Пионеры ракетостроения в Германии и США
Эксперименты Роберта Годдарда, Макса Валье и других исследователей
В 1909 г. американский ученый д-р Роберт Годдард приступил к широким теоретическим исследованиям в области ракетодинамики. Через три года он провел огневое испытание твердотопливной ракеты с измерением тяги. Ракета была помещена внутри вакуумированного стеклянного резервуара, чтобы доказать, что она может функционировать в безвоздушном пространстве. Этим окончательно отвергалось широко распространенное в то время мнение, что ракета якобы может работать только в атмосфере, где тяга создается в результате отталкивания истекающих газов от воздуха.
В действительности, как известно, ракета движется в соответствии с третьим законом Ньютона, согласно которому для каждого действия (истечения из ракеты) имеется равное и противоположное по направлению противодействие (отдача или тяга). Эксперимент Годдарда показал, что в действительности воздух оказывает лишь «демпфирующий» эффект, замедляя истекающие газы и уменьшая тягу.
В более поздних работах Годдарда рассматривается проект высотной исследовательской ракеты, способной доставлять данные об атмосфере с высот, находящихся вне пределов досягаемости авиации и высотных зондов. Подобно Циолковскому, он предсказал большие потенциальные возможности ракет на жидком топливе.
Д-р Р. Годдард (1882—1945 гг.), совершивший первый в мире запуск ракеты с жидкостным ракетным двигателем (топливо — жидкий кислород и бензин) 16 марта 1926 г., стоит возле своей ракеты. |
Его решительность обеспечила ему прочное место в истории. 16 марта 1926 г. в Обурне, шт. Массачусетс, он осуществил успешный запуск первой в мире жидкостной ракеты. Эта ракета поднялась на высоту 12,5 м, пролетев 56 м за время 2,5 с.
Следующий, кому удалось добиться успеха, был немецкий исследователь Иоганнес Винклер, который 21 февраля 1931 г. вблизи Дессау испытал ракету на жидком метане и жидком кислороде. Ракета поднялась только на 3 м, но через три недели, когда были смонтированы стабилизирующие плоскости, была достигнута высота уже около 90 м.
Другой европеец мог бы пожинать лавры успеха, если бы его эксперименты с жидким топливом были непосредственно направлены на создание ракеты, а не ракетного автомобиля. Благоприятная возможность представилась Максу Валье, немецкому изобретателю, первоначально экспериментировавшему на автомобилях, буерах и железнодорожных вагонах со связками твердотопливных двигателей, после того как он получил поддержку со стороны д-ра П. Хейланда, которому принадлежал завод по производству промышленных газов, в том числе жидкого кислорода. С помощью Вальтера Риделя, одного из инженеров завода, Валье построил и испытал небольшой жидкостный ракетный двигатель с корпусом из стали. 8 марта 1930 г. этот неохлаждаемый двигатель, работающий на этиловом спирте и жидком кислороде, развил тягу около 8 кгс и был установлен на шасси автомобиля «Рак-6». Другой двигатель такого же типа был установлен в марте 1930 г. на автомобиле «Рак-7». После испытания он был демонтирован и усовершенствован (увеличена тяга до 20— 30 кгс). Автомобиль «Рак-7» с этим двигателем демонстрировался 19 апреля 1930 г. на аэродроме Темпельхоф в Берлине. Автомобиль двигался с шумом, истекающая реактивная струя была красноватой и дымной, что свидетельствовало о неполном сгорании топлива.
М. Валье, немецкий инженер. который начал свою деятельность с установки твердотопливных ракет на гоночных автомобилях и буерах. Позже он обратился к жидкостным ракетам. На фотоснимке Валье в момент проведения стендового огневого испытания. |
Валье полагал, что путь к космическим путешествиям начинается с ракетного автомобиля, который должен постепенно развиться в ракетоплан и космический корабль. Этим, в частности, объясняется, почему Валье не стал первым европейцем, запустившим жидкостную ракету. Он сосредоточил свое внимание на испытаниях собственных ракетных двигателей, установленных на управляемых человеком аппаратах.
К несчастью, исследования имели трагические последствия. В ночь на 17 мая 1930 г. Валье и его помощники испытывали новый двигатель, который предполагали демонстрировать на автомобиле во время предстоящей авиационной недели в Берлине. В качестве топлива они использовали смесь воды и дизельного топлива. Были проведены две экспериментальные поездки с соплом, имеющим диаметр критического сечения 28 мм. Валье настоял еще на одной поездке с соплом диаметром 40 мм и с повышенным давлением в камере сгорания для получения тяги 100 кгс. Во время испытания двигателя давление в камере сгорания достигло 7 атм, и горение в двигателе стало крайне неравномерным с резкими взрывными толчками. Затем произошел сильный взрыв, и зазубренный кусочек стали рассек аорту Валье. Истекая кровью, Валье умер.
После смерти Валье Рудольф усовершенствовал его двигатель, уделив особое внимание впрыску горючего и окислителя. Это открыло дорогу новому поколению ракетных двигателей. В конструкции Валье — Риделя горючее подавалось через выдвинутую внутрь камеры форсунку с мелкими отверстиями, а жидкий кислород поступал через отверстия, расположенные вблизи стенки камеры. В конструкции Рудольфа горючее и окислитель подавались через кольцевые щели. Горючее, направленное к стенке камеры сгорания, не только охлаждало ее, но и предохраняло от воздействия окислителя (которое было одной из причин прогаров стенки в конструкции Валье — Риделя). Грибообразная форма форсунки горючего способствовала равномерному смешению впрыскиваемого топлива и, следовательно, очень ровному и спокойному горению без опасности взрыва.
Путем изменения площади сечения входных отверстий системы подачи топлива можно было регулировать тягу двигателя в процессе его работы. Такой ракетный двигатель с переменной тягой был построен и испытан в Куммерсдорфе и впоследствии установлен на самолете He-112 фирмы «Хейнкель», который совершил успешный испытательный полет в 1937 г.
Ракетный автомобиль во время испытательного пробега весной 1931 г. Двигатель имеет усовершенствованную систему подачи топлива, разработанную А. Рудольфом. За рулем А. Пич. |
Герман Оберт
Оберт, вдохновитель работ в Германии в области ракетостроения, был профессором физики и математики. Он родился в 1894 г. В 1923 г. он опубликовал небольшую книгу «Die Rakete zu den Planetraumen» («Ракета в межпланетном пространстве»), в которой не только изложил фундаментальные положения о движении ракет в космическом вакууме, но и доказал, что при достаточной тяге ракета может быть выведена на орбиту вокруг Земли. Так же как Циолковский и Годдард, он исследовал многие топливные комбинации. Самой значительной из всех его работ явилось детальное описание ракеты («Модель В»), которая, как он полагал, может быть использована для исследования верхней атмосферы. Хотя эта ракета никогда не была построена, она вызвала интерес к ракетной технике других талантливых исследователей, и в 1927 г. группа энтузиастов основала в Германии Общество межпланетных сообщений.
Члены общества приступили к разработке небольших жидкостных ракет, чтобы отработать основные принципы проектирования. На основе проекта Оберта был разработан двигатель «Кегельдюзе» (конический двигатель). Изготовленный из стали и меди, покрывающей его с внутренней стороны, двигатель был неохлаждаемым и работал на бензине и жидком кислороде.
Двигатель «Кегельдюзе» оказался важным этапом в двигателестроении Германии. Чтобы поддержать веру в новую технику, Г. Оберт, Р. Небель и К. Ридель подготовили стендовый эксперимент, который был проведен при строго контролируемых условиях в соответствии с требованиями Бюро стандартов. Фон Браун и Р. Энгель помогли наладить экспериментальную установку, и 23 июля 1930 г. была зарегистрирована успешная работа двигателя «Кегельдюзе» в течение 90 с при постоянной тяге 7 кгс и потреблении 6 кг жидкого кислорода и 1 кг бензина.
Профессор Г. Оберт излагает одно из положений теории планет. |
Небель, который работал с Обертом над ракетой для УФА, в дальнейшем предложил, чтобы Общество межпланетных сообщений построило ракету под названием «Минимальная ракета» (сокращенно «Мирак») для проведения экспериментов с жидкими топливами при малых затратах. Корпус первой ракеты «Мирак», являвшийся одновременно баком окислителя, был изготовлен из литого алюминия и имел форму цилиндра с обтекаемой носовой частью, где был смонтирован предохранительный клапан. Внутри монтировался конусообразный ракетный двигатель, а выступающая назад вдоль сопла конструкция представляла собой металлическую трубку, заправленную горючим. На конце трубки имелся небольшой бачок со сжатым углекислым газом для подачи горючего в камеру сгорания. Жидкий кислород подавался за счет давления собственного пара. Испытания ракет серии «Мирак», а затем и серии «Репульсор» проводились на полигоне в Рейникендорфе в Берлине. Некоторые ракеты были укомплектованы парашютами для возвращения их на Землю.
Полеты ракет «Мирак» часто были неудачными. Теплота, выделяющаяся в ракетном двигателе, погруженном в жидкий кислород, вызывала его интенсивное испарение, в результате развивалось высокое давление, которое разрывало бак, несмотря на наличие предохранительного клапана. Поэтому было решено создать ракету новой конструкции, получившую название «Репульсор».
В первой ракете «Репульсор» (двухстержневой) жидкий кислород и горючее заполняли две трубки из магния такого же поперечного сечения, как и в ракете «Мирак». Охлаждаемый водой двигатель размещался в головной части ракеты. Хотя ракета такой конструкции была тяжелой, при испытаниях она поднялась на высоту 18 м и медленно приземлилась. Единственной поломкой было разрушение линии горючего. В мае 1931 г. ракета «Репульсор» меньшего веса с четырьмя хвостовыми стабилизаторами из листового алюминия достигла высоты 60 м, покрыв расстояние 600 м.
В августе 1931 г. был разработан новый вариант ракеты — одностержневой «Репульсор». В этом варианте топливные баки были смонтированы в одну линию, в то время как в двухстержневом «Репульсоре» они располагались параллельно. Установленный в головной части двигатель имел водяную рубашку с проточным охлаждением. Контейнер с парашютом был размещен между хвостовыми стабилизаторами. Первая из этих ракет при запуске поднялась на высоту около 1 км, последующие образцы иногда достигали высоты около мили (~1600 м), однако, несмотря на успехи, конец этих работ был уже близок. Германия находилась в тисках экономической депрессии, число членов Общества межпланетных сообщений быстро сокращалось, многие жители кварталов, окружавших ракетный полигон в Рейникендорфе, и городские власти высказывали свое неудовольствие тем, что запуски ракет проводились в городе. В результате Общество межпланетных сообщений распалось и официально прекратило свое существование в 1934 г.
Дальнейшее развитие ракетостроения в Германии происходило при поддержке военного ведомства. В 1932 г. жидкостные ракеты были продемонстрированы группе офицеров на армейском испытательном полигоне в Куммерсдорфе. Пуски были успешными лишь частично, иногда ракета разрушалась до раскрытия парашюта.
Иоганнес Винклер и Эйген Зенгер
Описание раннего периода развития ракетной техники в Германии будет неполным, если не привести некоторых данных об основателе и первом президенте Общества межпланетных сообщений Иоганнесе Винклере. С 1925 г. он занимался проблемами ракетной техники. Он редактировал журнал Die Rakete («Ракета»), издававшийся Обществом межпланетных сообщений. К экспериментам с пороховыми ракетами он приступил в 1928 г. В Высшей технической школе в Бреслау Винклер изучал процессы теплопередачи в камере сгорания, работавшей на жидком кислороде и спирте. Впрыскивание компонентов топлива осуществлялось в направлении, противоположном направлению истечения продуктов сгорания.
|
Военнослужащий с одностержневым «Репульсором» на полигоне в Куммерсдорфе, 1932 г.
|
|
В рамках шестимесячного контракта с фирмой «Юнкерс» он провел классификацию всех известных пороховых ракет, используя специальную контрольно-измерительную аппаратуру для регистрации их характеристик. Затем он приступил к экспериментам, изготовив цилиндрическую камеру сгорания с длинным коническим соплом. Исследовал возможность применения стали и меди. Для тепловой защиты стенок камеры Винклер использовал тонкий слой магнезитового огнеупорного материала. Следует отметить, что Оберт также применял этот материал в период работы над одной из ракет. Впоследствии по возобновленному контракту Винклер провел натурные испытания гидросамолета с ракетными двигателями для фирмы «Юнкерс». Срок этого контракта истек в апреле 1931 г.
Вверху. И. Винклер (1897—1947 гг.) возле своей ракеты HW-1, заправленной жидким метаном и жидким кислородом. Полагают, что это первая жидкостная ракета, запущенная в Европе. |
В этом же году молодой австрийский инженер д-р Эйген Зенгер приступил к серии экспериментов с ракетными двигателями, используя оборудование Венского университета. Созданный им ракетный двигатель имел сферическую камеру сгорания диаметром 5 см и сопло длиной 25,4 см. Камера сгорания и часть сопла были окружены охлаждающей рубашкой, в которую подавалось легкое нефтяное горючее. Затем горючее поступало в камеру, где сгорало в смеси с газообразным или распыленным жидким кислородом. Насос горючего фирмы «Бош» типа используемых в дизельных двигателях прокачивал горючее через охлаждающую рубашку при высоком давлении. В результате внутренняя стенка камеры не только охлаждалась, но и разгружалась, так как в отличие от наружной стенки камеры она находилась под действием разности давлений в камере сгорания и в охлаждающей рубашке и, следовательно, могла быть более тонкой. Чем тоньше стенка камеры, тем меньше ее тепловое сопротивление и лучше условия охлаждения. Таким образом, повышение давления подачи привело не только к повышению эффективности двигателя вследствие возрастания скорости истечения и тяги, но и обеспечило большую продолжительность его надежной работы (без местных перегревов и сквозных прогаров).
Зенгер провел огневые стендовые испытания двигателя в горизонтальном положении, использовав специальную систему его подвески и измерения тяги, и сообщил, что им получены значения тяги около 25 кгс и времени работы более 15 мин (в одном случае полчаса!). Однако появление при работе двигателя яркого пламени в выходном сечении сопла свидетельствовало о неполном сгорании, и это заставило Зенгера обратить особое внимание на геометрию камеры сгорания и заняться детальным изучением газодинамики внутрикамерных процессов.
| Вверху. Ракета HW-2, созданная в 1932 г. И. Винклером и его сотрудниками. Хотя при проектировании ракеты не были допущены ошибки, ракета взорвалась. | |
Тем временем ободренный результатами испытаний ракеты HW-1 Винклер приступил к созданию большой ракеты на жидком кислороде и метане, которая, как он полагал, могла достичь высоты 5000 м. По предложению Хюккеля, который финансировал работы Винклера и некоторые работы Небеля в области ракет, было решено перевести лабораторию Винклера из Дессау на ракетный полигон в Рейникендорфе, чтобы объединить их в единый центр и получить максимальную пользу при ограниченных ресурсах. Объединенная исследовательская организация получила название: Винклеровский исследовательский институт реактивного движения. Вместе с Энгелем и другими специалистами Винклер создал ракету HW-2, которая имела длину 1,9 м и для своего времени отличалась высоким техническим совершенством. Топливные клапаны ракеты были изготовлены из нового сплава алюминия с магнием — электрона.
Винклер получил разрешение запустить ракету HW-2 на Балтийском побережье Восточной Пруссии. Однако когда утром 6 октября 1932 г. стартовая команда заправляла ракету топливом, было обнаружено, что пусковые клапаны окислителя и горючего имеют течь. Никто не подозревал, что электрон корродирует при воздействии морской воды. Энгель позже писал: «Мы решили рискнуть и продуть корпус ракеты азотом непосредственно перед запуском. Это было сделано, но, по-видимому, недостаточно тщательно. Когда был включен воспламенитель, между внешней обшивкой ракеты, баками и камерой сгорания еще оставалось достаточно взрывчатой смеси, и наша «прекрасная» ракета разорвалась на куски». Все были глубоко разочарованы. Винклер вернулся на фирму «Юнкерс». Энгель пытался продолжить работу в рамках добровольного общества.
Работы группы фон Брауна
Дальнейшее развитие ракетной техники в Германии было связано с работами другой группы Общества межпланетных сообщений — группы Риделя, Небеля и фон Брауна. Армия проявляла явный интерес к работам в области ракетной техники, но развивать исследования в рамках Общества межпланетных сообщений не была намерена. Более целесообразным оказалось подробное изучение характеристик ракет на собственных испытательных стендах. В 1933 г. Управление вооружений образовало специальное подразделение по ракетной технике под руководством Дорнбергера. Фон Браун, был назначен руководителем работ по жидкостным ракетам. Его лаборатория занимала одну половину бетонированного бункера, в другой половине проводили исследования твердотопливных ракет, а штат сотрудников на первых порах состоял из одного механика. В январе 1933 г. удалось создать охлаждаемый водой ракетный двигатель, который при стендовых испытаниях развивал тягу 140 кгс в течение минуты.
Военное ведомство охотно поддерживало работы по созданию жидкостных ракет, которые стали развиваться быстрыми темпами. В первой ракете А-1, предназначенной для летных испытаний, был использован ракетный двигатель с регенеративным охлаждением и тягой 300 кгс, который работал на жидком кислороде и спирте.
Однако во время стендовых испытаний двигатель взорвался, так как в его камере сгорания в результате задержки воспламенения накопилась взрывчатая смесь (обычная причина аварий в ранних конструкциях жидкостных двигателей).
Было решено не продолжать отработку ракеты А-1, а заново ее перепроектировать. В частности, было решено перенести маховик из носовой части ракеты в плоскость вблизи центра тяжести баков. Маховик предназначался для стабилизации ракеты от воздействий внешних возмущений. В ракете еще не применялись воздушные стабилизаторы или газовые рули. Две ракеты А-2, запущенные в декабре 1934 г. с о-ва Боркум в Северном море, достигли высоты 1,5—2 км.
Следующим шагом в работах по жидкостным ракетам явилось создание ракеты А-3 — первой немецкой ракеты, имевшей гиростабилизированную платформу с акселерометрами, электрические сервомоторы и молибденовые газовые рули. Такая схема позволила отказаться от наклонной пусковой установки и запускать ракеты, установленные вертикально на хвостовом оперении, так как управление полетом при малых скоростях обеспечивалось газовыми рулями. Экспериментальные запуски ракет А-3 были проведены осенью 1937 г. с о-ва Грейфсвальдер-Ойе в Балтийском море, но они оказались неуспешными из-за отказов системы управления.
Фон Браун пополнил состав своей группы, включив в нее ряд специалистов, в том числе некоторых сотрудников Валье. После смерти Валье его группа продолжала работать во главе с В. Риделем под покровительством военного ведомства в акционерном обществе «Индустригазфервертунг» в Бритце близ Берлина в обстановке строгой секретности. Решение военного ведомства об объединении группы Риделя с группой фон Брауна в Куммерсдорфе еще более активизировало работы по жидкостным ракетам. В связи с намерением этого ведомства практически применить жидкостные ракеты был разработан новый проект — ракета А-5. Начиная с 1933 г., военное ведомство Германии получало в свое распоряжение значительно большие ассигнования. Ракетные двигатели стали устанавливать на самолетах ВВС Германии. Сухопутные войска стали проявлять интерес к баллистическим ракетам как средству повышения дальности действия артиллерии. В связи с этим было решено организовать главный ракетный исследовательский центр вблизи деревни Пенемюнде на Балтийском побережье Германии, где можно было запускать ракеты на дальность более 300 км. Огромный по масштабам того времени центр, который сооружали в течение двух лет, был оснащен совершенным лабораторным оборудованием и испытательными стендами. Ракетное подразделение было переведено в Пенемюнде в апреле 1937 г.
| Вверху. Немецкая ракета А-3, подготовленная для наземных испытаний на испытательном полигоне в Куммерсдорфе в 1937 г. Ракеты А-3 запускались с о-ва Грейфсвальдер-Ойе в Балтийском море, но полеты были неудачными. | |
В Пенемюнде была завершена разработка проекта ракеты А-5 и первые ее запуски без системы управления были проведены летом 1938 г. с о-ва Грейфсвальдер-Ойе. Первый пуск с системой управления был отложен до осени 1939 г. и прошел успешно.
Главы из книги К. Гэтланда "Космическая техника"