Константин Рыжов - 100 великих изобретений
Вообще говоря, жидкостные двигатели могут работать и на однокомпонентном, так называемом унитарном, топливе. В качестве такового могут выступать, например, концентрированная перекись водорода или гидразин. При соединении с катализатором перекись водорода H2O2 с большим выделением тепла разлагается на кислород и воду. Гидразин N2H4 в этих условиях разлагается на водород, азот и аммиак. Но многочисленные испытания показали, что более эффективными являются двигатели, работающие на двух отдельных компонентах, один из которых является горючим, а другой окислителем. Хорошими окислителями оказались жидкий кислород O2, азотная кислота HNO3, различные окислы азота, а также жидкий фтор F2. В качестве горючего мог применяться керосин, жидкий водород H2, (в соединении с жидким кислородом он является чрезвычайно эффективным горючим), гидразин и его производные. На начальных этапах развития ракетной техники в качестве горючего часто использовался этиловый или метиловый спирт.
Для лучшего распыления и перемешивания топлива (окислителя и горючего) использовались специальные форсунки, расположенные в передней части камеры сгорания (эта часть камеры называется форсуночной головкой). Она, как правило, имела плоскую форму, образованную из множества форсунок. Все эти форсунки выполнялись в виде двойных трубок для одновременной подачи окислителя и горючего. Впрыск топлива происходил под большим давлением. Мелкие капельки окислителя и горючего при высокой температуре интенсивно испарялись и вступали друг с другом в химическую реакцию. Основное горение топлива происходит вблизи форсуночной головки. При этом сильно возрастали температура и давление образующихся газов, которые затем устремлялись в сопло и с большой скоростью вырывались наружу.
Давление в камере сгорания может достигать сотен атмосфер, поэтому горючее и окислитель необходимо подводить под еще более высоким давлением. Для этого в первых ракетах использовался наддув топливных баков сжатым газом или парами самих компонентов топлива (например, парами жидкого кислорода). Позже стали применять специальные высокопроизводительные насосы большой мощности с приводом от газовых турбин. Для раскрутки газовой турбины на начальном этапе работы двигателя подавали горячий газ от газогенератора. Позже стали применять горячий газ, образующийся из компонентов самого топлива. После разгона турбины этот газ попадал в камеру сгорания и использовался для разгона ракеты.
Проблему охлаждения двигателя первоначально пытались решить, применяя особые жаропрочные материалы или специальную охлаждающую жидкость (например, воду). Однако постепенно был найден более выгодный и эффективный метод охлаждения путем использования одного из компонентов самого топлива. Перед вступлением в камеру один из компонентов топлива (например, жидкий кислород) проходил между ее внутренней и наружной стенкой и уносил с собой значительную часть тепла от самой теплонапряженной внутренней стенки. Отработана эта система была далеко не сразу, и поэтому на первых этапах создания ракет их старты часто сопровождались авариями и взрывами.
Для управления в первых ракетах применялись воздушные и газовые рули. Газовые рули располагались у среза сопла и создавали управляющие силы и моменты за счет отклонения вытекающей из двигателя струи газа. По форме они напоминали лопасти весла. Во время полета эти рули быстро обгорали и разрушались. Поэтому в дальнейшем от их использования отказались и стали применять специальные управляющие ракетные двигатели, которые имели возможность поворачиваться относительно осей крепления.
В СССР опыты по созданию ракет на жидкостных двигателях начались в 30-е годы. В 1933 году московская группа изучения реактивного движения (ГИРД) разработала и запустила первую советскую ракету ГИРД-09 (конструкторы Сергей Королев и Михаил Тихонравов). Эта ракета при длине 2, 4 м и диаметре 18 см имела стартовую массу 19 кг. Масса топлива, состоящего из жидкого кислорода и сгущенного бензина, равнялась примерно 5 кг. Двигатель развивал тягу до 32 кг и мог работать 15-18 с. При первом запуске из-за прогара камеры сгорания газовые струи начали вырываться сбоку, что привело к завалу ракеты и ее пологому полету. Максимальная высота полета составляла 400 м.
В последующие годы советские ракетчики провели еще несколько запусков. К сожалению, в 1939 году Реактивный научно-исследовательский институт (в который в 1933 году была преобразована ГИРД) был разгромлен НКВД. Многие конструкторы были отправлены в тюрьмы и лагеря. Королев был арестован еще в июле 1938 года. Вместе с Валентином Глушко, будущим главным конструктором ракетных двигателей, он провел несколько лет в спец КБ в Казани, где Глушко числился главным конструктором двигательных установок для самолетов, а Королев его заместителем. На некоторое время развитие ракетостроения в СССР прекратилось.
Гораздо более ощутимых результатов добились немецкие исследователи. В 1927 году здесь образовалось общество Межпланетных путешествий, которым руководили Вернер фон Браун и Клаус Ридель. С приходом к власти фашистов эти ученые стали работать над созданием боевых ракет. В 1937 году возник ракетный центр в Пенемюнде. В его строительство за четыре года было вложено 550 миллионов марок. В 1943 году численность основного персонала в Пенемюнде составляла уже 15 тысяч человек. Здесь находились крупнейшая в Европе аэродинамическая труба и завод по производству жидкого кислорода. В центре были разработаны самолет-снаряд «Фау-1», а также первая в истории серийная баллистическая ракета «Фау-2» со стартовой массой 12700 кг (баллистической называется такая ракета, которая управляется только на начальном участке полета; после выключения двигателей она летит как свободно брошенный камень). Работа над ракетой началась еще в 1936 году, когда Брауну и Риделю были приданы в помощь 120 сотрудников и несколько сотен рабочих. Первый экспериментальный запуск «Фау-2» состоялся в 1942 году и оказался неудачным. Из-за отказа системы управления ракета врезалась в землю через 1, 5 минуты после старта. Новый старт в октябре 1942 года оказался успешным. Ракета поднялась на высоту 96 км, достигла дальности 190 км и разорвалась в четырех км от заданной цели.
При создании этой ракеты было сделано множество находок, широко используемых потом в ракетостроении, но было также много недоработок. На «Фау» впервые была применена турбонасосная подача топлива в камеру сгорания (до этого обычно применялось вытеснение его сжатым азотом). Для раскрутки газовой турбины использовали перекись водорода. Проблему охлаждения двигателя пытались сначала решить, используя для стенок камеры сгорания толстые стальные листы с плохой теплопроводностью. Но первые же старты показали, что из-за этого двигатель быстро перегревается. Чтобы снизить температуру горения, пришлось разбавлять этиловый спирт 25% воды, что в свою очередь сильно снизило КПД двигателя.
В январе 1944 года начался серийный выпуск «Фау». Эта ракета с дальностью полета до 300 км несла боевой заряд весом до 1 т. С сентября 1944 года немцы стали обстреливать ими территорию Великобритании. Всего было изготовлено 6100 ракет и проведено 4300 боевых пусков. До Англии долетело 1050 ракет и половина из них взорвалась непосредственно в Лондоне. В результате этого погибло около 3 тысяч человек и вдвое больше получило ранения. Максимальная скорость полета «Фау-2» достигала 1, 5 км/с, а высота полета — около 90 км. Ни перехватить, ни сбить эту ракету у англичан не было никакой возможности. Но из-за несовершенной системы наведения они в целом оказались достаточно неэффективным оружием. Однако с точки зрения развития ракетной техники «Фау» представляли собой гигантский шаг вперед. Главное заключалось в том, что в будущее ракет поверили во всем мире. После войны ракетостроение получило во всех государствах мощную государственную поддержку.
США оказались поначалу в более благоприятных условиях многие немецкие ракетчики во главе с самим Брауном после разгрома Германии были доставлены в Америку, точно так же как и несколько готовых «Фау». Этот потенциал послужил исходным пунктом для развития американской ракетной индустрии. В 1949 году, установив «Фау-2» на небольшую исследовательскую ракету «Вак-Корпорэл», американцы осуществили ее запуск на высоту 400 км. На базе той же «Фау» под руководством Брауна была в 1951 году создана американская баллистическая ракета «Викинг», развивавшая скорость около 6400 км/ч. В 1952 году тот же Браун разработал для США баллистическую ракету «Редстоун» с дальностью полета до 900 км (именно эта ракета была использована в 1958 г. в качестве первой ступени при выведении на орбиту первого американского спутника «Эксплорер-1»).
СССР пришлось догонять американцев. Создание собственных тяжелых баллистических ракет здесь также началось с изучения немецких «Фау-2». Для этого сразу же после победы в Германию была направлена группа конструкторов (в числе которых находились Королев и Глушко). Правда, им не удалось заполучить ни одной готовой целой «Фау», но по косвенным признакам и многочисленным свидетельствам представление о ней было составлено достаточно полное.
