекали вопросы конструирования космических аппаратов, выбора движущей силы, создания замкнутой системы жизнеобеспечения. В 1909 году Цандер впервые высказал мысль о том, что в качестве горючего можно использовать элементы конструкции межпланетного корабля[24]. В 1915 году в связи с приближением фронта к Риге Цандер был эвакуирован вместе с персоналом завода «Проводник» в Москву. С 1917 года он приступил к систематическим исследованиям проблем теоретической космонавтики.
Результаты своих предварительных изысканий Фридрих Цандер представил 29 декабря 1921 года на первой Губернской конференции изобретателей, проходившей в Москве. Он специализировался на авиационных двигателях, однако на этот раз решил удивить коллег фантастическим проектом корабля-аэроплана для полета на Марс. Символическое совпадение – в то же самое время находящийся в эмиграции знаменитый писатель Алексей Николаевич Толстой начал работу над романом «Аэлита», в котором собирался описать полет изобретательного инженера Лося и красногвардейца Гусева в космическом корабле на Марс.
Модель межпланетного корабля системы Цандера
Проект, озвученный на Губернской конференции изобретателей, был весьма оригинален. В качестве межпланетного корабля действительно служил большой герметичный аэроплан. В пределах атмосферы он должен был летать с помощью поршневых двигателей высокого давления, а на границе космоса большие крылья втягивались внутрь фюзеляжа и расплавлялись, служа дополнительным топливом для ракетного двигателя. Малые крылья были необходимы для планирования в атмосфере Марса и при возвращении на Землю.
Доклад был принят благосклонно, и тогда Цандер попросил у руководства Госавиазавода № 4, на котором в то время трудился, годичный отпуск для развития проекта. На общем собрании работников просьбу энтузиаста поддержали – идея полета на Марс так завораживала, что было решено отчислять Цандеру процент с зарплаты для того, чтобы он мог спокойно довести свой космический аэроплан до реальной модели.
Будучи по натуре практиком, Цандер сразу занялся поисками технических решений, которые могли бы ускорить постройку такого аэроплана. В 1924 году он приступил к разработке методик расчета жидкостных ракетных двигателей.
Рижский инженер столкнулся с той же проблемой «замкнутого круга», что и немец Герман Оберт: для создания жидкостного ракетного двигателя нужна теория двигателей, но теория не может возникнуть без двигателя.
Двигатель «ОР-1», разработанный Фридрихом Цандером
Фридрих Цандер решил пойти эмпирическим путем, то есть методом проб и ошибок. Прототип он нашел на заводе имени Матвеева в Ленинграде – им стала обычная паяльная лампа. Переделав ее, инженер создал двигатель «ОР-1» («Первый опытный реактивный»), работающий на бензине и воздухе. В период с 1930 по 1932 год Цандер провел большое количество испытаний. Полученные результаты дали возможность перейти к созданию более совершенных двигателей, в которых окислителем служил жидкий кислород. Именно в этот период Цандер познакомился с амбициозным авиаконструктором Сергеем Павловичем Королёвым.
Сергей Королёв, выпускник Московского высшего технического училища и Московской школы летчиков-планеристов, в начале карьеры занимался конструированием планеров. Первую славу ему принес планер «Красная Звезда» – 28 октября 1930 года пилот Василий Степанчонок сделал на нем три «мертвые петли» подряд. О выдающемся полете написали профильные издания: «Самолет», «Красная Звезда», «Физкультура и спорт».
Когда Королёв начал обучение на инженера-конструктора, он не задумывался о космических полетах и ничего не слышал ни о Циолковском, ни о Цандере. Однако стремление летать выше и дальше, присущее всем авиаторам, побуждало его искать новые пути. В майском номере журнала «Самолет» за 1931 год была опубликована подборка материалов о первых удачных опытах с ракетными двигателями – этих сведений оказалось достаточно, чтобы молодой инженер обратил внимание на новые веяния. Заинтересовавшись темой, Королёв начал перебирать конструктивные схемы планеров с целью найти ту, которая идеально подошла бы для размещения ракетного двигателя, и остановился на «бесхвостой схеме». Оказалось, что такой планер – «БИЧ-8» («Треугольник») – уже существует[25]. Королёв сразу присоединился к его испытаниям, которые проходили на аэродроме ОСОАВИАХИМа[26]. Там молодого авиаконструктора и нашел Фридрих Цандер.
Сергей Королев (справа) и Борис Черановский у планера «БИЧ-8»
Судьбоносная встреча состоялась 5 октября 1931 года, и уже через два дня Королёв присутствовал при тридцать втором по счету стендовом запуске двигателя «ОР-1». Видимо, испытания произвели впечатление, и авиаконструктор загорелся идеей создания ракетоплана – самолета с ракетным двигателем.
Незадолго до этого Цандер начал формировать Группу по изучению реактивного движения (ГИРД)[27]. Королёв поддержал начинание – и до ГИРД в Советской России появлялись группы ракетчиков-энтузиастов, однако все они быстро прекращали существование, не имея конкретных задач и, соответственно, финансирования. У ГИРД такая задача была четко сформулирована: проектирование и создание ракетоплана «РП-1» с жидкостным двигателем «ОР-2»[28].
Почему именно ракетоплан, а не большая баллистическая ракета? Объяснение простое – создание больших ракет в ту пору было делом совершенно новым, и любой, кто начинал заниматься серьезным проектированием в этой области, наталкивался на ряд проблем. Одна из серьезнейших – как обеспечить стабильность полета ракеты и ее управляемость на всех этапах? Если в момент старта траекторию движения задавал пусковой станок с направляющими, а в дальнейшем ее поддерживали хвостовые стабилизаторы, то как быть с маневрированием в атмосфере и за ее пределами? Как обеспечить автоматическое регулирование тяги двигателя на различных режимах полета? Ракетоплан, казалось, решал большую часть этих проблем – управляемость обеспечивали крылья и их механизация; тягу двигателя мог регулировать сидящий в герметичной кабине пилот. Кроме того, в авиации уже был накоплен значительный опыт по созданию аппаратов тяжелее воздуха, и этим опытом не стоило пренебрегать.
Схема ракетного планера «РП-1» («БИЧ-11» с двигателем «ОР-2»)
Зимой 1932 года Сергей Королёв формально не являлся членом ГИРД, участвуя в деятельности группы на общественных началах. Однако положение коренным образом изменилось в марте, после совещания, созванного начальником вооружений Рабоче-крестьянской Красной армии Михаилом Николаевичем Тухачевским[29]. На этом совещании обсуждались перспективы применения ракет в военном деле. Выступил с докладом Королёв, который открыто взял на себя ответственность за организацию всех работ группы ракетчиков-энтузиастов.
В апреле 1932 года ОСОАВИАХИМ выделил средства для формирования штата ГИРД. Тогда же для размещения группы было найдено подвальное помещение в доме № 19 на Садовой-Спасской улице. В июле ГИРД была преобразована из сугубо общественной группы в научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую организацию по разработке ракет и двигателей, а с августа стала финансироваться Управлением военных изобретений. Сергея Королёва назначили начальником ГИРД.
Структурно Группа была разделена на четыре тематические бригады.
Первая бригада, которую возглавил Фридрих Артурович Цандер, экспериментировала с двигателем «ОР-1», конструировала двигатель «ОР-2» и исследовала проблематику сжигания металлических добавок в топливе.
Рабочий план второй бригады, возглавляемой Михаилом Клавдиевичем Тихонравовым[30], включал несколько важных позиций, связанных с перспективами развития ракетной техники. Тема, шедшая под обозначением 03, заключалась в разработке кислородного насоса и считалась поистине революционной. Дело в том, что существовавшие на тот момент вытеснительные системы подачи компонентов ракетного топлива отличались громоздкостью, а насос исправил бы положение. Тема 05 была посвящена обеспечению устойчивости полета реактивных аппаратов – для исследований в этой области разрабатывалась экспериментальная ракета с мощными стабилизаторами, переходящими в крылья.
Члены ГИРД обсуждают проект ракетоплана, слева направо: Н. В. Сумарокова, И. П. Фортиков, С. П. Королев, А. Левицкий, Б. И. Черановский, Ф. А. Цандер, Ю. А. Победоносцев, Заботин
Третья бригада под руководством Юрия Александровича Победоносцева[31] занималась уже сущей экзотикой – опытной проверкой теоретических основ воздушно-реактивного двигателя[32]. Для этой цели была построена специальная установка «ИУ-1», на которой исследовались способы зажигания и условия устойчивости горения в таких двигателях.
Четвертая бригада Сергея Павловича Королёва была создана для практического осуществления полета человека на ракетоплане. На начальном этапе работа четвертой бригады сводилась к конструктивной доработке планера «БИЧ-11»[33] с целью установки на нем двигателя «ОР-2».
Покровительство военных дорого стоило – теперь нельзя было ограничиться мечтами о грядущих полетах на Марс, от «гирдовцев» ждали нового оружия. Причем требовалось как можно быстрее представить конкретные результаты.
И вот тут начались сложности. Отправившись в санаторий на отдых, Фридрих Цандер подхватил по дороге сыпной тиф и 28 марта 1933 года ушел из жизни.
Не получалось «довести до кондиции» и его новый двигатель «ОР-2». Пока «гирдовцы» корпели над двигателем, было решено начать испытания нового планера «БИЧ-11» с обычным мотором[34]. Сергей Королёв лично пилотировал планер. Испытания 26 июля 1933 года едва не закончились катастрофой – машина стартовала лишь с третьей попытки и на большой скорости ударилась о землю. К счастью, Королёв уцелел.
Ракета «ГИРД-09» конструкции Михаила Тихонравова
В это время вторая бригада ГИРД работала над ракетой, проходившей в документах под индексом 07, с двигателем на бензине и жидком кислороде. Двигатель на испытаниях постоянно прогорал, поэтому в бригаде производились опыты по поиску других горючих материалов. Однажды камера сгорания взорвалась. По всему коридору гирдовского подвала прошла взрывная волна. Захлопали двери, деревянная перегородка инструментальной, примыкавшей к испытательному боксу, покосилась. А сами испытатели, работавшие за кирпичной стеной полуметровой толщины, едва устояли на ногах. Составили акт, в котором указали, что подобных опытов в подвале проводить больше не следует, и решили расходиться. Но выйти из подвала оказалось непросто – у дверей собрались возмущенные и вооруженные чем попало жильцы. «Гирдовцам» пришлось звонить в милицию и бурно объясняться…
Заставить работать двигатель для «07» никак не получалось. Помог случай. Летом 1932 года старший инженер второй бригады Николай Иванович Ефремов по заданию Королёва ездил в Баку с лекциями по ракетной технике. Там он познакомился с сотрудником Азербайджанского нефтяного института Гурвичем, который рассказал о «сгущенном» бензине. Технология производства этого продукта очень проста: бензин смешивается с канифолью, и получается масса типа солидола. Бакинский «сгущенный» бензин натолкнул Тихонравова на идею создания новой ракеты, получившей обозначение 09[35].
Конструкция ракеты упрощалась тем, что не требовалось никаких насосов для подачи компонентов топлива в камеру сгорания. Жидкий кислород закипал в баке и вытеснялся в камеру сгорания давлением собственных паров. «Сгущенный» бензин помещался в самой камере и поджигался обычной авиасвечой. Корпус ракеты был разделен на четыре отсека: парашютный, полезного груза, топливный и хвостовой. Согласно расчетам, при стартовой массе 19 кг ракета должна была достигнуть высоты 5 км.
Старт первой советской ракеты «ГИРД-09» состоялся 17 августа 1933 года на подмосковном полигоне Нахабино. Ракета взлетела, поднявшись на высоту около 400 м. Полет продолжался 18 секунд и был признан успешным. Теперь у Королёва имелось что предъявить военному начальству.
Подготовка ракеты «ГИРД-09» к запуску
При разработке серийного варианта ракеты, получившего индекс 13, в конструкцию внесли ряд усовершенствований: увеличили тягу двигателя и изменили систему заправки кислородом. Всего было изготовлено шесть ракет, три из них поднялись до 1,5 км. Несомненно, что при дальнейшей доводке этой машины ее создатели добились бы расчетной высоты полета, но их уже поглотила разработка новых и более сложных проектов.
С момента прихода в ракетостроение Сергей Королёв «продавливал» идею создания большого Реактивного института, рассчитывая получить должность его главы. В активе молодого конструктора был определенный опыт работ в новой области техники, его ценили как руководителя, ему доверяли, выделяя крупные ассигнования на исследования. Однако когда приказом по Реввоенсовету № 0113 от 21 сентября 1933 года, а затем Постановлением № 104 Совета Труда и Обороны от 31 октября 1933 года был организован Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ), его начальником стал кадровый офицер Иван Терентьевич Клейменов[36]. Королёву пришлось довольствоваться должностью заместителя. Позднее это спасло Сергею Павловичу жизнь…
1.4. Немецкие «Фау»
После поражения Германии в Первой мировой войне на численность и вооруженность немецкой армии были наложены серьезные ограничения. Пострадала и артиллерия – Версальский договор разрешал Германии иметь всего две сотни полевых орудий и меньше сотни гаубиц. Победители с мелочной мстительностью даже рассчитали и записали в договор положенное к перечисленным орудиям количество снарядов. Однако о ракетах там ничего не было сказано. Этим и воспользовались генералы рейхсвера, в тайне от мира осуществлявшие перевооружение своей армии[37].
В 1926 году при военном министерстве был создан отдел баллистики во главе с полковником Карлом Беккером[38]. Ракеты с жидкостными двигателями теоретически давали возможность стрелять дальше, чем артиллерия, а в отличие от авиации были практически неуязвимы в полете.
Однако задача создания боевых серийных ракет, поставленная перед отделом Беккера, была в то время почти невыполнима. Ведь не имелось ничего, чем можно было бы руководствоваться при их конструировании военным инженерам. Ни один технический институт в Германии не вел работу в области ракет. Не занималась этим и промышленность. Не удалось даже найти хоть какого-нибудь изобретателя, способного предложить готовый проект.
В 1930 году в отделе появился новый человек – капитан Вальтер Дорнбергер[39], профессиональный офицер, служивший в тяжелой артиллерии во время Первой мировой войны. И дело сдвинулось с мертвой точки. Дорнбергер следил за новыми веяниями и даже посещал запуски ракет Mirak, изготовленных членами Общества межпланетных сообщений. Однако работа гражданских энтузиастов не соответствовала требованиям армии, и Дорнбергер с согласия начальства взялся за организацию новой испытательной станции – на артиллерийском полигоне в Куммерсдорфе, в 27 км южнее Берлина.
Вернер фон Браун с моделью ракеты «А-4» («V-2») (© NASA)
Ветеран сделал ставку на молодого талантливого инженера – барона Вернера фон Брауна[40], с юности увлекавшегося ракетным делом.
Первого октября 1932 года фон Браун приступил к работе в Куммерсдорфе под началом у Дорнбергера, постепенно набирая помощников. Первоначально весь его «штат» состоял из механика Генриха Грюнова; вскоре к ним присоединился «двигателист» Вальтер Ридель[41].
Став сотрудником полигона, Вернер фон Браун получил через Беккера небольшую финансовую поддержку армии для проведения экспериментов, связанных с диссертацией, а 27 июня 1934 года с успехом защитил ее, став самым молодым доктором технических наук в Германии. Диссертация называлась «Конструктивные, теоретические и экспериментальные подходы к проблеме ракеты на жидком топливе». Поскольку тема была секретной, текст диссертации опубликовали лишь после 1945 года.
Новому коллективу предстояло решить массу практических задач. И первая из них – какое топливо для серийной ракеты предпочесть? Пионеры «космического» ракетостроения уже накопили определенный опыт работы с сочетаниями спирт-кислород, бензин-кислород и керосин-кислород. Нефтепродукты калорийнее спирта, однако высокая калорийность подразумевает и более высокую температуру факела – без охлаждения камера сгорания быстро теряла прочность. Соответственно, охлаждение камеры сгорания и сопла становилось целой проблемой. Кроме того, за счет спирта можно уменьшить вес ракеты – спирт требует при горении меньшее количество окислителя: чтобы полностью сжечь 1 кг бензина, необходимо иметь 3,5 кг кислорода, а чтобы сжечь 1 кг спирта, нужно всего лишь около 2 кг кислорода.
Вальтер Ридель отыскал еще один довод в пользу спирта. Ракетный двигатель в процессе работы можно охлаждать путем впрыскивания внутрь камеры сгорания некоторого количества воды. И спирт в отличие от нефтепродуктов можно прямо смешать с охлаждающей водой, отказавшись от дополнительных форсунок. Если бы перед Риделем стояла задача сделать двигатель для космической ракеты, то, возможно, он выбрал бы в качестве горючего керосин, надеясь решить проблемы охлаждения камеры сгорания в дальнейшем, однако в той ситуации предпочтение было отдано этиловому спирту.
Деятельность станции «Куммерсдорф» началась с постройки испытательного стенда. В декабре 1932 года на нем был установлен первый двигатель, работающий на смеси спирт-кислород. Однако попытка запустить его окончилась неудачей – двигатель взорвался. Последовал полный разочарований год: ракетные двигатели прогорали в критических точках, пламя факела шло в обратном направлении и воспламеняло топливные форсунки. Но между неудачами случались и успешные запуски, которые показывали, что двигатель можно заставить работать. В 1933 году наступило время проектирования полноразмерной ракеты. Условно она была названа «Aggregat-1» или «А-1».
Сразу встал вопрос об управляемости ракеты. Как опытный артиллерист Вальтер Дорнбергер полагал, что ракета должна стабилизироваться вращением, подобно гироскопу. Поэтому он предложил создать ракету с вращающейся боевой частью и невращающимися баками.
Пока шло проектирование «А-1», двигатель удалось доработать, значительно подняв тягу. Конструкторы решили, что можно сразу делать большую ракету, отказавшись от промежуточного варианта, и запустили в работу следующий проект – «А-2». При этом поменялись не только размеры ракеты, но и ее компоновка – стабилизирующая вращающаяся часть помещалась теперь не в голове ракеты, а в пространстве между баками горючего и окислителя.
К декабрю 1934 года были изготовлены две ракеты типа «А-2», названные в шутку «Макс» и «Мориц», по именам мальчиков-персонажей популярного немецкого поэта-юмориста Вильгельма Буша. Обе они были перевезены на остров Боркум в Северном море и запущены незадолго до рождественских праздников. Ракеты поднялись на высоту 2000 м, причем тяга обеспечивалась не новым, а старым двигателем.