50 години от експедициите Аполо: предистория на ракетостроенето

Мечтата за пътешествия в небесата съществува в човешката фантазия от най-древни времена. С времето тя се променя и става по-реална, а средствата за постигането ѝ по-осъществими.

Птичите крила на Икар от древността са заменени от балоните с утринна роса на Сирано дьо Бержерак, а те от балоните на Монголфие, та до гигантския снаряд на Жул Верн за пътешествие до Луната през бурния 19-и век. И така, докато се стигне до ракетния способ за движение, който се оказва единственият, осъществим при сегашното ниво на науката и технологиите през 20-и век, а най-вероятно и през 21-и век.

А пък напредъкът на науката, и в частност на астрономията и небесната механика, позволиха да се уточнят разбиранията за извънземното (космическо) пространство, т.е. неговата структура и закони за движение. С други думи, космическите пътешествия от фантазия се превръщат в предвидима реалност още в началото на 20-и век с бурното развитие на ракетната техника. Осъществяването на великата мечта е било само въпрос на време…

Всичко започва в началото на 1944 г., в разгара на най-жестоката война в историята на човечеството.

След серия експериментални стартове, първата балистична ракета в историята, сътворената от германската армия, А4, достига височина 188 км (88 км над линията на Карман, условната горна граница на стратосферата), т.е. навлиза в открития Космос.

Започва космическата ера.

Но предпоставките за този успех са скрити далеч назад в миналото.

Предисторията на космическата ера започва с историята на ракетите: от древни времена до 1932 г.

Китайски и индийски ракети

Сведенията за първите ракети обикновено се свързват с изобретяването на барута, което се смята, че е станало в Китай по времето на династия Хан, 1 век сл.Хр. Запазените сведения показват, че китайските ракети представлявали бамбукови или хартиени тръбички, прикрепени към стрели за стабилизация на полета. Първоначално се използвали за увеселителни цели. Военното им приложение, за което има противоречиви сведения, осигурявало преди всичко психологически ефект.

От китайците, барутът и ракетната технология преминават в монголите, арабите и индийците. През 16-и век се появяват описания на ракети и в Европа.

Следващата стъпка е направена едва през 1556 г. от германския изобретател Конрад Хаас, който е специалист по огнестрелно оръжие в армията на император Фердинанд I. Хаас се счита за създателя на теоретичните основи на първата военна ракета. Именно Хаас първи споделя идеята за многостепенна ракета. Той описва летателен апарат, съставен от две ракети, който може да развие огромна скорост. Идеите на Хаас са развити от полския генерал Казимир Семенович. През 1650 г. той издава книга, в която предлага проект за създаване на тристепенна ракета. Тази идея обаче никога не е реализирана.

В по-късно време най-сериозното военно приложение на ракетите е в борбите на Моголската империя на Типу Султан срещу британците. Моголите разработват барутни ракети с корпус от мека стомана, което позволявало полет до 2 км. В битките през 1780, 1792 и 1799 г. тези ракети са използвани със значителен ефект в битките срещу британската армия.

Ракетите били с различни размери, но обикновено се състоели от гилза, представляваща тръба от мека кована стомана с дължина 20 см и диаметър между 3.8 и 7.6 см., която била затворена в едиия край и към нея бил закрепен бамбуков ствол с дължина около 1 м. Тръбата изпълнявала функциите на горивна камера и съдържала барутния пропелант. Ракета, заредена с около 1 фунт пропелант, можела да прелети около 900 м. След падането на Шрирангапатана, столицата на Типу Султан, там били намерени стотици стартови установки и заредени ракети, както и хиляди празни, готови за зареждане с барут.

Ракетите Конгрийв

Някои от тези бойни трофеи били отнесени в Англия, където станали основа на по-късните британски разработки в тази област – главно тези на прочутия оръжеен конструктор Уилям Конгрийв. Смята се, че той се е възползвал от ракетните разработки и на ирландския националист Робърт Емет, свързан с Ирландското въстание от 1803 г.

През първото десетилетие на 19-и век Уилям Конгрийв извършва сериозна изследователска работа в ракетната област, в лабораториите на кралския арсенал в Лондон. Съумява да постигне нова смес за пропелант на ракетата. Разработва и нов двигател, който включва здрава метална тръба с конусообразна носова част. Стабилизацията на полета се осъществява от дълъг прът. Това ранно оръжие на Конгрийв тежи около 14.5 кг. и има експлодираща бойна глава.

Първата военна демонстрация се състояла през 1805 г., а в бойни действия било използвано за пръв път срещу войските на Наполеон Бонапарт.

Конгрийв публикувал и важни книги по ракетна технология – първата е от 1807 г. и се нарича „Кратък разказ за произхода и развитието на реактивните системи“. През 1814 г. излиза „Подробна информация за ракетната система“, а през 1827 г. „Ракетната система на Конгрийв“.

Ракети се използвали от британците и във войната за независимост на североамериканските колонии. Понастоящем в текста на националния химн на САЩ е запазен отглас от тези събития („… И червения блясък на ракетите…“). Става въпрос за британската ракетна атака през септември 1814 г. над форт Макхенри, последната защита на Балтимор.

Ракетното оръжие широко се използва във военното дело на европейските държави през първата половина на века. Появата на нарезната артилерия обаче, в средата на 19-и век прекратява използването на ракетите за военни цели за близо 100 години.

Научни изследвания за ракетното движение

Началото на 20-и век е време на бурно развитие на военната ракетна техника, както и на научните изследвания, свързани с ракетния полет.

Така например, проблемът за движението на тяло с променлива маса (т.е. ракета) е решен още в началото на 19-и век от английските изследователи Уйлям Мур в 1810/11 г., а също П. Г. Тейт и У. Дж. Стил от Кеймбриджския универсистет през 1856 г.

Нещо повече, подобни задачи по това време са били давани за упражнение на студентите. Освен това, Георг фон Бюкуа (1781-1851 г.) е стигнал до аналогично решение в 1812 г. в труда си „Аналитично определяне на закона за виртуалните скорости в механично и статистическо отношение“.

Възраждане на ракетните изследвания. Ракетната треска в началото на 20-и век

В началото на 20-и век започва възраждане на ракетните изследвания. Възраждането на идеята за ракетите и ракетната техника до голяма степен е във връзка с мечтата за пътуване в космоса.

Един от първите популяризатори на идеята е Константин Циолковски. През 1895 г. е публикувана книгата му „Мечти за земята и небето“, а след още една година излиза и статията за другите светове, за разумни същества от други планети и за общуването на земляните с тях.

В същата 1896 г. Циолковски започва писането на своя основен труд „Изследване на космическото пространство с помощта на реактивния двигател“. В тази книга са засегнати проблемите на използването на ракетните двигатели в космоса – навигационните механизми, доставката и транспортирането на горивото и други. Научните му приноси са спорни, според съвременната наука, но той привлича вниманието на популяризатори на науката, журналисти, ученици и широката общественост към проблема за междупланетните полети. В това е голямата му заслуга.

През 1912 г. американският инженер и физик Робърт Годард предприема обстоен анализ на съществувалите по негово време ракетни конструкции и заключава, че конвенционалните ракети с твърдо гориво могат да бъдат подобрени по три начина. Първо, горивото може да изгаря в малка камера, вместо да се строи цял контейнер за пропеланта, за да може да се издържат високите налягания. Второ, ракетите могат да имат няколко степени. И трето, скоростта на изтичане на газовете (а оттам и ефективността) може да бъде значително увеличена, дори да задмине тази на звука, ако се използва т.н. сопло на Лавал.

Годард патентова тези свои концепции през 1914 г. и разработва математиката на ракетния полет. През 1920 г. публикува заключенията си в книгата „Начин за достигане на екстремни височини“. Там се засяга и въпросът за изпращане на ракета с твърдо гориво до Луната. Тази тема привлича вниманието и е едновременно и възхвалявана, и осмивана, включително на стараниците на вестник New York Times.

Съвременната ракета се ражда, когато Годард добавя свръхзвуково сопло на Лавал към горивната камера на ракетен двигател с течно гориво. Тези сопла превръщат топлинната енергия на горещите газове от горивната камера в кинетична енергия. Със свръхзвукова скорост се изхвърля струя от газ, тягата се увеличава повече от два пъти и в пъти се повишава ефективността на двигателя.

В края на 20-те години на 20-и век започва нова епоха в развитието на ракетната техника – истинската ѝ история.

Ранните ракетни изследвания в Германия

На 16 март 1926 г. в Обърн, американския щат Масачузетс, Годард изстрелва първата ракета с течно гориво.

А през 1923 г., професорът по физика Херман Оберт публикува в Германия книгата „Ракета за междупланетното пространство“, основна работа по теорията за ракетна техника и пътуване в космоса.

През 1927 г., Йоханес Винклер регистрира „Общество за пътуване в космоса“ (VFR) в град Бреслау, Германия. Сред неговите първи членове са 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 7 кг тяга за време 90 секунди. Това е последвано от полети на малки експериментални ракети, които са тествани в бивш армейски склад близо до Берлин.

В края на 20-те години, 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. Капитанът привлича младия фон Браун като стипендиант и му осигурява средства, за да учи в Цюрих и да направи 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 е предвидено в забраните на Версайския договор.

Ракетните изследвания в СССР

Газодинамичната лаборатория (ГДЛ) е първата лаборатория за изследвания и разработки изобщо в СССР. Създадена е през 1921 г. в Москва по инициатива на Николай Тихомиров, в главния артилерийски отдел на Червената армия. Нейната дейност е посветена на разработването на ракетни снаряди на база бездимен барут, които се превръщат в прототипи на снарядите за ракетния миномет „Катюша“.

А през есента на 1931 г. в „Осоавиахим“ са организирани проучвателни групи за реактивни двигатели – московска (МосГИРД) и ленинградска (ЛенГИРД), обединяващи доброволни ракетни ентусиасти. ГИРД, наречен още Централен, оказа помощ на групи по реактивното движение и в други градове на СССР.

МосГИРД е съставен от 4 екипа, ангажирани с различни задачи. През май 1932 г. Сергей Корольов е назначен за ръководител на ГИРД. За кратко време са създадени малките ракетни двигатели OР-2. Групата създава и двигател с индекс 10 за ракетата ГИРД-X. При старта (17 август 1933 г.) ракетата излита вертикално на височина 75-80 м. През август е проведено първото изстрелване на ракетата ГИРД-09 с двигател 09 (тяга 40 кг, време на работа до 20 секунди, гориво желеобразен бензин, окислител течен кислород).

От август 1932 г. финансирането на ГИРД се осигурява от Групата за управление на военните изобретения, под ръководството на маршал Тухачевски.

През 1934 г. ГИРД и ГДЛ са обединени в новия Институт за реактивни изследвания РНИИ. Пропагандните и образователни функции пък са поверени на новоорганизираната реактивна група на Централния съвет на „Осоавиахим“.

През 1934 г. ЛенГИРД е превърнат в Секция за реактивни двигатели и продължава пропагандната работа, провежда експерименти върху ефектите от претоварвания върху животни, а до избухването на Втората световна война.

За повече информация и илюстрации, вижте тук.