К.Э. ЦИОЛКОВСКИЙ И ПЕРВЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ ШАГИ СОВЕТСКОЙ РАКЕТНОЙ ТЕХНИКИ (К 80-ЛЕТИЮ ГРУППЫ ИЗУЧЕНИЯ РЕАКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ ПРИ ЦЕНТРАЛЬНОМ СОВЕТЕ ОСОАВИАХИМА)

© Ю.В.Бирюков
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Исследование научного творчества К.Э. Циолковского"
2012 г.

Чем глубже человек проникает в космос, тем больше возрастает величие К.Э. Циолковского. Это объясняется тем, что замечательный ученый не только основал космонавтику как науку и указал на жидкостную ракету как на реальное средство осуществления космических полетов, но и дал полную научную картину развития космонавтики, обосновал необходимость космизации человеческого общества. Он первым научно провозгласил возможность бесконечности существования человечества, бесконечности его прогресса и указал на космонавтику как на средство ее обеспечения (Циолковский К.Э. Собр. соч. Т. II. Реактивные летательные аппараты. М., Изд-во АН СССР, 1954. С. 139). И как бы теперь далеко ни шло человечество по пути в космос, оно в течение предвидимого будущего будет идти по пути, указанному Циолковским, будет наполнять живым конкретным содержанием начертанную им картину. Это основное, что определяет значение творчества Циолковского в развитии человечества. Вместе с тем огромную роль основоположник космонавтики сыграл и как учитель-наставник в период первых шагов практической современной ракетной техники и, в первую очередь, советской ракетной техники.

Уже сама картина грандиозного дела покорения Вселенной, его огромное значение для будущего людей, его бесконечные перспективы не могли не захватить тех, кто читал «Исследование мировых пространств реактивными приборами». А указание что это дело уже по плечу человечеству, что его нужно начинать уже сегодня, хотя оно и будет завершено лишь в отдаленном будущем, вызывало особый интерес, желание приложить к этому свои силы. Циолковский прекрасно понимал это и, нисколько не приуменьшая трудностей, старался возможно полнее обосновать реальность создания космических ракет. В то время как французский исследователь Р. Эсно-Пельтри утверждал, что космические полеты станут возможны только при открытии новых источников энергии типа радиевых, атомных, Циолковский в 1914 г. писал: «Успешное построение реактивного прибора и в моих глазах представляет громадные трудности и требует многолетней предварительной работы и теоретических и практических исследований, но все-таки эти трудности не так велики, чтобы ограничиться мечтами о радии и о несуществующих пока явлениях и телах». Поэтому проект своей ракеты он строил «по возможности на практической почве», не уповая на то, что «всякие открытия возможны, и мечты неожиданно могут осуществиться» (Циолковский К.Э. Указ. соч. С. 143).

Предупреждая, что его работа «далеко не рассматривает всех сторон дела и совсем не решает его с практической стороны относительно осуществимости», он в то же время старался рассмотреть вопрос как можно шире и наметить реальные пути решения наиболее сложных проблем. Именно для показа реальности своей ракеты Циолковский провел массу всевозможных расчетов, прочностных прикидок, оценок температур и давлений, оценок эффективности различных топлив, наметил конструктивные решения ее основных узлов и агрегатов. И необходимо отметить, что в большинстве случаев все его оценки и наметки удивительно верны, порядок полученных им величин почти всегда соответствует действительному, полученному в результате развития ракетной техники и космонавтики. Именно поэтому его труды стали в руках пионеров ракетной техники исходными данными для создания первых советских ракет. Можно утверждать, что в 1920-1930-е годы в СССР не было ни одного работника ракетной техники, который бы не изучал труды К.Э. Циолковского и не использовал бы их в своей работе. Все они в той или иной форме писали или говорили об этом, справедливо называя себя учениками Циолковского.

Вот, например, что писал Константину Эдуардовичу о его трудах 19 мая 1931 г. один из ведущих работников ГДЛ, в будущем один из создателей знаменитой «Катюши», Г.Э. Лангемак: «Эти труды, несмотря на их краткость, а может быть и благодаря тому, что не содержат ничего лишнего, являются неисчерпаемым кладезем ценнейших сведений не только со стороны теории и общего научного обоснования реактивного полета, но и в области конструктивной разработки всех основных деталей. По характеру моей работы мне часто приходится и самому делать изыскания в этой области и рассматривать чужие проекты и предложения, и я всегда заранее знаю, что даже то, что на первый взгляд представляется новым и оригинальным, уже предусмотрено в какой-нибудь из Ваших работ, иногда выраженное в нескольких строках или даже словах, но всегда так четко и определенно, что не остается сомнений в приоритете» (Архив РАН. Ф. 555. Оп. 4. Д. 342. Л. 1).

Циолковский не ограничивался только тем, чтобы показать, что должна представлять собой ракета, как решать те или другие связанные с нею проблемы, но и учил как организационно и методически подойти к созданию ракетной техники. И такая деятельность Циолковского, направленная на показ реальности ракетной техники, на привлечение к работе над нею талантливой молодежи, на всемерную помощь тем, кто шел в ракетную технику, не замедлила сказаться. Идеи великого ученого еще при его жизни начали воплощаться в реальность. Можно привести множество примеров воплощения идей Циолковского уже в ракетной технике довоенного периода.

Огромное значение для всего развития ракетной техники имело открытие Циолковским основного закона движения ракеты, выраженного его знаменитой формулой, связывающей максимальную скорость ракеты с соотношением ее масс и скоростью истечения реактивной струи. Открытие Циолковского совершенно четко и однозначно указало основные пути развития ракет: повышение скорости истечения и улучшение соотношения масс. Циолковский сам же первым и использовал свое открытие, дав миру изобретение жидкостной ракеты, которая в принципе должна была иметь гораздо лучшие характеристики, чем существовавшие в то время пороховые ракеты. Действительно, в жидкостной ракете можно было использовать разнообразные жидкие топлива, обладавшие гораздо большей эффективностью, чем пороха, и жидкостная ракета могла быть выполнена с существенно меньшим относительным весом конструкции, т. к. запас топлива в ней располагался в специальных баках при низких давлениях и температурах, а не в камере сгорания. Преимущества жидкостных ракет были обоснованы Циолковским столь глубоко и убедительно, что советские ракетчики с первых же практических шагов стали уделять им огромное внимание. Начать работу над жидкостными ракетами намеревались члены Общества изучения межпланетных сообщений. Первые практические опыты Ф.А. Цандера были также направлены на создание жидкостных ракет. И в ГДЛ, начавшей с разработок порохового ракетного оружия, как только встал вопрос о создании ракет дальнего действия, сразу же началась интенсивная работа по созданию двигателей и ракет на жидком топливе. Что касается ГИРДа, то здесь почти вся работа была сосредоточена на жидкостной ракетной технике. И в дальнейшем в РНИИ, несмотря на то, что работа над жидкостными двигателями и ракетами была существенно сложнее, чем над пороховыми ракетами, и обещала значительно более поздний практический выход, ей продолжало уделяться неослабное внимание, ею постоянно, вплоть до самой войны, занималось не менее половины работников РНИИ.

В своих трудах Циолковский заложил основы науки о ракетных топливах, он указал многочисленные требования к этим топливам, исследовал десятки комбинаций окислителей и горючих на соответствие этим требованиям и указал наиболее подходящие их комбинации. В частности, им были указаны одно из самых эффективных химических топлив: жидкий кислород+жидкий водород, и более доступные и вполне приемлемые по эффективности топлива: жидкий кислород + углеводороды (бензин, керосин, спирт) и соединения кислорода с азотом + углеводороды. Эти последние и стали основными видами жидкого ракетного топлива в СССР в довоенный период. Причем в ГДЛ, где в основном велись работы по созданию ракетного оружия, после первых же экспериментов было принято в качестве основного удобное в эксплуатации высококипящее топливо: азотная кислота+керосин. А в ГИРДе, работы которого в первую очередь были устремлены к осуществлению ракетного полета человека сначала в стратосферу, а затем и в космическое пространство, сразу же однозначно в качестве окислителя был выбран, хотя и весьма неудобный с точки зрения обращения с ним, но высокоэффективный жидкий кислород. В качестве горючего были предприняты попытки использовать бензин, керосин и металлы. Но трудности, связанные с применением этих горючих, тогда преодолеть не удалось, поэтому гирдовцы были вынуждены применить несколько более слабое горючее – этиловый спирт. Несмотря на это удельные тяги, полученные в ГИРДе, а затем в РНИИ от спирто-кислородных двигателей, были самыми высокими в тот период во всей мировой ракетной технике. Тем не менее советские ракетчики продолжали вести поиски новых более эффективных ракетных топлив, и уже в 1936 г. в СССР впервые была издана специальная монография, посвященная жидкий ракетным топливам.

Наряду с ЖРД Циолковский уделял очень большое внимание проблеме создания воздушно-реактивных двигателей (ВРД), указывая что использование кислорода воздуха может существенно уменьшить запасы топлива, необходимые космической ракете для выхода на орбиту (Циолковский К.Э. Указ. соч. С. 188 и 234). Огромное внимание разработке ВРД уделил Ф.А. Цандер. В ГИРДе над исследованием ВРД под руководством Ю.А. Победоносцева работала целая бригада, которая впервые испытала ВРД на стенде и в полете. Эта работа была продолжена и в РНИИ. А перед войной под руководством И.А. Меркулова была создана и успешно испытана в полете первая в мире ракета с прямоточным ВРД, развивавшим тягу, большую силы лобового сопротивления.

К многочисленным методическим указаниям Циолковского, которыми воспользовались его ученики, относится и его рекомендация начинать работы с относительно небольших ракет. Константин Эдуардович учил, что чем меньше ракета, тем легче ее создать, но зато когда будут отработаны небольшие ракеты, когда на них будут произведены необходимые эксперименты, будет накоплен достаточный опыт, тогда перейти к сколь угодно большим ракетам уже не будет представлять принципиальных трудностей. И действительно, в СССР в течение всего экспериментального периода из экономических соображений создавались лишь небольшие ракеты со стартовым весом от десятка до нескольких сотен килограммов. Опыт, накопленный в СССР с помощью небольших двигателей и ракет, и воспитанные на этой работе научные и инженерные кадры позволили отечественной ракетной технике, когда была создана достаточная промышленно-экономическая база, первой в мире шагнуть к созданию гигантских космических ракет-носителей, поразивших воображение всего мира.

Говоря об общих путях развития ракетной техники, следует отметить, что благодаря четким указаниям Циолковского о выгодности ракетных двигателей только на огромных скоростях, советским ракетчикам удалось избежать затрат сил и времени на ракетные автомобили, сани, глиссеры – этот шумный, но малополезный этап, который прошли западные исследователи.

Остановимся еще на нескольких примерах влияния идей Циолковского на конструкцию первых ракет. В своих трудах он уделил большое внимание проблеме подачи топлива в двигатель. И хотя основное решение этой проблемы он видел в применении пульсирующего режима работы двигателя, тем не менее он наметил и другие пути ее решения, в частности, сформулировав задачу о подаче топлива за счет запасенной в нем самом энергии без ее существенной потери (Циолковский К.Э. Указ. соч. С. 147). Решить эту задачу с самого начала пытались и в ГДЛ, и в ГИРДе, и в РНИИ, где были разработаны турбонасосные системы подачи, работающие по замкнутой схеме с отбором газа для привода турбины из камеры сгорания. К сожалению, техника в те годы не была еще в состоянии осуществить эту перспективную систему подачи. Циолковский предложил также и инжекторную подачу, подробно исследованную Цандером в связи с тем, что он предполагал использовать в качестве горючего в своем ракетном двигателе порошкообразный и расплавленный металл.

Как известно, ракетная техника, как никакая другая, имеет дело с огромным диапазоном температур: от нескольких тысяч градусов в камере сгорания двигателя до криогенных температур низкокипящих компонентов топлива. Особое беспокойство Константина Эдуардовича вызывала проблема борьбы с разрушением конструкции двигателя от чрезмерного нагрева, и он указал два пути решения этой проблемы: применение жаростойких теплоизолирующих материалов и наружное охлаждение камеры сгорания и сопла или циркулирующей в рубашке специальной охлаждающей жидкостью, или компонентами топлива, а также одновременное применение и теплоизоляции, и наружного охлаждения. Все эти пути нашли широкое применение в конструкции довоенных советских двигателей. В них применялась графитовая, керамическая и асбестовая внутренняя теплоизоляция камеры сгорания и сопла, наружное охлаждение жидким кислородом, спиртом, азотной кислотой, а также водой. Очень широко применялось и сочетание внутренней теплоизоляции с наружным охлаждением. Все это позволило постепенно прийти к надежному решению проблемы обеспечения жаростойкости камеры ЖРД. И если первые двигатели могли выдержать работу лишь в течение немногих секунд, то двигатели предвоенных образцов работали уже целые минуты.

Что касается применения криогенных топлив, то Циолковский указывал на связанные с этим эксплуатационные трудности, но в то же время указывал на преодолимость этой проблемы путем применения соответствующей теплоизоляции и устройства баков наподобие дьюаровых сосудов. Кроме того, он показал, что для ракет с коротким временем хранения жидкого кислорода могут успешно использоваться и обычные баки без всякой теплоизоляции, что и было вскоре подтверждено конструкцией и эксплуатацией гирдовских ракет 09, ГИРД-Х и 07.

Еще одна область вопросов, которая нашла свое отражение в трудах Циолковского и которая сразу же потребовала конкретных решений при первых практических шагах ракетной техники, – это проблемы устойчивости и управляемости ракет. Уже в первых своих работах Циолковский перечислил все основные способы управления полетом ракеты, которые были применены при дальнейшем развитии ракетной техники: воздушные рули, перемещение масс внутри аппарата, газовые рули, качание сопла – в качестве органов управления; гироскопические, магнитные, астронавигационные устройства – в качестве приборов автоматической системы управления (Циолковский К.Э. Указ. соч. С. 74- 75). Поскольку все ракеты довоенного периода летали в атмосфере, то в них были применены лишь воздушные рули с гироскопическими автоматами стабилизации.

Много еще можно сказать об использовании советскими ракетчиками указаний Циолковского о важности выбора оптимальных проектных параметров ракет и оптимальных траекторий их полета, о применении предварительного разгона с помощью ракетных ускорителей, о применении принципа многоступенчатости ракет, о старте ракеты со стратостата на большой высоте, а также о многих других больших и малых особенностях ракетной техники. Но уже из вышеизложенного видно, что основоположники отечественной ракетной техники использовали очень много идей и предложений Циолковского, преодолевая многочисленные трудности, которые всегда возникают на долгом пути претворения даже самых прогрессивных идей в жизнь. Но все равно, то что уже использовано – это лишь малая часть того богатства, которое заключено в его трудах. И в наши дни, когда успешно развивается практическая космонавтика, а практическая современная ракетная техника проделала уже такой большой путь, мы вновь и вновь видим, что создатели современных ракетно-космических средств, исходя уже из логики развития ракетной и космической техники, опираясь на ее богатейший опыт, очень часто опять приходят к тем решениям, которые были прозорливо предсказаны Циолковским, когда еще не существовало ни современной ракетной техники, ни практической космонавтики. Сегодня вновь можно повторить справедливые слова академика С.П. Королева, сказанные им о К.Э. Циолковском на праздновании столетия со дня его рождения: «В настоящее время, видимо, еще невозможно в полной мере оценить все значение его научных идей и технических предложений, особенно в области проникновения в межпланетное пространство. <…> Его идеи и труды будут все более и более привлекать к себе внимание по мере дальнейшего развития ракетной техники. Константин Эдуардович был человеком, жившим намного впереди своего века, как и должно жить истинному и большому ученому» (Королев С.П. Основоположник ракетной техники // Правда. 17.09.1957).