Эволюция ракетостроения: от I до XXI века

Что повлияло на развитие ракетостроения: неудержимое стремлением исследовать неизведанное или перспектива использовать технологии в военных целях? А быть может, желание покинуть Землю или стремление заработать на новых технологиях? Так или иначе, развитие этой отрасли сделало значительный скачок в последние десятилетия. А как эволюционировало ракетостроение?

Ракета как оружие

Первыми фундаментальный принцип, лежащий в основе современной ракетной техники, поняли древние греки два с половиной тысячелетия назад. А вот первыми, кто создал действительно работающие ракеты, стали китайцы. В I веке нашей эры они наполняли полые бамбуковые трубки горючим составом из селитры, серы и угольной пыли, и в результате получали шумный и яркий фейерверк. 

Вскоре эти фейерверки стали применять в качестве оружия. Сохранившиеся свидетельства о битве XIII века при Кай-Кенге рассказывают о «стрелах летящего огня» в сторону монгольских войск. И пусть подобное оружие не было эффективным, но психологическое давление на противника оно оказывало точно. 

К XVII веку технология была усовершенствована, идаже появился термин «ракета». Слово произошло от итальянского rocchetta — «веретено». 

Примерно тогда же в Англии Исаак Ньютон сформулировал свои законы. Третий из которых гласит: «взаимодействия двух тел друг на друга равны между собой и направлены в противоположные стороны». И он прекрасно описывает то, как работают ракеты.

В конце XVIII века в Азии создали собственное ракетное оружие: для этого использовали прочные железные трубы, из которых под воздействием взрывной силы снаряд улетал на впечатляющие два километра. Англичане позаимствовали эту технологию.  И во время войны 1812 года успешно бомбардировали своими новыми ракетами американские колонии.

Постепенно популярность ракет как оружия шла на спад, ведь появлялось оружие меньшего формата, но большей дальности и точности. Тем не менее «ракетные» технологии нашли свое применение. 

Первые визионеры

Первым, кто проработал идею полета человека в космос, стал шотландский священник и астроном-любитель Уильям Лейч. 

В своей книге «Божественная слава на Небесах» 1861 года он писал: «Давайте попытаемся вырваться из ограниченных пределов земного шара… Каким транспортным средством мы можем воспользоваться? Единственная машина, которую мы можем себе представить, это та, что будет работать по принципу ракеты».

В том же десятилетии писатель-фантаст Жюль Верн опубликовал свой пророческий роман «С Земли на Луну». В книге, написанной за 100 лет до миссий «Аполлон», он предсказал стоимость космического запуска в ХХ веке, а еще предугадал количество членов экипажа — он действительно состоял из трех астронавтов. Более того, писатель-фантаст спрогнозировал, откуда будет запущена ракета — со стартовой площадки во Флориде. 

Константин Циолковский, тогда еще учитель-математик, заинтересовался теорией реактивных двигателей в 1896 году. А в 1903 году в журнале «Научное обозрение» опубликовал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами». В ней он обосновал возможность использования реактивных летательных аппаратов для межпланетных путешествий и сформулировал, как может выглядеть космический корабль будущего.

Космический прорыв Годдарда

Еще один ученый, грезивший (не безосновательно, надо отметить) космическими путешествиями, — американец Роберт Годдард. Мысль о создании корабля для путешествия на Марс посетила его в 1899 году. Тогда юному мечтателю было всего 17 лет. Но спустя 15 лет, уже выпускник Вустерского политехнического института, он занялся конструированием ракетных двигателей. И в 1926 году запустил свою первую ракету на жидком топливе в Оберне, штат Массачусетс.

Вклад Годдарда в ракетостроение невозможно переоценить. Он разработал технологию, на основе которой было выдано не менее 214 патентов. В своих экспериментах он пришел к выводу, что горение должно происходить в небольших камерах, отдельно от основного топлива. А топливо должно размещаться в двух отдельных резервуарах. Кроме того, Годдард утверждал, что многоступенчатые ракеты — наиболее эффективный способ запуска в космос. И заставил этот принцип работать. 

К слову о многоступенчатых ракетах. В XVI веке производитель фейерверков немец Иоганн Шмидлап предложил свой вариант «многоступенчатой ракеты». Его конструкция представляла собой три ступени: большая ракета несет другую поменьше, в передней части которой находится еще меньшая ракета. Шмидлап не думал об освоении космоса — он просто создавал конструкцию для  получения интересного зрелища. 

Также он установил, что твердое ракетное топливо непригодно для использования, поскольку горит слишком неравномерно. Он изобрел гироскоп, который предназначался для удержания курса ракеты, использовал космические парашюты и одним из первых применял сопла Лаваля.

Что такое сопло Лаваля? Это газовый канал имеющий сужение для изменения скорости проходящего по нему газового потока. Широко используется на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковых реактивных авиационных двигателей.

Годдард был одержим мечтой запустить ракету в космос. Над ним подшучивало ученое сообщество. А в Нью-Йорк Таймс и вовсе опубликовали статью, в которой говорилось, что изобретатель неправильно понял Третий закон Ньютона, что ему не хватает знаний старших классов, что он просто фантазер. Правда, впоследствии издание принесло извинения изобретателю: случилось это через 14 лет после его смерти и примерно за месяц до высадки американцев на Луну.

Герман Оберт: Пути к космическим полетам 

Еще один пионер в области ракетостроения — Герман Оберт. Родившийся в современной Румынии, большую часть своей жизни он провел в Германии. Вместо того, чтобы вдохновляться научной фантастикой, он сам был вдохновением для создателей фантастических историй — ученый работал научным консультантом легендарного режиссера Фрица Ланга, снявшего в 1929 году фильм «Женщина на Луне». Тогда же издал ставшую впоследствии знаменитой книгу под названием «Пути к космическим полетам». А первую ракету на жидком топливе Оберт запустил спустя два года близ Берлина. Под руководством Вернера фон Брауна участвовал в создании одной из самых важных ракет в истории Германии — V-2 («Фау-2»), первой баллистической ракеты.

Впоследствии разработки Вернера фон Брауна стали основой для многих достижений NASA: например, американские инженеры использовали в своей работе клапаны насоса, системы охлаждения двигателя, новые умные регуляторы направления. Эксперименты проводили на трофейных немецких ракетах V-2, оборудованных ракетой меньшего размера в качестве полезной нагрузки для запуска на максимальной высоте.

Космическая гонка

Но и СССР не были в стороне от технологий, разработанных фон Брауном. Гельмут Греттруп, инженер-ракетчик, специалист по системам управления помогал советскому главному конструктору Сергею Королеву разрабатывать Р-1. А она, в свою очередь, стала фундаментом создания Р-7, двухступенчатой межконтинентальной баллистической ракеты с дальностью полета 8 тысяч км. Это была первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета, прошедшая успешные испытания и доставившая боеголовку на межконтинентальную дальность в 1957 году. В октябре с ее помощью запустили первый в истории спутник, а позже — и второй. 

Так, Р-7 помогла Союзу выиграть космическую гонку двух держав и стала рабочей лошадкой российской космической программы на следующие 50 лет.

США пытались угнаться за СССР и быстро разработали ракету-носитель Mercury Redstone, на базе все той же V-2. Но усилия были тщетны — Советский Союз отправил первого человека в космос. На чем?  Верно! На модифицированной версии ракеты Р-7.

В конце 1960-х в США была полностью реализована концепция Вернера фон Брауна — трехступенчатый Сатурн V, который в 1969 году доставил человека на Луну. Советская космическая наука пыталась угнаться за Штатами, но недостаток финансирования и смерть гения Королева не позволили это сделать в тот период. 

В 1970-е в США стартовала программа по созданию шаттлов: по поручению NASA с 1971 года компания North American Rockwell разрабатывала летные корабли для доставки грузов и людей на околоземную орбиту. Первый шаттл назвали «Энтерпрайз» по имени звездолета из фантастического телесериала Star Trek. Всего таких шаттлов было создано шесть, и проект мог бы быть успешным, если бы не стоил так дорого. Плюс катастрофы «Челленджера» в 1986 году и «Колумбии» в 2003-м со смертью космонавтов. Все это привело к кардиальной перепроектировке используемых в шаттлах твердотопливных ускорителей и закрытию программы в 2011 году. 

Но не только американцы и Советский Союз мечтали о космосе. 

И Китай мечтает о космосе…

В 1956 году была начата Космическая программа Китая. Первый спутник в рамках программы был запущен в 1970 году. Хотя исторически Китай был пятой космической державой (запускающей спутники самостоятельно), к началу XXI века он стал третьим. Страна располагает разнообразными ракетами-носителями вплоть до тяжелых, имеет обширный набор прикладных спутников практически всех видов, включая геостационарные, запускает межпланетные станции (АМС) к Луне и имеет программы АМС к Марсу. За 40 лет Китаем было запущено более ста спутников.

XXI век — век космоса 

2000-е годы для Америки ознаменовались разработкой ракет-носителей «Арес I» и «Арес V» и пилотируемого космического корабля «Орион». Правда, программа «Созвездие», в рамках которой и создавались ракеты и корабль, была свернута в 2010 году. Тем не менее «Арес I»  совершил единственный испытательный полет в 2009 году и достиг расстояния 45 километров над уровнем Земли на скорости 4,76 Маха. 

Но завершение лунной программы NASA вовсе не означало остановку: агентство взялось за разработку SLS (Space Launch System) — огромной ракеты, которая в середине 2020-х доставит первую женщину на Луну. 

Несомненно, важный вклад в развитие ракетостроения вносят и частные компании. Движимые получением прибыли, более гибкие и осторожные в принятии решений (рискуют-то своими деньгами) в отличие от неповоротливой государственной системы, они обеспечивают быстрое развитие технологий и внедрение инноваций в своей работе. В частности, SpaceX под управлением Илона Маска: многоразовый Falcon 9, двигатель Merlin, работающий на паре RP-1/LOX, а потом и жидкостный ракетный двигатель Raptor, работающий на метаноле.

Метанол — производное от метана, элемента, который Маск планирует добывать на Марсе. Фантастика? Кто знает! 

Но если Маск добьется своего, его звездолеты не только доставят людей на Марс, но и будут перевозить нас из точки в точку здесь, на Земле, быстрее, чем любой обычный реактивный самолет.

Или, например, новозеландцы Rocket Lab — стартап разрабатывает жидкостный ракетный двигатель «Розердорф». Основные детали (камера, трубопроводы, форсуночная головка) создаются способом 3D-печати. К 2024 году компания планирует представить ракету Neutron. Согласно планам Rocket Lab, на низкую околоземную орбиту ракета сможет доставлять около 8 тонн, к Луне — 2 тонны, к Марсу и Венере — 1,5 тонны. Здесь уверяют, что Neutron будет альтернативой ракете от SpaceX Falcon 9.

И мы уверены, это только начало. А что думаете вы? Кто совершает революцию в мире технологий: мечтатели, фантасты, ученые, инженеры или все вместе?