Первые в космосе. Шаг в неизвестность

Вертикально вверх

Хотя идея полета к звездам прослеживается еще с древней мифологии, отсчет собственно истории космонавтики принято вести с мая 1903 года. Именно тогда была опубликована статья калужанина Константина Эдуардовича Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами».

В ней ученый показал, что полеты в космос могут быть осуществлены только посредством ракет с двигателями на жидком топливе. Там же он приводил формулу, которая ныне носит его имя и которая увязывала скорость движения ракеты с ее массой и со скоростью истечения продуктов сгорания. Допустим, необходимо запустить спутник на околоземную орбиту. Значит, скорость ракеты после исчерпания топлива должна равняться первой космической скорости (7,91 км/с). Скорость истечения для каждого вещества индивидуальна. Располагая этими двумя величинами, можно перебирать соотношения масс топлива и ракеты – и добиться оптимального значения. Пользуясь формулой, Циолковский сразу определил идеальное топливо для ракеты: если использовать в качестве горючего жидкий водород, а в качестве окислителя жидкий кислород, то грузоподъемность существенно возрастает.

Статья калужского ученого в то время осталась незамеченной, потому более поздние теоретики космонавтики (француз Робер Эсно-Пельтри, американец Роберт Годдард и немец Герман Оберт) сделали собственные расчеты, независимо придя к таким же выводам.

Первую ракету на жидком топливе сконструировал и запустил Роберт Годдард. Произошло это 16 марта 1926 года в Оберне (штат Массачусетс). Миниатюрная ракета «Nell», использующая в качестве горючего бензин, а в качестве окислителя – жидкий кислород, поднялась на высоту 12,5 метров. Результат скромный, но к тому времени имя Годдарда уже было широко известно – пресса писали о нем как о человеке, который чуть ли не завтра собирается отправиться на Луну.

Сенсационные публикации о планах американского инженера вызвали рост интереса к ракетно-космической тематике в Германской республике и Советской России. В конце 1923 года немецкий ученый Герман Оберт опубликовал свою фундаментальную работу «Ракета в межпланетное пространство». В ней помимо расчетов были приведены эскизы ракет двух типов: суборбитальной (для изучения высших слоев атмосферы) и космической (для полета на орбиту и к Луне). Поражала техническая проработанность проекта – ничего подобного в Европе до сих пор не было. В Германии и дружественной Австрии за пять лет после издания «Ракеты в межпланетное пространство» вышло более восьмидесяти книг по ракетно-космической технике. Возник своего рода ракетный бум.

11 июня 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. Почти сразу Общество занялось проектированием небольших ракет.

В мае 1929 года популярный режиссер Фриц Ланг, наслышанный об Оберте, пригласил его стать научным консультантом фантастического фильма «Женщина на Луне». 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 тысяч марок. Назначили и дату старта – 19 октября 1929 года.

О ракете Оберта начала усиленно писать пресса. Хуже обстояло дело с самой ракетой. 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. Однако реализовать этот принцип – сложнейшая задача. Камера сгорания работает в условиях высоких температур, давлений и скоростей. Подобная среда не встречается ни в природе, ни в промышленных установках, поэтому к моменту появления идеи жидкостных ракет наука не изучала эти сложные процессы. Оберт, опираясь на опыт американца Годдарда, выбрал в качестве горючего бензин. После множества экспериментов он создал уникальную коническую камеру сгорания Kegeldüse, однако построить полноценную ракету к премьере «Женщины на Луне» так и не успел.

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. Группа энтузиастов под предводительством Рудольфа Небеля, бывшего военного летчика и помощника Оберта, взялась построить простейшую ракету на жидком топливе, названную «Mirak» (от «Minimumrakete»). Пользуясь поддержкой промышленности, они арендовали участок, расположенный на территории Райникендорфа (почтовое отделение Тегель), рабочего пригорода Берлина. Там они развернули мастерские, испытательный стенд и небольшой полигон. До конца 1933 года на полигоне было осуществлено 87 стартов ракет «Mirak» и 270 запусков двигателей на стенде. Главной проблемой немецких ракетчиков, прозванных берлинской прессой «глупцами из Тегеля», стало отсутствие системы управления ракеты в полете. Для нее требовались гироскопы, но они в то время стоили настолько дорого, что на покупку не хватало всех собранных пожертвований. Из-за отсутствия системы управления ракеты уходили в сторону от заданной траектории, начинали кувыркаться, падали в пике, что, конечно, не могло удовлетворить потенциальных заказчиков.

Последним значительным проектом Общества межпланетных сообщений была так называемая «Pilot-Rakete», которую осенью 1932 года группа Небеля взялась строить на деньги города Магдебурга. Ракета должна была иметь огромные для того времени размеры (высота – около 7,62 м) и мощный двигатель. В одном отсеке планировалось разместить кабину с пассажиром и топливные баки, в другом – двигатели и парашют. Ракета могла достигнуть высоты 1000 м. Пассажиром ракеты вызвался стать техник Курт Хайниш, который немедленно записался на курсы парашютистов-любителей. При первом прыжке он, правда, вывихнул ногу, но коллеги сочли это добрым предзнаменованием.

Попытки запуска непилотируемого прототипа ракеты проходили в июне 1933 года. Поблизости от Магдебурга была сооружена большая пусковая направляющая высотой 12 м, привлекавшая внимание зевак. Предприятие завершилось бесславно: из-за застревания ролика прототип взлетел с направляющей под малым углом, упал на землю и частично разрушился.

Смена политического режима в Германии привела к закрытию полигона в Райникендорфе и установлению армейского контроля над всеми ракетными проектами. Рудольф Небель был арестован за «измену родине», и от концентрационного лагеря его спасло только вмешательство старого знакомца, занимавшего немалый пост в гестапо.

В Советской России ракетное дело поначалу развивалось весьма успешно. После публикаций работ Германа Оберта калужский основоположник Константин Циолковский сумел отстоять свой приоритет в теоретической космонавтике, и у него нашлись последователи. Наибольшую активность на этом поприще проявил выпускник Рижского политехнического института Фридрих Артурович Цандер. Он верил, что Марс обитаем и, добравшись до красной планеты, земляне встретят там высокоразвитую цивилизацию.

Внимание Цандера привлекали вопросы конструирования межпланетных аппаратов, выбора движущей силы, создания замкнутой системы жизнеобеспечения. С 1917 года он приступил к систематическим исследованиям проблем теоретической космонавтики. Результаты своих изысканий в виде проекта корабля-аэроплана для полета на Марс он представил 29 декабря 1921 года на первой Губернской конференции изобретателей, проходившей в Москве. Идеи, высказанные Цандером, оказались настолько завораживающими, что руководство Госавиазавода № 4, на котором он в то время трудился, выделило ему годичный оплачиваемый отпуск на развитие проекта.

Будучи по натуре практиком, Цандер сразу занялся поисками технических решений, которые могли бы ускорить постройку такого аэроплана, и приступил к разработке методик расчета жидкостных ракетных двигателей. При этом он столкнулся с той же проблемой, что и немец Герман Оберт: для создания жидкостного ракетного двигателя нужна теория двигателей, но теория не может возникнуть без двигателя. 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 Королевым.

Сергей Королев, 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 Королев 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, Королев начал перебирать конструктивные схемы планеров с целью найти ту, которая идеально подошла бы для размещения ракетного двигателя, и остановился на «бесхвостке». Оказалось, что такой планер – «БИЧ-8» («Треугольник») – уже существует. Королев сразу присоединился к его испытаниям, которые проходили на аэродроме ОСОАВИАХИМа (Общество содействия обороне и авиационно-химической промышленности). Там молодого авиаконструктора и нашел Фридрих Цандер. Судьбоносная встреча состоялась 5 октября 1931 года, и уже через два дня Королев присутствовал при тридцать втором по счету стендовом запуске двигателя «ОР-1».

Незадолго до этого Цандер начал формировать Группу по изучению реактивного движения (ГИРД). Королев поддержал начинание при условии четкой постановки задачи – проектирование и создание ракетоплана «РП-1» с жидкостным двигателем «ОР-2». Зимой 1932 года Сергей Королев 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. На этом совещании обсуждались перспективы применения ракет в военном деле. Выступил с докладом Королев, который открыто взял на себя ответственность за организацию всех работ. В апреле 1932 года ОСОАВИАХИМ выделил средства для формирования штата ГИРД. Тогда же для размещения группы было найдено подвальное помещение в доме № 19 на Садово-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 Королева назначили начальником ГИРД.

Покровительство военных дорого стоило – теперь нельзя было ограничиться мечтами о грядущих полетах на Марс, от ракетчиков ждали новое оружие. 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 завершить и его новый двигатель «ОР-2».

Пока «гирдовцы» корпели над двигателем, было решено начать испытания нового планера «БИЧ-11» с обычным мотором. Сергей Королев 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, Королев уцелел.

В то же самое время вторая бригада завершила работу над ракетой «ГИРД-09», использующей в качестве горючего сгущенный бензин. Конструкция ракеты упрощалась тем, что не требовалось никаких насосов для подачи компонентов топлива в камеру сгорания. Старт первой советской жидкостной ракеты состоялся 17 августа 1933 года на подмосковном полигоне Нахабино. Ракета взлетела, поднявшись на высоту около 400 м. Полет продолжался 18 секунд. Теперь у Королева было что предъявить военному начальству.

В октябре 1933 года на основе ГИРД был создан Реактивный научно-исследовательский институт (РНИИ). В качестве площадки для его размещения были выбраны здания тракторной лаборатории и двух небольших производственных корпусов Всесоюзного института сельскохозяйственного машиностроения в подмосковных Лихоборах. РНИИ очень быстро стал полноценным учреждением, имеющим свои проектно-конструкторские отделы, научные лаборатории, испытательные стенды, аэродинамические трубы, производственные мастерские, летную станцию в Монино, а также опытный участок и стенд для испытаний двигателей на артиллерийском полигоне в Софрино. Полученные ресурсы Королев стремился использовать прежде всего для реализации своего проекта ракетоплана. В конце 1935 года конструктор добился включения в план РНИИ расчетно-проектных работ по ракетоплану, который проходил в документах под обозначением «Объект № 218».

Замыслы советских ракетчиков до начала Второй мировой войны реализовать не удалось. Руководство РНИИ попало под репрессии, в том числе был арестован, осужден и прошел «тюремные университеты» Сергей Королев. Из всех многочисленных разработок РНИИ в войне использовались только реактивные минометы на автомобильном шасси «БМ-13» – знаменитые «Катюши».

В гитлеровской Германии, напротив, ракетное дело было поставлено на широкую ногу. Работами там руководил Вальтер Дорнбергер – опытный офицер, служивший в тяжелой артиллерии во время Первой мировой войны. Он 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, южнее Берлина.

Ветеран сделал ставку на молодого талантливого инженера – барона Вернера фон Брауна, с юности увлекавшегося ракетным делом. 1 ноября 1932 года тот приступил к работе в Куммерсдорфе, постепенно набирая помощников. Первоначально весь его «штат» состоял из механика Генриха Грюнова; вскоре к ним присоединился двигателист Вальтер Ридель.

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. 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.

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, 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.