Первая ракета на жидком топливе

На этой фотографии, сделанной ровно 100 лет назад, 16 марта 1926 года, запечатлен американский ученый и изобретатель Роберт Годдард рядом с построенной им ракетой незадолго до ее старта. Испытания, проведенные в тот день под городом Оберн (штат Массачусетс, США), стали первым в мире запуском ракеты на жидком топливе.

Роберт Годдард родился 5 октября 1882 года в городе Вустер, Массачусетс. Его с детства интересовали естественные и инженерные науки: он ставил физические и химические опыты, сооружал воздушных змеев, пытался построить воздушный шар. В 16 лет Роберт прочитал только что вышедший роман Герберта Уэллса «Война миров», под влиянием которого проникся идеей межпланетных перелетов. Годдард точно запомнил день, когда эта идея пришла к нему в голову, — 19 октября 1899 года. Он писал: «В тот день я забрался на высокую вишню за сараем... и, глядя на поля на востоке, представил, как замечательно было бы создать какой-нибудь аппарат, у которого был бы хоть маленький шанс добраться до Марса. <...> Когда я спустился с дерева, я был другим человеком, нежели тот мальчик, который на него забрался».

В 1909 году, будучи аспирантом Университета Кларка, Годдард заинтересовался возможностью использования жидкого топлива для ракетных двигателей. Такое топливо более эффективно, чем твердое, то есть обеспечивает больший удельный импульс (отношение развиваемой двигателем тяги к секундному расходу топлива). Это преимущество особенно важно для ракет-носителей, особенно тех, что предназначены для выведения в космос большой нагрузки или для дальних перелетов. Не зная о работах Циолковского, в 1912 году Годдард самостоятельно вывел обобщение его формулы, устанавливающей зависимость скорости, которой может достичь ракета, от удельного импульса двигателя и массы ракеты и топлива. В 1914 году Годдард запатентовал многоступенчатую ракету. Тогда же, работая в Университете Кларка, он начал практические эксперименты в области ракетостроения. Сначала он занимался пороховыми двигателями: в частности, в 1915 году провел стендовый эксперимент, который доказал, что двигатель может работать в вакууме. В 1916–1917 гг. он исследовал возможность создания ионных двигателей. Эти работы сильно опередили время: первые ионные двигатели были испытаны в США и СССР только в 1964 году на спутниках SERT-1 и «Зонд-2». Более того, в работе «О возможности перемещения в межпланетном пространстве» (1907) Годдард высказал идею создания ядерного ракетного двигателя, которая и сегодня не доведена до практического применения.

После вступления США в Первую мировую войну Годдард сконструировал пороховую ракету, запускавшуюся с небольшой ручной установки. Это оружие, по принципу действия похожее на появившуюся четверть века спустя базуку, вызвало интерес военных, но после подписания перемирия работы над ракетой остановились.

Годдард на испытаниях своей ракеты в 1918 году. Фото с сайта commons.wikimedia.org

В 1919 году Смитсоновский институт, спонсировавший работы Годдарда, издал его отчет «Метод достижения предельных высот» (A Method of Reaching Extreme Altitudes), содержавший результаты экспериментов и подробные расчеты массы топлива, необходимого для доставки груза ракетой на заданную высоту. Основное применение ракет Годдард видел в исследовании земной атмосферы, однако он высказал и идею отправки беспилотной ракеты к Луне. Примечателен способ, которым Годдард предлагал зафиксировать факт достижения цели: перед стартом в ракету следовало погрузить контейнер с составом для магниевой вспышки, которая тогда повсеместно использовалась в фотографии для освещения объекта съемки. Вспышка должна была бы сработать от удара о лунную поверхность; по прикидкам Годдарда, чтобы увидеть ее с Земли в новолуние, было достаточно всего лишь немногим больше килограмма такого состава.

В то время полеты в космос представлялись широкой общественности и даже некоторым ученым совершеннейшей утопией. Вскоре после выхода отчета газета The New York Times опубликовала статью без подписи, автор которой, не понимавший принцип реактивного движения, соглашался, что при полетах в атмосфере «ракета профессора Годдарда является практичным и, следовательно, многообещающим аппаратом», но утверждал, что «когда ракета покинет атмосферу... ее полет не будет ни ускорен, ни поддержан взрывом топливных зарядов. Утверждать обратное значило бы отрицать фундаментальный закон динамики... Профессор Годдард... не знает соотношения между действием и противодействием... похоже, ему не хватает знаний, которые преподают в старшей школе».

Газета признала свою ошибку 50 лет спустя, опубликовав соответствующую заметку на следующий день после старта «Аполлона-11» — космического корабля, впервые доставившего человека на поверхность Луны (см. картинку дня «Аполлон-11» #прямосейчас). Символично, что член экипажа той экспедиции Базз Олдрин взял с собой в полет крошечную книгу с биографией Годдарда. К тому времени самого Годдарда не было в живых уже четверть века.

Пресса еще не раз высмеивала Годдарда: например, в 1929 году после испытания ракеты, достигшей рекордной на тот момент высоты 27 метров, одна из местных газет сообщила, что «лунная ракета промахнулась мимо цели на 238 799 с половиной миль».

Слева — титульный лист отчета «Метод достижения предельных высот». Справа — Годдард у одной из своих ракет. Фото с сайта flickr.com

В 1921 году Годдард начал эксперименты с жидким топливом. В конце 1923 года он успешно испытал на стенде первый в мире жидкостный ракетный двигатель (ЖРД). Последующие два года ушли на совершенствование двигателя и, в частности, системы подачи топлива. Годдард решил отказаться от поршневых насосов, применив вытеснительную систему подачи: поступление топлива в камеру сгорания обеспечивалось давлением в топливных баках, которое создавал сжатый газ. Подобная схема используется на двигателях с небольшой тягой и сегодня.

К марту 1926 года всё было готово к пуску первой в мире ракеты с ЖРД. Ракета Годдарда имела необычную конструкцию: к верхней части рамы высотой два человеческих роста крепился двигатель с цилиндрической камерой сгорания и расположенным под ней соплом, а внизу располагались баки для горючего (бензин) и окислителя (жидкий кислород), защищенные от реактивной струи асбестовым конусом. Чаще всего двигатель ракеты располагают в хвосте, позади баков, но Годдард полагал, что его «перевернутая» компоновка обеспечит ракете большую стабильность в полете. Вертикальными стойками рамы были трубы, подводящие горючее и окислитель к камере сгорания. Масса ракеты составляла 4,5 кг, из которых 2 кг приходились на горючее и окислитель.

Слева — схема первой ракеты Годдарда, испытанной 16 марта 1926 года: A — воспламенитель, B — двигатель, C — топливопроводы, D — защитный асбестовый конус, E — бак для окислителя, F — бак для горючего. Чертеж из книги A. Bowdoin Van Riper, 2004. Rockets and missiles: the life story of a technology. Справа — реплика ракеты образца 1927 года, на которой двигатель переместился в хвост. Экспонат Национального музея воздухоплавания и астронавтики в Вашингтоне, США. Фото с сайта airandspace.si.edu

Запуск 16 марта 1926 года, состоявшийся на краю капустного поля на ферме тети Годдарда, прошел успешно: после старта ракета поднялась на 12,5 метров и, развернувшись горизонтально, понеслась «со скоростью курьерского поезда», как записал Годдард в дневнике. В 56 метрах от точки старта она упала на землю. Полет продолжался 2,5 секунды. Это историческое событие не было публичным: помимо самого изобретателя на запуске присутствовали только жена и помощница Годдарда Эстер и двое его ассистентов. Киносъемка не велась, сохранилось лишь несколько фотографий. В 1982 году, когда отмечалось столетие со дня рождения Годдарда, его помощник Перси Руп рассказал газете The New York Times, что у него остались лишь «смутные воспоминания» об испытаниях: «Ракета взлетела и упала, и мы все были довольны. Кажется, мы все вернулись в дом доктора Годдарда и обсудили это событие за ужином».

Обелиск на месте запуска ракеты 16 марта 1926 года. Фото с сайта commons.wikimedia.org

За первой ракетой последовали более крупные и совершенные. Годдард перенес двигатель в хвост ракеты: такая конструкция была проще, а стабильность полета от этой модернизации не ухудшилась. Легкая стартовая рама, за которую Годдард держится на заглавной фотографии, уступила место специальной башне. В 1929 году он запустил первую в мире ракету, оснащенную научной нагрузкой: она несла барометр, фотокамеру и термометр. Правда, ракета смогла подняться всего на 27 метров, так что измерения приборов большой ценности не составили.

Статья об этих испытаниях попалась на глаза знаменитому летчику Чарльзу Линдбергу — первому, кто перелетел Атлантический океан в одиночку. Линдберг, веривший в перспективы ракетной техники, встретился с Годдардом и, проникнувшись его идеями, помог ученому получить финансирование от фонда Даниэля Гуггенхайма, вкладывавшего много средств в развитие авиации. Другой грант был получен от Института Карнеги. Получив большую финансовую свободу, Годдард соорудил новый полигон под Розуэллом (штат Нью-Мексико, США): климат этих мест с преимущественно ясной погодой и малым количеством осадков подходил для испытаний и был полезен самому Годдарду, страдавшему туберкулезом. Немаловажным было и отсутствие населенных пунктов поблизости: на старом полигоне соседство с городом начинало причинять неудобства. Так, после испытаний 1929 года местные жители, напуганные грохотом ракетного двигателя, сообщили в полицию о том, что в окрестностях их городка произошла авиакатастрофа. В район «происшествия» были выдвинуты две кареты скорой помощи, полицейский автомобиль и даже разведывательный аэроплан.

Слева — Годдард (второй справа) с помощниками держит ракету перед ее запуском 19 апреля 1932 года. Фото с сайта flickr.com. Справа — стартовая башня на полигоне Годдарда в Розуэлле, 1940 год. Фото с сайта flickr.com

В 1930-е годы Годдард продолжал совершенствовать свои ракеты. В 1932 году на них, впервые в ракетной технике, появились гироскопы для стабилизации и управления и газовые рули, управляющие ракетой путем отклонения потока газов, истекающих из сопла, а в 1937-м он опробовал двигатель в кардановом подвесе с изменяемым направлением тяги. В марте 1935 года ракета Годдарда впервые поднялась выше одного километра, а два года спустя был установлен рекорд высоты — примерно 2,5 километра. Однако работу осложняло то, что до Второй мировой войны в правительстве и военном ведомстве США не видели перспектив ракетной техники, вследствие чего не считали нужным разворачивать работы над созданием ракет и не финансировали разработки Годдарда. Впрочем, и сам он не стремился к кооперации с другими учеными и изобретателями и неохотно раскрывал технические подробности своих разработок. Он также не любил привлекать внимание общественности к своим работам, опасаясь новых нападок со стороны некомпетентной прессы. До самого начала Второй мировой войны Годдард оставался одиночкой, обходясь небольшим штатом помощников. Это составляло разительный контраст с тем, как широко в те годы были организованы работы в области ракетной техники в СССР и особенно в Германии.

Пульт, который Годдард использовал для пуска ракет в конце 1930-х годов. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Лишь после начала Второй мировой войны армейское руководство проявило интерес к Годдарду. В годы войны он по заказу ВМС США занимался разработкой реактивных ускорителей для самолетов и двигателя для ракеты Martin Gorgon («Горген»). Конструкции Годдарда не пошли в серию, однако уже после его смерти — Годдард скончался в августе 1945 года, за три недели до окончания войны — его разработки использовали при создании двигателя для экспериментального самолета Bell X-2, первого в мире, достигшего скорости 3000 км/ч и высоты 30 км (в 1956 году).

«Затворничество» Годдарда привело к тому, что он не оставил после себя научно-конструкторской школы, а коллегам Годдарда пришлось самостоятельно преодолевать пройденный им путь. Как ни удивительно, о его работах больше знали в Германии, чем в США — в том числе и благодаря усилиям немецкой разведки (хотя и неясно, насколько изобретения Годдарда оказались востребованы в немецкой ракетной программе). После Второй мировой войны Вернер фон Браун удивлялся в разговоре с американскими инженерами: «Разве вы не знаете о своем собственном первопроходце ракетостроения? Доктор Годдард опередил всех нас».

После смерти Годдарда большие усилия для популяризации его достижений и сохранения памяти о нем приложила его вдова Эстер. В 1959 году его имя получил один из исследовательских центров НАСА. В 1964 году на Луне появился ударный кратер Годдард, а годом позже в Розуэлле открылась школа имени Годдарда (см. Robert H. Goddard High School), вход в которую украшают макеты ракет и мурал на космическую тему. Большая экспозиция, посвященная Годдарду, действует в городском музее Розуэлла (см. Roswell Museum): она включает в себя такие интересные экспонаты, как оригинальная стартовая башня с полигона в Розуэлле. А пивоварня Wormtown Brewery в Вустере, родном городе Годдарда, даже назвала в его честь сорт эля.

Торжественное открытие Центра космических полетов Годдарда 16 марта 1961 года, в 35-ю годовщину пуска его первой ракеты. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Годдард говорил: «Трудно сказать, что является невозможным: ведь то, что вчера было мечтой, сегодня становится надеждой, а завтра — реальностью». И хотя он сам не увидел ни того, как советская межпланетная станция «Луна-2» достигла Луны, ни того, как модуль «Орел» космического корабля «Аполлон-11» впервые высадил человека на лунную поверхность, эти экспедиции стали прекрасным подтверждением его слов. Первая из них состоялась через сорок, вторая — через пятьдесят лет после публикации отчета, в котором Годдард высказал идею таких полетов. И «Луна-2», и «Аполлон-11» стартовали с Земли на ракетах, двигатели которых, как и большинства других космических ракет, работали на жидком топливе.

Фото с сайта commons.wikimedia.org.

Алексей Деревянкин