50 години от експедициите Аполо: германският период в историята на ракетостроенето

Германският период в развитието на ракетната техника (1932-1945 г.) е времето, когато ракетостроенето навлиза в едно бурно развитие в теоретично, експериментално и конструктивно отношение.

Към края му, ракетите с химически течногоривни двигатели (ТчРД) достигат качественото съвършенство. В следващите години, чак до наше време, тези двигатели само се усъвършенстват и стават по-мощни. Устройството и основните им блокове почти не се променят. Разликите между ракетния двигател на A-4 и следващите конструкции от 50-те години: РД-107, F-1, та дори и американските криогенни двигатели, е до голяма степен количествена, а не качествена. Резултат от едно взривообразно развитие, което само за 13-15 години промени из основи теорията и конструктивното изпълнение на ракетните двигатели и ракетите-носители.

Това позволи на човечеството да излезе в Космоса, да стъпи на друго небесно тяло и да види оттам родната си планета. Всичко беше постигнато единствено в Германия, благодарение на една малка група ентусиасти и преди всичко благодарение на войната. Военните усилия на Германия осигуриха за един фантастично кратък срок от 7-8 години възможност за невероятен количествен и качествен скок на ракетната техника, почти от нула. Това става възможно най-вече поради огромните ресурси, отделени от военните за създаване на новото оръжие, както и на квалифицираните специалисти и перфектната организация.

Като оръжие, балистичните ракети не успяват да обърнат хода на войната. Но като военна плячка в ръцете на победителите, под формата на ноу хау, специалисти, оборудване и голям брой готови ракети, те променят света във военно и техническо отношение. Следващите десетилетия планетата живее под знака на надпреварата в ракетно-ядрените оръжия и космическите изследвания.

Всичко това започва в Германия, с редица знаменателни събития, на които тогава, в тежките следвоенни години, едва ли някой е обърнал внимание.

Като резултат обаче, през 1942 г. ще бъде създадена първата балистична ракета с ТчРД, която представлява една пълноразмерна оръжейна система. Същата година обаче става и едно изключително събитие, с огромно историческо значение, на което тогава също не се обръща внимание поради секретния характер на експериментите. По-късно победителите също не разкриват подробности.

През 1942 г., по време на експериментални стартове с ракетата А-4 (известна още като V-2), е достигната височина 188 км, т.е. с 88 км над т.нар. Линия Карман, приета сега за условна граница между земната атмосфера и космическото пространство.

С други думи, за пръв път в човешката история, апарат построен от човека, излиза в космическото пространство…

Началото

Всъщност, първата ракета с ТчРД е създадена в САЩ от Робърт Годард. На 16 март 1926 г. в Обърн, Масачузетс, той изстрелял успешно първата такава ракета.

През 1923 г., професорът по физика Херман Оберт публикува в Германия книгата „Ракета за междупланетното пространство“ (Die Rakete zu den Planetraumen), основна работа по теорията за ракетна техника и пътуване в космоса.

През 1927 г., Йоханес Винклер регистрира Общество за пътуване в космоса (Verein fur Raumschiffahrt) или VFR, в град Бреслау, Германия. Сред неговите първи членове били Макс Валер, Херман Оберт и Уолтър Хохман, сега легендарни имена в историята на ранния космически полет.

През август 1930 г., германски патентни чиновници удостоверяват, че ракетен двигател, наречен KEGELDUESE, проектиран от професор Оберт, е създал седем килограма тяга за време 90 секунди. Това било последвано от полети на малки експериментални ракети, които са тествани в бивш армейски склад близо до Берлин.

В края на 20-те години на 20-и век, в ракетните изследвания се включва и студентът Вернер фон Браун. Той се запознава с Оберт и става член на VFR. Участва в малка студентска група, която се занимава с ракетни експерименти на едно поле край Берлин. Тяхната работа заинтересува военните и най вече капитан Валтер Дорнбергер, ръководител на ракетните изследвания на Райхсвера. Той привлича младия фон Браун като стипендиант и му осигурява средства, за да учи в Цюрих и да изготви докторската си дисертация по физика, по-голямата част от която е засекретена. По това време армията щедро финансира ракетните разработки. Германия е победена и няма право да развива артилерията, но ракетното оръжие не било предвидено в забраните на Версайския договор.

В края на 1932 г. е създадена експерименталната военна станция Кумерсдорф, близо до Берлин, за разработка на ракети с течно гориво. Успешно са създадени и изпитани ракетите от серията А-2.

В началото на декември 1934 г. първите две ракети с течно гориво А-2 успешно са изстреляни от остров Боркум в Северно море. Максималната височина, която достигат, е 2000 метра. Започва проектиране на А-3 и А-4. Работите се разрастват и успехите не закъсняват. Междувременно, полигонът в Кумерсдорф става тесен, а и използването му създава опасности за гражданското население.

И накрая, през април 1935 г. се провежда много важна среща с висши чинове от армията начело с генерал Кеселринг. Взето е решение да се строи нова модерна изпитателна станция на отдалечено място на балтийското крайбрежие. Разходите се поемат от сухопътните сили и от ВВС. След приключване на строителството цялата зона ще бъде прехвърлена под контрола на армията.

През 1936 г. започва да се строи нова огромна база в Пенемюнде, полигон за изпитание на ново поколение балистични ракети от серията „А“ (наречени по-късно от Хитлер „Фау“). Дорнбергер е ръководител на базата, а фон Браун става технически директор.

През 1936 г. бюрото за проектиране, ръководено от проф. Ридел, започва работа по първата голяма ракета А-4. Няколко седмици по-късно са определени основните параметри на А-4. Смятало се, че началното ѝ тегло ще бъде 12 тона. За да се постигне тяга от приблизително 25 тона и време на изгаряне 65 секунди и ако се предположи, че скоростта на изтичане на газовете ще бъде около 2000 метра в секунда, били необходими поне 8 тона гориво. Така било възможно да се осигури максимална скорост от 1.6 километра в секунда. Освен това трябвало да се търси начин за противодействие на страничното отклонение на ракетата в полет. С диаметър повече от 1.5 метра, ракетата трябвало да има височина най-малко 14 метра.

Дорнбергер, фон Браун и Ридел обсъждат първия вариант на проекта. Отлично разбират, че тази стъпка е изключително амбициозна. Навлизат в нова, неизследвана от никого област. Необходимо е да се разработят нови, десетки пъти по-мощни двигатели с нови системи за захранване с гориво, нова конструкция на корпуса, нови системи за управление, системи за защита от прегряване, вследствие навлизането със свръхзвукова скорост в плътните слоеве на атмосферата, принципно ново изпитателно оборудване и т.н., и всичко това досега никъде и от никого не е създавано.

Трябва да се преодоляват не само технологични трудности, но и чисто теоретични. В допълнение, подозират, че ще са необходими години, за да се достигне до оптималната конструкция на такава ракета, която да отговаря на изискванията на заданието.

Задължително било да се проведат тестове със свръхзвукова и хиперзвукова скорост в аеродинамичен тунел, но никой от съществуващите такива изпитателни тунели дори не се доближавал до необходимите им параметри. Необходимо било да се промени системата за подаване на гориво, като от система за подаване под налягане се премине към принудително подаване чрез помпи. Обаче не било известно дали могат да се осигурят такива помпи, които биха могли да нагнетяват течен кислород с температура минус 185 градуса по Целзий. А как да бъдат задействани? Имало идеи да се използва газова турбина. В този случай възниквал въпросът как ще се задвижва турбината – с помощта на отработени газове от горивната камера или по някакъв друг начин? И още много и много подобни проблеми.

Отначало изглеждало, че безнадеждно са затънали в блато от неразрешими проблеми. Затова решават да отложат проекта А-4 и първоначално да се съсредоточат върху осигуряване на оборудването, необходимо за осъществяване на амбициозните планове за голямата ракета. Решават, че проектирането на механизмите за управление и на отделните компоненти трябва да върви паралелно, а всички те ще бъдат тествани на по-малки ракети като А-3 и А-5.

През есента на 1936 г. започват и работите по големия 25-тонен двигател. Напредъкът в конструкцията на двигателя в най-голяма степен се дължи на работата на д-р Тил, като фон Браун и Ридел също допринасят с много идеи. Д-р Тил разрешава най-важните проблеми, свързани с избора на най-добрата горивна смес, с ефекта от непълно изгаряне, с оптималната форма на двигателя и с избора на типа гориво.

През 1937 г. започва подготовката за строежа на специален свръхзвуков аеродинамичен тунел. През март 1939 г. Хитлер за първи път се запознава с работата по създаването на ракета с течно гориво. Той пристига в експерименталната станция в Кумерсдорф, обаче ракетните демонстрации не му направили особено впечатление. Въпреки това работите продължавали с неотслабващо темпо.

Армията не се отказва да поддържа проекта. Новият изпитателен полигон в Пенемюнде продължавал да се строи и поетапно влиза в строя. Един след друг се решават редица проблеми с двигателите, системата за захранване и с динамичното управление на ракетата по всички участъци от полета. Извършени са стотици пускови операции и се пристъпва към изпитанията на голямата ракета А-4

Първите суборбитални космически полети (проектиране, създаване и изпитания на A-4/V-2)

На 3 октомври 1942 г., след няколко години изпитания и неуспехи, е извършен първият успешен полет на последния модел тежка военна ракета А-4 по балистична траектория. Ракетата могла да пренесе полезен товар (бойна глава) с тегло 1 тон, на разстояние до 300 км. Междувременно, по време на серия експериментални стартове, при вертикален старт, ракетата А4, достига височина 188 км (88 км над линията на Карман, условната горна граница на стратосферата), т.е. навлиза в открития Космос.

Технически данни за ракетата А-4 (V-2)

Височина 14 м
Диаметър на корпуса 1.65 м
Тегло (заедно с бойната глава, но незаредена) 4000 кг
Стартово тегло 12 900 кг
Полезен товар 1000 кг
Тегло на взривното вещество 750 кг

Пропелант:
Спирт (75 %) 3965 кг
Течен кислород 4970 кг

Разход на пропелант 127 кг/сек
Време за работа на двигателя (макс.) 65 сек
Стартова тяга 25 000 кг
Макс мощност развивана от двигателя 200 000 к.с.
Ускорение при изключване на двигателя 5 г
Температура на горене в двигателя около 2700 °С
Налягане в двигателя 15.45 атмосфери
Скорост на полета по траекторията (макс.) 1600 м/с (5 760 км/ч)
Скорост в момента на удара 900-1100 м/с (3240-3960 км/ч)
Най-висока точка от траекторията 80-90 км
Пределен обхват 350 км
Маса на взривното вещество 730 – 830 кг

Отклонение от целта (вероятна кръгова грешка):
проектна 0.5-1 км
реална 4.5 км при система на управление LEV-3 (изпитване на полигон); 2.0 км при радиокомандна система на управление Leitstrahlstellung (изпитване на полигон)

Бойната ефективност на А-4/V-2 се оказва значително по-ниска от проектната: в кръг с диаметър 10 км попадали само 50% от изстреляните ракети, ниска е и надеждността в боен режим: от 4300 изстреляни ракети, повече от 2000 се взривяват на земята или във въздуха при изстрелването, или излизат от строя в полет.

Конструкцията на ТчРД на А-4/V-2 остава класическа за тези ракетни двигатели повече от половин век. На негова база в САЩ е разработен двигателят А-6/А-7, с който са извършени първите два балистични полети на първите американски астронавти. На първите съветски ракети Р1 до Р5 се използват двигатели, аналози на двигателя на V-2.

Базовият двигател РД-107 на съветската ракета Р-7 е съставен от четири горивни камери идентични по конструкция и параметри с германския двигател (с някои модификации).
Германският двигател развива тяга на Земята 25 тона. Подаването на пропелант (течен кислород и 75% спирт) в горивната камера се осъществява от две центробежни помпи, привеждани в действие от турбина, задействана от парогазов генератор, в който парогазовата смес се образува при разлагане на водороден прекис в присъствие на катализатор — натриев перманганат. Мощноста на турбината е 680 конски сили. Ракетата се управлява от четири графитни газодинамични кормила, разположени в реактивната струя на двигателя по периферията на соплото. Отклонявайки се, тези кормила отклоняват част от реактивната струя, което променя направлението на вектора на тягата на двигателя и създава момент на силата от тягата относно центъра на масата, което и представлява управляващо въздействие (подобен метод значително понижава тягата на двигателя, а освен това графитните кормила са подложени на силна ерозия в реактивната струя и имат твърде малък времеви ресурс).

В атмосферата ракетата може да се управлява също и от аеродинамични стабилизатори. Четирите стабилизатори се крепят чрез фланцови крепежи към опашния отсек. Вътре във всеки стабилизатор се разполагат електромотор, вал, верижна предавка към аеродинамическото кормило и кормилна машина, отклоняваща стабилизатора.

Ракетата представлява връх на тогавашната технология, съставена е от 30 000 детайла, а дължината на електрическите кабели е 35 км. В началото на 1944 г., след серия експериментални стартове е достигната височина 188 км (88 км над линията на Карман), т.е. полет в открития Космос.

Ракетата А-4 е единствената балистична ракета, използвана във войната. Армията и SS организират серийното ѝ производство в подземния завод „Мителверк“ и през 1944 г. ракетата влиза в строя. Първият изпитателен старт на А-4/Фау-2 е извършен през март 1942 г., а първият боен пуск на 8 септември 1944 г. Извършени са общо 3225 бойни пуска. На обстрел е била подложена преди всичко територията на Великобритания, най-вече Лондон, характеризиращ се като широкоплощна цел, а също и други големи европейски градове.

В края на войната е разработен проект за гигантска двустепенна междуконтинентална ракета А-9/А-10 („Amerika-Rakete“) с обсег до 5000 км. По проект, А-10 трябвало да има стартово тегло 87 тона, като поемала 62 тона пропелант и представлявала първата степен от комбинацията А-9/А-10.

А-9 е поместена в самия връх на А-10. Последната в течение на 50-60 секунди осигурява тяга от 200 тона и придава на ракетата скорост от 4300 км/ч. След като първата степен приключва работа, се включва запалването на А-9. Тя стартира от А-10, рязко набира височина, с връхна точка 56 км. Оттук започва дълга глисада на планиране на крилатата ракета А-9, която преминава на свърхзвукова скорост.

А в това време А-10, оборудвана със спирачни задкрилки и парашут, се спуска в морето, откъдето я изтеглят и подготовят за повторно използване. А-9, ускорена до скорост 5760 км/ч, в момента на изключване на двигателя набира скорост 10 000 км/ч, което ѝ позволява за 35 минути да покрива разстояние над 4000 км. Както и едностепенната А-4, тази двустепенна ракета се издига вертикално нагоре, без да има нужда от сложни стартови установки. Разработката остава на етап ескизен проект.

За повече информация и илюстрации, вижте тук (pdf).