Мечты о космосе: летательная машина Николая Кибальчича и «ракетные поезда» Константина Циолковского
С тех пор как люди поняли, что звезды и планеты – это не светящиеся точки, перемещающиеся по сферическому небосводу, а огромные космические тела, они стали мечтать о путешествиях за пределы Земли. Поначалу эти идеи относились к области фантастики, но уже в XIX–XX вв. появились разработки, близкие к тем, которые позволили осуществить запуск космических аппаратов.
Еще Иоганн Кеплер, первооткрыватель законов движения планет, мечтал о полете на Луну. Своей мечте астроном посвятил книгу «Сон». Об этом же писал французский поэт Сирано де Бержерак. Для запуска на спутник Земли он предлагал использовать ящик с пороховыми ракетами – так сочинитель XVII в. предвосхитил будущие открытия покорителей космоса. Первое правдоподобное описание внеземного путешествия предложил Жюль Берн в своих романах «С Земли на Луну» и «Вокруг Луны». Писатель был знаком с основами физики и небесной механикой Ньютона, поэтому читатели сразу поверили, что полет на Луну возможен.
Приблизительно в то же время, когда Жюль Берн писал свои фантастические книги, инженеры и изобретатели придумывали реальные способы подняться в космос. Российский военный инженер Третский, служивший на Кавказе, в 1849 г. представил в армейский комитет рукопись с описанием трех разных видов аэростатов, управляемых сжатым воздухом, газом и пороховыми ракетами. Его расчеты были убедительными, но эксперты их отвергли, посчитав саму идею фантастической.
Еще один военный, адмирал русского флота Николай Соковнин, в 1860-х гг. придумал реактивный дирижабль. В своей книге «Воздушный корабль» он писал: «Воздушный корабль должен летать способом, подобным тому, как летит ракета». Роль реактивной струи в двигателе, придуманном Соковниным, выполнял воздух, который засасывался из атмосферы и сжимался при помощи дополнительно установленного двигателя. Эта схема очень близка к современному турбореактивному двигателю, применяемому в авиации.
Совсем другой подход к вопросу полетов был у артиллерийского офицера Николая Телешова. Это изобретение позже назвали «ракетоплан», а сам он называл его «система воздухоплавания». В то время, когда самолетов и понятия о них не существовало в принципе, Телешов разработал прообраз современного по форме и внутреннему наполнению летательного аппарата с воздушно-реактивным двигателем. Российская Академия наук и Военное министерство отклонили проект Телешова, и он запатентовал свое изобретение во Франции и Великобритании.
Сергей Неждановский был еще одним российским инженером, чьи изобретения опередили свое время и не были поняты современниками. Он предлагал использовать для полетов взрывчатое вещество. «Продукты его горения извергаются через прибор вроде инжектора, – писал Неждановский. – Раструб, выпуская воздух с наивыгоднейшей скоростью, достигает экономии в горючем материале и увеличивает время полета». В другом проекте Неждановский обращался к весьма прогрессивной идее жидкостного реактивного двигателя – подобная схема применяется в современных ракетах.
Изобретателем первого ракетного летательного аппарата считают Николая Кибальчича.
Кибальчич не приспосабливал ракету к уже существующим воздушным средствам передвижения, как это делало большинство его предшественников, а создал оригинальный, полностью ракетный корабль. Свой проект Кибальчич писал в тюрьме, в 1881 г., за несколько дней до казни. Он был революционером и состоял в террористической группировке организации «Земля и воля». Знания, полученные во время учебы в Институте инженеров путей сообщения и в результате самостоятельного обучения, Кибальчич использовал для изготовления взрывчатых веществ. При помощи его бомб было совершено покушение на императора Александра II. В результате покушения император погиб, а Кибальчича приговорили к смерти через повешение.
Начиненная порохом ракета взлетает вверх благодаря закону противодействия, открытому Ньютоном: газы от горящего пороха стремительно перемещаются вниз, а трубка ракеты отталкивается от них и устремляется вверх. До изобретения двигателя внутреннего сгорания, продвинувшего вперед авиацию, сила пороха и других взрывчатых веществ (динамита, нитроглицерина) была самой мощной из известных. Кибальчич, изготавливавший бомбы собственного изобретения, хорошо это понимал. Он пришел к следующему выводу: чтобы сделать энергию газов, образующихся при горении взрывчатки, «долгоиграющей», нужно добиться того, чтобы она возникала постепенно, в течение какого-то промежутка времени.
Реактивный летательный аппарат Кибальчича, изображенный на сделанной им схеме, представлял собой пустотелый цилиндр, герметично закрытый сверху и укрепленный при помощи двух стоек на платформе. «Расположим по оси этого цилиндра кусок прессованного пороха и зажжем его, – пишет изобретатель. – При горении образуются газы, которые будут давить на всю внутреннюю поверхность цилиндра. Но давления на боковую поверхность цилиндра будут взаимно уравновешиваться, и только давление газов на закрытое дно цилиндра не будет уравновешено противоположным давлением, так как с противоположной стороны газы имеют свободный выход через отверстие. Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов цилиндр должен подняться вверх».
Прессованный порох должен подаваться в цилиндр постепенно, порциями, что обеспечивало бы длительное образование энергии газов, толкающих ракету. Это обеспечивается неким автоматическим приспособлением – прообразом современных систем подачи топлива в ракетах. Управление летательным аппаратом обеспечивается за счет поворота цилиндра, устойчивость ему придают регуляторы в форме крыла.
В 1881 г. проект Кибальчича не получил хода, по политическим причинам его публикацию сочли неуместной. Его рассекретили лишь в 1917 г., когда создатель теоретической космонавтики Константин Циолковский активно работал над научно обоснованной идеей космического полета. Циолковский разработал несколько решений межпланетных ракет, одно из них было очень близко к проекту Кибальчича. Вот как он его описывал: «Представим себе такой снаряд: металлическая продолговатая камера, снабженная светом, кислородом, поглотителями углекислоты… Камера имеет большой запас веществ, которые при своем смешении тотчас же образуют взрывчатую массу. Вещества эти, правильно и равномерно взрываясь в определенном для этого месте, текут в виде горячих газов по расширяющимся трубам. В расширенном конце, сильно разредившись и охладившись от этого, они вырываются наружу через раструбы с громадною скоростью… Люди в этом аппарате смогут при помощи особого руля направлять его в любую сторону. Это будет настоящий управляемый космический корабль, на котором можно умчаться в беспредельное мировое пространство, перелететь на Луну, к планетам… Пассажиры смогут, управляя горением, увеличивать скорость своего звездолета с необходимой постепенностью, чтобы возрастание ее было безвредно».
Этот космический аппарат ученый называл «дирижабль-звездолет», на чертежах он выглядел как огромная ракета с несколькими отсеками, задняя часть предназначалась для горючего, передняя – для пассажиров и оборудования, поддерживающего жизнеобеспечение.
Циолковский понимал, что первая задача космического полета – вырваться за пределы атмосферы, преодолеть земное притяжение. Для этого звездолет должен развить значительную скорость, но все же она не должна быть чрезмерной, чтобы люди могли выдержать перегрузки. Скорость, по задумке изобретателя, будет набираться постепенно. Когда летательный аппарат окажется за пределами атмосферы, он может либо превратиться в спутник и вращаться вокруг Земли по орбите, либо отправиться дальше, увеличив скорость. Циолковский предусматривал и возможность возвращения дирижабля-звездолета на Землю, для этого ему нужно было вернуться в атмосферу.
Схема ракетного корабля Циолковского
Для первого этапа космического путешествия – преодоления атмосферы – Циолковский разработал многоступенчатые ракеты.
Самый простой вариант представлял собой тандем из двух ракет – земной и космической, вторая должна находиться внутри первой. После того как земная ракета наберет нужную скорость, она отсоединяется, путь продолжает космическая ракета меньшего размера.
Другие варианты – ракетные «поезда» и «эскадрильи». «Поезд» из нескольких ракет набирает скорость таким образом: сначала свое топливо сжигает первая ракета, она отсоединяется, начинается использование горючего второй ракеты и т. д. «Эскадрильи» отличались способом соединения ракет, он был не последовательным, а параллельным. Многоступенчатое устройство ракеты позволяло уменьшить массу последней части, которая летела в космос, и осуществлять разгон постепенно.
Константин Циолковский не смог осуществить детальную разработку своих проектов, это были лишь эскизы, но они содержали огромное количество конструкторских решений, подобные которым были осуществлены при создании реальных космических кораблей и спутников. Главная же заслуга ученого состоит в том, что он одним из первых заговорил о реальности межпланетных путешествий и смог с научной точки зрения обосновать их возможность.
Подготовка к полетам. Королев, Цандер, Оберт и другие конструкторы
Странами, где наиболее активно велась работа по созданию ракет, способных вырваться за пределы земной атмосферы, были СССР, США и Германия. Здесь создавались организации, занимавшиеся подготовкой к будущим космическим полетам, и работали выдающиеся ученые, ставшие пионерами эры ракетостроения.
Немецкий инженер и ученый Герман Оберт шел по следам Циолковского. Он самостоятельно вывел ту же формулу, что и Циолковский, определяющую скорость летательного аппарата с реактивным двигателем. Он также пришел к выводу, что ракетный двигатель должен работать на жидком топливе, и предложил использовать смесь водорода и кислорода.
В 1920-е гг. Оберт переписывался с Циолковским, делился с ним своими идеями и планами. Был у переписки основоположников космонавтики и третий адресат – Роберт Годдард из США. Этому ученому принадлежат весьма интересные разработки: ракета, работающая на бензиновом топливе и оксиде азота в жидком состоянии, и многоступенчатая ракета, во многом похожая на аналогичный проект Циолковского. В 1926 г. Годдард собрал и запустил первую жидкостную ракету, работавшую на бензине и кислороде. Она была небольшой, около 40 см в длину и поднялась всего на 12 метров; тем не менее эксперимент продемонстрировал возможности и перспективы жидкого топлива.
В 1944 г. в Германии была запущена ракета, которая совершила первый суборбитальный полет (полет, проходящий выше условной границы между земной атмосферой и космосом, которая находится на высоте 100 км над уровнем моря). Эта ракета весила около 12 тонн, значительную часть веса составлял запас топлива, 1 тонна приходилась на заряд взрывчатки. При помощи подобных ракет Гитлер надеялся переломить ход войны и одержать победу. Но, к счастью для всего мира, изобретение было недоработано: ракета плохо управлялась, задать точный курс было практически невозможно.
В Советском Союзе первой организацией, которая перешла от проектов к конкретным техническим разработкам, стало Общество изучения межпланетных сообщений, почетным членом которого был Константин Циолковский. Возглавил общество один из выдающихся пионеров ракетостроения Фридрих Цандер. Ему принадлежит множество прогрессивных идей, позволивших продвинуть ракетную технику на новый уровень. Например, он объединил ракетные «эскадрильи» и «поезда» Циолковского и предложил такую конструкцию: центральная ракета большего размера окружена меньшими ракетами, которые, выполнив стартовую функцию, отсоединяются. Подобный принцип применяется в современных тяжелых ракетах. Еще он придумал «космические парусники» – аппараты, использующие для полета энергию давления солнечного света.
Общество, организованное в 1924 г., просуществовало недолго, оно распалось всего через полтора года. Ему на смену пришли более серьезные организации – Ленинградская газодинамическая лаборатория (ГДЛ) и Московская группа изучения реактивного движения (ГИРД). Можно отметить, что Общество изучения межпланетных сообщений, ставившее своей задачей «содействие работе по осуществлению заатмосферных полетов», было первым подобным объединением не только в СССР, но и во всем мире.
Жидкостные реактивные двигатели, собираемые в ГДЛ, поначалу были очень капризными в работе, но уже к началу 1930-х гг., после многочисленных экспериментов, инженерам удалось создать достаточно стабильные конструкции. Параллельно над решением той же проблемы работали инженеры ГИРД под руководством Фридриха Цандера.
Одним из перспективных проектов ГИРД был реактивный ракетоплан, руководил проектом молодой инженер Сергей Королев. Бесхвостый планер (хвост был удален, так как его могла спалить реактивная струя) был чуть больше 3 метров в длину, размах его крыльев при этом достигал 12 метров. Планировалось, что он разгонится до скорости 140 км/ч. Но добиться этого не удалось, планер держался в воздухе всего несколько десятков секунд. Так же как и многие другие неудачные проекты, ракетоплан дал конструкторам ценный опыт, который был использован впоследствии.
Были у группы и успехи, один из них – ракета на жидком топливе ГИРД-09. Во время испытаний, проведенных в августе 1933 г., она взлетела на высоту 400 м и достигла уровня тяги 53 кг. Для того времени это был значительный результат.
В том же 1933 г. ГИРД и ГДЛ слились в единую организацию – Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ). Сергей Королев, ставший заместителем начальника института, продолжил работу над ракетопланом. Параллельно он, вместе с коллегами, проводил эксперименты с крылатыми ракетами, которые планировалось использовать и в военных целях, и для полета в космос. Одним из выдающихся достижений в этой области стала разработка парашютной системы спасения ракеты – позже она будет использоваться для космических аппаратов научного назначения.
Успехи в области крылатых ракет придали конструкторам уверенности в своих силах.
Уже в марте 1935 г. Сергей Королев выступил с заявлением, что РНИИ готов к созданию ракетоплана, управлять которым будет пилот, находящийся на борту.
В первых набросках этот ракетоплан представлял собой самолет с удлиненным фюзеляжем (для размещения больших запасов горючего), укороченными крыльями (из-за высоких скоростей) и герметичной кабиной. Ракетоплан должен был взлетать после разгона по земле при помощи ускорителей, которые потом отсоединяются. Сначала аппарат поднимается под углом 60 градусов, потом, набрав скорость, летит вертикально. Обратно, к земле, ракетоплан тоже движется в вертикальном положении, а перед приземлением меняет его на горизонтальное.
Был у Королева и другой проект для достижения больших высот – комбинированная ракета, изготовленная по типу матрешки. Первая ракета, достигнув определенной высоты, отпадает; дальше летит вторая, находившаяся до этого внутри первой, и т. д. Конструктор считал, что четвертая по счету ракета сможет достигнуть границы космоса.
Хотя начало работы было многообещающим, к сожалению, ни один из этих проектов не был завершен. Репрессии, бушевавшие в СССР, докатились до ракетостроителей. Многие из конструкторов были арестованы, кого-то приговорили к высшей мере. Сергей Королев получил 10 лет лагерей, которые через два года были заменены работой в закрытом конструкторском бюро, где он продолжил проектировать ракетные двигатели.
Датой старта советской ракетно-космической программы считается 13 мая 1946 г., когда было принято постановление о развертывании крупномасштабной работы по развитию в стране ракетостроения. Ракеты были нужны СССР в первую очередь для доставки на большие расстояния ядерного оружия. Начиналась холодная война. За год до этого американцы сбросили атомные бомбы на Хиросиму и Нагасаки, и Советский Союз должен был опередить противника в гонке вооружений. Освоение космоса было второй, не менее важной, целью этой программы.